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基于Pano2VR的交互式校园全景漫游系统的研究
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基于IBR的全景校园漫游系统设计与实现
基于IBR的虚拟现实技术是当前虚拟现实领域最为活跃的研究课题之一，因为它不需要复杂的计算，且数据量小，真实感强，非常适合在网络传输等特点近年来已成为三维场景重建的首选。它的核心是全景图生成，并通过固定的视点，完成在水平360度和垂直方向180度的无死角漫游，配套地图、雷达、热点、热区功能等全方位地漫游整个区域场景。 　　本文以柱面全景为例，从全景摄影技巧出发，讲述全景制作的一般方法，并设计实现了基于兰州交通大学的虚拟校园漫游系统。 　　 1全景摄影的普通规则 　　全景摄影是利用数码相机，配以鱼眼镜头旋转360度拍摄，并将得到的序列图像用专门的拼接软件拼合成为一幅包含全部场景信息的全景图片。在得到合成的全景图片后，还可以用专门的处理软件发布到互联网上，使浏览者能够根据自己的意愿随意拖动鼠标观看场景中任何一个角落，使人有身临其境的感觉，创造出场景漫游的照片级的真实感。 　　全景摄影作品一般要经过以下几个步骤来生成可视化的虚拟场景：数字化拍摄，全景照片合成，选择使用播放软件。 　　1.1摄影设备 　　拍摄所需主要器材如图1所示：1)数码相机；2)镜头;3)全景头；4)油压全景云台；5)三脚架；6)相机的遥控线；7)酒精水准器；8)个人电脑。还要选择好天气，尤其是能见度要好。 　　数码相机：最好使用数码单反，单反相机可以自由换取镜头且拍摄图像清晰。从理论上讲，数码单反相机和传统单反相机都可以使用，但是数码单反得到的影像数据可以在电脑上直接处理使用，因此推荐使用数码单反。如NIKON的D90、D300、D500等，CANON的EOS5D、450D和1DS等相机。 　　镜头：拍摄全景为了方便拼接且保持较大的视角，最好使用鱼眼镜头。鱼眼镜头是一种超广角镜头，我们习惯把焦距16mm以下的镜头都称为鱼眼镜头。鱼眼镜头视角范围大，且有相当长的景深，有利于表现照片的长景深效果。推荐使用适马8MM鱼眼镜头或尼康10.5MM鱼眼。 　　全景头：用于固定数码相机。 　　 　　油压全景云台：云台是承载相机等设备的一个装置，目的就是方便旋转拍摄。全景云台就是专门为拍摄全景而制的，其关键就是将镜头节点固定在云台的旋转轴心上，这样就可以保证在旋转相机拍摄的过程中每张图像都是在一个点上,拼合生成的全景图才会完美。 　　三脚架：全景拍摄对相机稳定性要求较高，因为旋转拍摄过程中要一直保证相机高度视角一致，所以一个稳定的三脚架非常重要。建议选择能承受一定重量且材料强度较高的三脚架，并且该三脚架必须支持云台的装卸，因为拍摄全景的时候必须使用到专用的全景云台，而不是家用的普通云台，所以云台的可装卸也是必须符合的。 　　相机的遥控线：为了防止相机拍摄过程中发生抖动，最好使用遥控数据线操作。酒精水准器：用于调节三角架的平衡。 　　个人电脑：用于连接相机，存储拍摄的图片。 　　1.2相片拍摄及调节 　　打开三角架，安装并固定好相机，插上相机遥控数据线，做好拍摄准备工作。将三脚架调节至1.7米左右的高度，调节水平仪尽量使其保持水平并垂直，并且拍摄过程中三脚架不能有任何移动。用普通相机获取图片时要注意：1)相机的正确位置DD应尽可能处于所拍摄全景对象的中心，尽量不偏不倚；2)相机高度DD应为一个成人平视的高度位置，如图2确保相机平视，无上下左右翻转。 　　 　　图2照相机机位 　　调节相机光圈、快门及ISO组合，让曝光值合适。在调节快门时应注意不要让快门速度低于125毫秒，以免动态的场景对象被拍虚掉；光圈也要尽量使用小光圈，以加强照片的景深效果。把相机镜头的对焦模式由自动变为手动对焦模式，并调节合适的焦点，这样便于复杂场景的拍摄，也便于照片有统一的景深和焦距，方便图像拼接。 　　在进行360度旋转拍摄过程中要保证相邻照片间至少有20%左右的重叠，所以镜头视角越大，旋转一周所拍摄的照片数量就越少。本文所使用的鱼眼镜头（15mm）大约需拍摄8-12张照片。可以多实验几次，找到合适的拍摄张数后，在云台转盘上设定旋转角度及张数档位，按顺时针方向（也可按逆时针方向）连续拍摄照片，拍摄一周后，相机回复原位。 　　拍摄后要对待合成的照片进行简单的处理，其主要包括两个方面：一是调节曝光、二是调节镜头畸变，并且一组照片调节要保持同步，保证其调节参数的一致性，这里推荐使用Photo Studio Darkroom，它可以方便快速的调节镜头的各种参数。 　　 2柱面全景图生成 　　全景图技术，就是将一组有相互重叠部分的图像(可能是不同视角、不同时间或者不同传感器获得的)拼接成一幅统一的、首尾相连的、高分辨率图像的技术。图像配准和融合是图像拼接技术的关键。一般来讲，图像拼接技术主要包含以下几个步骤[1]： 　　一是图像预处理。如图像的去噪、镜头畸变处理，直方图处理及对图像进行变换等一系列操作。 　　二是图像间配准。利用特征匹配或模板匹配算法找出相邻待匹配图像间的匹配特征。 　　三是建立变换模型。由上一步找到的匹配关系，根据匹配算法所使用的数学模型计算出参数值，并由此确定待匹配图像间的变换关系。 　　四是统一坐标变换。得到图像的变换关系后，根据数学转换模型，将待匹配图像变换到统一的参考图像坐标系中，进行坐标变换。 　　五是融合重构。将已变换到统一坐标系统内的配准图像的重叠区域进行融合，目前的融合方法有许多，足可以得到融合质量较高的全景图像。 　　下图3给出了图像拼接的基本流程图[1]。 　　 　　 2.1图像配准 　　图像拼接关键在于相邻两幅图片中相同部分的范围，因为图片拍摄过程中,拍摄视角、时间、光照强度、分辨率等的差异，使得相邻图像间可能会发生平移、旋转、透视形变、尺度变化、色差、扭曲、运动目标遮挡等差别。因此，在拼接过程中找到一种最能描述带拼接图像之间映射关系的变换模型是保证图像拼接完整性和美观性的关键因素[2]，下图4列出了一些常用的变换模型。 　　 　　图4变换模型示意图2.2图像的融合 　　图像拼接的另一个关键技术就是图像融合。相邻图片间即使能够配准，然而，由于平动、色差等因素产生的差别使得两幅图片仍然无法完美拼接，这是就要借助图像融合技术。言而简之，图像融合就是将两幅已配准图像的重叠部分综合到一幅图像中并以可视化方法显示的技术。使用合适的图像融合技术能将拼接过程中产生的模糊、鬼影或噪声点，以及拼缝等消除或者大限度的改善[2]。下图5展示了拼接生成的全景图。 　　 　　图5全景示意图 　　 3全景校园漫游系统设计实现 　　在用尼康D500数码相机（镜头尼康18-55mm f/3.5-5.6 GII AF-S DX Zoom-Nikkor）拍摄兰州交通大学体育广场的时候,作者进行了约75°图像的拍摄，共拍摄了10张照片。相机用三角架固定，在水平平台上手动旋转进行拍摄，因此，没有出现太大的偏差。通过对图中上、下边水平方向的比较，很明显的就能看出，图像拼接过程中没有出现较大的垂直偏移。在拍摄图片时专门使用了相同的曝光率，所以10张相片的曝光、色彩也没有出现大的误差，为下一步工作打下了良好基础。 　　在设计兰州交通大学全景校园漫游系统程序时，在校园地图上选择了16个具有代表性的点作为进行漫游系统展示的基本点，在每个点的校园实地分别拍摄约30张照片，共拍摄有效图片约480张，从其中共选择了192张照片。每个点分别使用10-12张照片，进行了内容、色彩等方面的处理，然后通过Image Composite Editor软件拼接形成16张全景图片，通过Pano2VR软件插入地图中相应位置，最后形成了全景校园漫游系统。 　　进入兰州交通大学全景校园漫游系统的主界面如图6所示: 　　 　　上图的生成结合使用了Flash技术，它是当前基于图像的虚拟漫游技术中使用较普遍的一种方法。多采用参考点法来实现视点间漫游的平滑过渡，这种方法能够弥补其他方法所带来的不同程度的视觉失真现象。通过设定ActionScript脚本语言能够将每个导入的Flash场景图像都作为一个按钮图符，从上图6下半部分也可以看到导入的按钮图符，每一个图符代表的是该场景的路径。当用鼠标点击，则当前视点就会转到这个竖条图像所代表的路径的下一个视点。也可以通过导入地图，并添加相应的节点，通过导航地图控制场景中的视点的变化。 　　结合使用Flash技术既发挥了基于几何绘制方法真实感强的特点，又保证了其较高的浏览实时性，使在微机上同时实现真实感强和实时性好的虚拟场景漫游成为可能。 　　 4结论 　　本文在总结前人理论基础上讲述了全景漫游系统制作的一般方法，并设计实现了基于校园的全景漫游系统。基于图像的虚拟场景漫游方法是当前计算视觉和虚拟现实技术中一种重要的场景表现方法，它以固定的视点，简单形式，全面的360度浏览场景，带来了更加真实高效的用户体验，因此基于图像拼接的全景虚拟漫游系统必将在以后的生活中得以广泛应用。 　　参考文献： 　　[1]百度百科/view/2935395.htm, 2011. 　　[2] Richard Szeliski. Video mosaics for virtual environments. IEEE Computer Graphics and Applications,). 　　[3] Tomes Akenine-Moller, Eric Haines.普建涛译. Real Time Rendering，Second Edition[M].北京大学出版社,2004. 　　[4]贺志锋.虚拟场景关键建模技术研究与应用[J].北京化工大学,2008. 　　[5]张辉,崔杜武.全景图像生成算法的研究与实现[J].计算机工程,):95-96. 　　[6]王娟,师军.一种柱面全景图像自动拼接算法[J].计算机仿,):213-215.
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