章晋丽

(信阳职业技术学院数学与计算机科学学院,河南信阳 464000)

0 引言

三维虚拟校园的设计与实现是基于虚拟现实技术、地理信息技术、计算机图像技术和计算机网络技术等多种技术于一体的综合实践实例应用研究[1],它主要是将校园景观信息和人文信息融合,以虚拟仿真校园的形式实现校园场景再现和信息浏览查询等功能。常见的三维虚拟校园开发方法较多,多以采取图形建模技术实现为主。本文探讨另一种实现方法,采取图像建模技术为主,构建基于全景技术的三维虚拟校园系统,以期待为实现三维虚拟校园开发提供参考和借鉴。

1 三维全景概述

图1 柱面投影原理图Fig.1 Schematic diagram of cylindrical projection

三维全景全称是三维全景漫游技术,其核心问题就是全景图像处理[2]。在现有条件下,通常采用普通设备相机进行360度或180度拍摄场景的一组或多组照片,拼接成一张具用全景空间效果的图像,然后,再借用计算机的相关图像播放软件或动画播放插件来实现全景图的多方位互动式还原场景观看,犹如一个具有伸缩功能望远镜一样,用户可通过键盘或鼠标控制上下,左右移动方向,实现场景间的动感漫游功能,从而能够逼真地展现真实场景效果。全景图制作包括三个步骤,分别是图像拍摄采集、拼接融合和全景图展示等。下面将从基础理论与实践应用两个方面进行详细探究三维虚拟可视化技术。

2 三维虚拟可视化技术探讨

2.1 投影变换算法

受空间,时间的限制,同一场景的不同角度拍摄所得到的图像坐标不同,因此,要实现图像的无缝拼接,必须对图像作投影变换使其统一到同一空间坐标系中。不同的投影方式影响图像的采集和拼接方法,与人眼模型最接近的就是球面全景图,它可以很好地展示整个视点空间信息,但该数据信息量大,导致计算机存取难度大,数据处理效率低。为了兼顾速度和效率,本文采用柱面模型构造全景图,可以克服前者的缺点,更好的适用虚拟校园建设。下面简要讲述柱面投影方式制作全景图的工作原理。以半径为r的圆柱体中心为原点建立三维坐标系,假设原始图像为I,高度为h,宽度为w,相机拍摄焦距为f,以正面角度θ投影,投影图像为I',高度仍为h,宽度为w',如图1所示。

当相机在基平面XOZ上运动且拍摄焦距为r时,任意设原图像上一点P(X,Y),柱面投影对应点Q(X',Y'),依据柱面投影俯视图b和侧视图c的几何关系,计算出点Q与点P的柱面投影转换对应算法,如公式(1)所示:

2.2 图像拼接算法

依据前人经验,图像拼接主要按区域拼接和特征拼接两种方式进行[3]。通常区域拼接又分为基于面积(流)的相关算法和基于相位的相关算法两类,二类算法都要对画面信息进行灰度计算,然后进行特征对比和区分,计算相对复杂和精确,通常用于特殊领域图像处理。三维虚拟校园开发,要求实用为主,通常采取特征拼接的相关算法即可,该算法主要对图像的点、线、面、轮廓等特征匹配,是一种点对点的相关算法处理方式,处理过程中,计算量相对较小,处理速度快,能够较好的满足虚拟校园图像拼接。

以基于相交特征线段的匹配过程为例分析图像拼接算法[4],如图2所示。根据相邻两幅图像重叠区域的近似性来实现图像拼接,首先设定一个匹配模板,然后按照给定的扫描方式,在待匹配图像区域查找与模板高度近似的特征子图区域,精确找出特征模板。

原理为从图2的特征模板d图边缘开始,选取一定间距的两列,并取一对对应像素点p、q,套用评价函数(2),计算对应列的比值f,通过比较选取最大值f,得到最大特征列,同理可求出最大特征行。最大特征行和特征列组成相交的线段,记作A,称之为特征模板。

其中2式中 dr=|value(p(r)-q(r))|

dg=|value(p(g)-q(g))|

db=|value(p(b)-q(b))|

图像的特征模板A生成之后,令其作为基准,从图2的待匹配e图左上角开始遍历,同时套用评价函数(2),分别计算d和e中对应的行和列的比值,取最小值f,得到相交线段称之为匹配B,即完成特征模板A与最佳匹配B的搜索。根据d和e相对位置关系,确定拼图的相对平移参数,从而实现一幅完整的全景图拼接。

2.3 图像融合算法

三维虚拟校园展示给师生的是全真校园景观模拟,所有相机采集的数据图像都是接近自然真彩色的,为了实现图像无痕拼接,图像间的平滑过渡,本文采用渐入渐出加权平均算法[5]实现。简要概述其过程,首先取出待拼接的两幅重叠图像的三个主颜色分量R,G,B进行渐变加权处理。设任意一对渐变对应像素点为I1(i,j),I2(i,j),渐变因子为a(0≤a≤1),原理如公式(3)所示,实验表明图像匹配示意图的左边图像渐变因子从1到0变化时,右边图像渐变因子则从0到1变化,能较好的实现图像融合效果。

3 基于三维全景技术的虚拟校园实现

依据前文理论,本文以长沙理工大学校园全景漫游系统[2]为例,效果如图3所示,简要概述实现三维全景虚拟校园动画漫游系统主要过程。概述如下:第一步,数据信息采集,目前最成熟的有普通相机、鱼眼相机和全景摄像机等采集图像方法。各种设备性能也各异,对于普通用户来说,使用普通相机就可以实现全景图的拍摄。第二步,全景图拼接合成,首先使用PS进行图像整体修饰,然后采用全景拼合软件PTGUI进行加载图像拼接与融合合成。第三步,全景图展示,现流行的全景漫游软件有八倍全景漫游者,全景大师和Pano2VR等,均能很好地实现全景图转换及自由播放浏览功能。第四步,系统发布,通过对校园主要建筑物,场景和相关地理环境合成单个节点全景图,实现单个场景交互式漫游;进一步整合动画设计相关软件,使用flash插件,将多个节点全景图融合到同一个页面下供用户浏览,实现多场景多节点三维全景校园虚拟漫游系统网络发布。

图2 图像匹配示意图Fig.2 Image matching diagram

图3 长沙理工大学校园全景漫游系统Fig.3 Changsha University of Science and Technology Campus Panoramic Roaming System

4 结语

基于全景图像构建的三维虚拟校园系统的研究不仅拓展现有图形建模构建三维虚拟校园系统设计与开发思想动向和实践经验,更有利于拓宽实虚结合的图形与图像对应的三维虚拟校园系统开发渠道。基于图形建模的虚拟校园系统在模型材质渲染过程中,计算机系统资源开销特别大,对于高清逼真三维模型的网络显示更是受现有软件技术和硬件设备功能的限制,加之各种复杂模型的加载更加耗时,给人不理想的感觉。本文对基于三维全景技术的虚拟校园系统研究是基于图像建模构建虚拟校园系统深入应用研究,它可以克服前者难题,在实际应用过程中,其开发技术更加简洁实用,开发成本更加经济,同时网络加载效果更加让人满意。未来探讨如何将图形与图像构建虚拟校园系统相结合,各自取长补短,将是一个有意义的研究方向。