基于三維全景圖的校園漫游系統

王緒宛,雷蕾

0 引言

虛擬現實技術是近年來出現的高新技術，集成了計算機圖形、仿真、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。三維全景視圖是虛擬現實中的一種表現形式，會讓使用者有進入照片中的場景的感覺。學校為了展示自身風采,越來越重視宣傳,需要一種更為直接的方式宣傳自己。虛擬現實技術應用于學校就是虛擬校園，能夠全方位地展示學校的各種軟硬件環境[1-2]。

目前高校整個系統里面，最薄弱的環節就是校園的電子化信息建設，雖然在整體或者局部實現OA自動化，但是對校園信息整體上沒有一個立體化、形象化的展示，只能通過基礎文字性的網頁，加上幾張照片，算是對學校的一個展示，這樣不但給學校自身形象建設上拖后腿，也不利于新生和家長對校園環境有一個快速全面的了解。三維虛擬校園系統是校園信息化建設的重要組成部分，對大學的校容校貌的展示、擴大宣傳、招生等具有非常重要的作用[2]。

基于三維全景視圖的虛擬校園系統要解決的一個重要問題就是在實現三維漫游基礎上如何有效降低成本，因此研究如何利用現有的計算機技術，將校園平面圖或者照片制作成一個立體形式的展示影片，甚至可以實現虛擬校園漫游，包攬校園全景的功能，在無縫拼接的畫面上實現定點旋轉展示，這些問題擺在了我們面前[4]。

1 三維全景圖的關鍵技術

1.1 三維全景圖的圖像來源

三維全景圖是虛擬實景的一種表現形式，會讓使用者有進入照片中的場景的感覺。三維全景圖的圖像可采用全景照相機、普通照相機或攝像機來獲取。全景照相機可直接獲得全景圖像，普通照相機或攝像機則需要固定在可水平旋轉的支架上，拍照時轉動相機一周，每間隔一定的角度拍一張照片，以保證相鄰照片有一定的重疊，然后把獲取的圖像數據直接下載到計算機進行拼接處理。全景圖區別于普通的拼接照片的地方在于，全景圖是基于魚眼技術，利用專業相機拍攝出來的照片，觀察者從每個角度觀察，都能夠獲取直觀的立體感，而普通的拼接照片，只是在一個平面上實現相機取景范圍的限制，但是也可利用全景云臺配合廣角相機每隔相同角度環拍一組照片來進行全景圖的拼合。由于全景相機價格昂貴，導致拍攝成本較高，在普通的三維全景圖生成時很少使用，這里主要討論普通相機或攝像機實現三維全景圖圖像的方法[3～5]。

1.2 全景圖的投影處理

獲取了有重疊區域的待匹配圖像后，由于每幅圖像坐標不同，為了配準的需要，必須把它們統一到同一個坐標系中，這就需要對這些圖像進行投影變換。常見的圖像投影方式主要有2種:球面投影方式和柱面投影方式。球面投影方法[10]是為了將多幅待拼接圖像投影到一個球面上，以球面全景圖像的形式存儲，獲得每幅待拼接圖像上的像素點在視點空間中的方位信息。該方法比較簡單，對圖像素材沒有特殊要求，使用較為廣泛。照相機或攝像機所得到的圖像數據屬于中心投影，可以采用球面投影方法經過投影變換來將這些中心投影圖像投影到一個球面上，球面正投影，如圖1所示:

圖1 球面正投影

柱面正投影算法[11]是將多幅待拼接圖像投影到一個中心圓柱面上，以柱面全景圖像的形式存儲。這種方法可以消除待拼接圖像之間可能存在的重復景物信息，同時也得到了每幅實景圖像上的像素點在視點空間中的方位信息。柱面正投影，如圖2所示:

圖2 柱面正投影

2.3 圖像的拼接

圖像拼接技術是產生全景圖的一種簡單低成本方法，其原理是根據圖像重疊部分將多幅銜接的圖像拼合成一幅高分辨率全景圖。圖像拼接的關鍵是精確找出相鄰兩幅圖像中重疊部分的位置，然后確定兩幅圖像的變換關系，最后進行拼接和拼縫融合。但是由于相機受環境和硬件等條件影響，所要拼接的圖像往往存在平移、旋轉、大小、色差及其組合的形變與扭曲等差別，這就給圖像拼接帶來一定的難度[6～7]。

圖像拼接方法一般可分為基于區域[9]和基于特征[10]兩種方法，基于區域的拼接方法利用的是圖像的大部分灰度信息，而基于特征的方法則是通過提取圖像中的點、邊緣、輪廓等特征進行匹配，運算量相對較少，受噪聲的影響較小，因此近年來的研究主要是基于圖像的特征。

由于在拍攝圖像序列的過程中受環境條件的變換和拍攝設備的運動等因素的影響，相鄰的圖像之間會存在一定的變換關系，如透視變換、仿射變換、投影變換及雙線性變換等，而相鄰的圖像只有變換到同一坐標系下才能拼接成一幅全景圖像。根據圖像序列坐標變換方式的不同，圖像拼接的方式可以分為以下4種:幀到幀合成方式、幀到拼接圖像合成方式、拼接圖像到幀合成方式以及拼接圖像到拼接圖像合成方式[7,9]。

2.3.1 幀到幀合成方式

幀到幀的合成[12]方式也稱為靜態圖像拼接技術，采用批處理的方式將圖像序列中的所有圖像同時變換到同一坐標系上進行配準，然后選取不同的時空濾波器進行圖像的拼合以獲取拼接圖像。這里的坐標系可以按照一定的規則自動選取或者由用戶指定，在拼接的過程中坐標系固定不變。該方式選擇圖像序列中的某一幀圖像作為參考圖像，則該圖像序列中的其它幀圖像可以通過先前計算出來的與參考圖像間的變換參數變換到參考圖像坐標系中，從而實現圖像的拼接。

2.3.2 幀到拼接圖像合成方式

由于采用幀到幀的合成方式進行圖像拼接時，配準參數的連續組合會造成累計誤差。有人提出了幀到拼接圖像的拼接方式。幀到拼接圖像的合成方式也稱為動態圖像拼接技術，采用增量處理的方式，將待拼接的圖像幀與拼接圖像變換到同一坐標系上進行配準，以當前圖像幀的內容來更新拼接圖像的內容。采用這種圖像合成方式，在拼接圖像與當前圖像幀之間存在較大位移的情況下，及當場景中存在運動目標時，有更好的效果。

2.3.3 拼接圖像到幀合成方式

拼接圖像到幀的合成方式是以當前圖像幀所處的坐標系為基準，將拼接圖像與當前圖像幀進行配準，拼接圖像與當前幀之間的變換參數等于前一幀圖像與當前幀圖像之間的配準參數。由于是將拼接圖像變換到當前圖像幀所在的坐標系上進行配準，所以這種合成方式特別適合于實時視頻傳輸和動態圖像拼接。

2.3.4 拼接圖像到拼接圖像合成方式

為了進一步減小圖像拼接的累計誤差，人們提出了樹形拼接的合成方式，即拼接圖像到拼接圖像的合成方式。該合成方式將圖像序列按照一定的規則進行分段，各段圖像以一定的拼接方式拼接成子拼接圖像，最后將各子拼接圖像配準合成為最終的拼接圖像。拼接圖像到拼接圖像的合成方式示意圖，如圖3所示:

圖3 拼接圖像到拼接圖像合成方式

2.4 全景圖像的存放及顯示

全景圖像生成后，空間編輯器將不同地點而又眾多的全景圖像組織為虛擬的全景空間，全景圖像的數據量通常是較為龐大的，需要對其進行壓縮，通常采用JPEG算法進行壓縮[3]。虛擬全景空間漫游時，一般只將可見部分的全景圖像調人內存并解壓，通過球面全景圖像的反投影算法，將可見部分的球面圖像反投影為中心投影圖像并顯示在計算機屏幕上。

3 系統的實現

3.1 照片拼接的實現

將旋轉拍攝的照片拼接成一張在平面上看上去范圍很廣的照片全景地圖生成的最重要的一步，可在生成全景展示地圖的時候能還原當時拍攝的真實景象。

這里利用autopano軟件進行圖片的拼接，把普通相機的一組48張照片利用球面投影方法進行拼接。另外，由于選用的相機鏡頭不是魚眼鏡頭，加上其他一些器材上的局限性，會造成拼好的全景圖缺少天和缺少地，需要用photoshop進行天和地的補全。

具體步驟如下:

第一步:打開autopano軟件，如圖4所示:

圖4 autopano軟件界面

點擊添加按鈕，添加要拼合的照片；

第二步:在設定頁面中選擇“球形全景圖的拼合”，并點擊確認，開始渲染，這樣一張球形全景圖就拼好了，如圖5所示:

圖5 拼好的全景圖

3.2 Flash的制作

拼接好的全景圖需要進一步轉換成flash格式。利用現有的軟件pano2vr，把先前拼好的全景圖導入pano2vr，然后選擇矩形球面投影，輸出格式選擇通用性更強的flash格式，另外還可以對轉換出的flash進行一些基本選項的設置。操作核心界面，如下圖6所示:

圖6 pano2vr軟件界面

3.3 漫游的制作

經過前兩個步驟的準備工作，接下來要進行漫游部分的制作，使用pano2vr軟件進行制作，在地圖上設置熱點，通過點擊導航地圖上的熱點，展示窗口會切換到你所點擊的熱點位置的全景畫面，并且還可以制作雷達方向導航標志，在瀏覽時可以時刻注意自己所看景象的方向。打開的皮膚控制器窗口，制作導航及雷達方向標，在皮膚中添加一個矩形框，然后在矩形框中添加校園的地圖，如下圖7所示:

圖7 漫游皮膚控制器窗口

點擊添加按鈕圖標添加按鈕，按鈕放在需要展示的地點所在地圖的相應位置，設置來源和動作參數，保證在進行相應的鼠標動作時切換到對應頁面。最終生成flash文件，并導出。

3.4 頁面的制作與美化

頁面選擇要與全景展示的窗口渾然一體，要使瀏覽者感覺自然，針對這些要求選擇了dreamweaver工具制作了頁面框架，在框架中嵌入之前制作的flash全景展示系統，最終成果展示效果，如下圖8所示:

圖8 最終效果圖

4 結束語

通過對三維全景視圖關鍵技術的分析，對普通相機拍攝圖像使用簡單的圖像拼接技術在對應的autopano軟件上實現全景圖的制作，并生成flash文件，在此基礎上借助pano2vr軟件實現了校園三維漫游效果。該方法不需要特殊昂貴的設備，方法簡單，降低了開發成本，對校園建設的展示有著良好的宣傳作用[7]，在三維漫游系統方面具有較大的推廣價值。

[1]程剛，鄭小華，等.三維全景視覺技術在農業機器人中的應用[J].安徽農業科學，2010,38(34):19854-19856.

[2]張德義.基于Web的三維虛擬校園系統的設計與實現[M].北京:清華大學出版社，2008.

[3]劉巧紅，單貴，等.三維仿真場景構建及漫游系統實現[J].西華大學學報（自然科學版），2010,29(6):62-69.

[4]劉航，王積忠，王春水.虛擬校園三維仿真漫游系統關鍵技術研究[J].計算機工程與設計.2007，28(12):33-35.

[5]官勇，蒲小瓊，張翔.虛擬場景漫游技術及其系統實現[J].計算機工程與應用，2007，43(15):89-91.

[6]曹彤.虛擬博物館的三維場景構造及交互漫游實現[J].計算機工程與設計，2007.28(24):6006-6007.

[7]王秀麗，朱正平，等.構建虛擬校園漫游系統[J].自動化與儀器儀表，2010(5):137-138.

[8]馬向英，杜威登.基于圖像的室內虛擬漫游系統[J].中國圖象圖形學報，2009，6(A):87—90.

[9]陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/OpenGL的虛擬海大校園導航系統[J]計算機輔助設計與圖形學學報，2007，19:263—266.

[10]唐璉，谷士文，費耀平等.全方位全景圖像的一種映射方式[J].計算機工程，2000，26(8):95-97.

[11]王娟，師軍.一種柱面全景圖像自動拼接算法[J].計算機仿真，2008，25(7):213-215.

[12]Lowe,D.G.Distinctive image features from scale-invariant keypoints[J].International journal of computer vision 2004,60(2);91-110.