基于Skyline的衛星紅綠立體影像制作方法

昝 良

（1.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007）

基于Skyline的衛星紅綠立體影像制作方法

昝 良1

（1.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007）

提出一種基于Skyline的衛星立體影像制作方法，使用Skyline加載地形及融合影像，調整虛擬相機的拍攝位置及角度，制作出多角度地形真彩色紅綠立體影像。解決了當前衛星紅綠立體影像制作中出現的角度單一、幅寬受限、容易漲眼、效果不明顯且丟失顏色信息等問題。

Skyline ；相機多角度；真彩色；紅綠立體

衛星遙感影像可以用來制作DOM、DLG以及DEM等。同時，可使用衛星攜帶的三線陣相機、高分辨率相機，通過某2個視圖的影像制作紅綠立體影像圖。紅綠立體影像能提供良好的三維視覺效果[1]，在測繪作業上具有重要的價值。但使用傳統方法制作的紅綠立體影像受制于衛星的拍攝角度、相機屬性等各種客觀條件，制作出的立體影像有幾點無法克服的問題：

1）視角單一。使用2個視角的相機對被觀察點進行的拍攝，觀察點位于衛星的軌道上，處于被觀察場景正上方，視線基本為垂直于地面方向向下，這就使得制作出的紅綠影像視角單一。

2）幅寬受限。衛星拍攝的每一景幅寬是固定的，若要制作大于衛星幅寬的立體影像，就需要對兩幅影像進行拼接，這樣就改變了影像的透視特征，出現變形。因此，使用傳統方法制作的紅綠立體影像場景不能超過衛星相機幅寬。

3）容易漲眼。人眼可以感受到立體效果的范圍在0.72°~6°之間，小于這個角度就感覺不到立體效果，大于這個角度會感覺到漲眼。相機夾角可能會遠大于6°，不符合人眼觀察事物的習慣，會出現漲眼等問題。

4）效果不佳。由于某些地區的地形起伏不明顯，立體效果不佳，無法對地形進行夸張。

5）色彩信息丟失。采用傳統方法制作紅綠立體影像，數據的主要來源是三線陣相機。三線陣相機影像的主要用途是通過立體像對生成DEM，因此相機采用的是全色相機。這種方法制作的立體影像是采用2個視圖的影像分別提取紅綠通道進行疊加生成，因此丟失了影像的顏色信息，只具有紋理特征。

Skyline的軟件系統一直在基于網絡的三維可視化軟件中居于領先地位[1,2]。該軟件系統平臺從影像數據生產、編輯到互聯網發布都提供了成熟的解決方案。而且，其開放了所有的API，能夠讓用戶根據自己的需求編寫程序，定制功能。Skyline家族包括TerraExplorer、TerraBuilder以及TerraGate等，分別用于地形瀏覽，地形影像制作以及數據的發布[3]。Skyline內置的攝像機模塊可從不同的角度對虛擬地形場景進行觀察。本文提出一種基于Skyline的衛星立體影像制作方法。

1 原 理

1.1 人眼立體視覺原理

人眼之所以能看到立體的景物，是因為雙眼各自獨立地看物體。人的大腦視覺系統將兩幅有輕微不同的圖像進行融合，就產生出立體效果[4-6]，如圖1所示。

圖1 人眼觀察立體示意圖

一般成人兩眼瞳孔間距在6.3～7.0 cm之間，以7.0 cm為例，人眼最佳觀看范圍是0.7～5 m，當人眼距觀察物體距離為0.7 m時，目標距離與瞳距比為10∶1，此時雙眼夾角約為6°，產生最大視差，當人眼距觀察物體距離為5 m時，目標距離與瞳距比為71∶1，此時雙眼夾角約為0.72°，為最小視差，物體再遠，就無法辨認遠近了。

因此，立體攝影需要重現這一規則，即

式中，D為相機間距；S為目標與相機中間點的距離。

1.2 拍攝方式

進行立體拍攝時，可使用兩種拍攝方式：Toe-in Method和Correct Method。

Toe-in Method使用較多，進行拍攝時，2個攝像機指向同一點，如圖2所示。

圖2 使用Toe-in Method進行拍攝

使用Toe-in Method方法進行拍攝，可生成具有立體效果的圖像，但該方法會產生豎直方向上的視差，立體圖邊緣會產生眩暈。使用Correct Method進行拍攝時，投影方式為”parallel axis asymmetric frustum perspective projection”[7]，即平行軸不對稱視椎體透視投影，能夠克服豎直視，如圖3所示。

圖3 使用Correct Method進行拍攝

1.3 地球任意兩點距離計算

設第一點A的經緯度為（LonA，LatA），第二點B的經緯度為（LonB，LatB），按照0°經線的基準，東經取經度的正值（Longitude），西經取經度的負值（-Longitude），北緯取90-緯度值（90- Latitude），南緯取90+緯度值（90+Latitude），則經過上述處理過后的兩點被計為（MLonA， MLatA）和（MLonB，MLatB）。根據三角推導，可以得到計算兩點距離的公式如下：

式中，C為中間變量；R表示地球半徑6 371.004 km；Distance為地表兩點間距離；Distance和R單位相同，Arccos（）為反余弦函數。

1.4 計算經緯度

已知一點A（X，Y）經緯度及另一點B的距離r與方位角a，計算B（Lon，Lat）的經緯度。

1）同一經度上，緯度每隔1°相差111 km；

同一緯度上，經度每隔1°相差111*cos(Lat)km，Lat表示該點緯度;

2）兩點在同一經度上的緯度距離差為：

兩點在同一緯度上的經度距離差為：

式中，r為兩點距離，單位為km；a單位為弧度，以正北方向順時針開始。

3）在經度上的偏移度數為：

在緯度上偏移度數為：

則：

可求出B點的經緯度Lon、Lat。

1.5 Skyline攝像機

Skyline中，攝像機位置參數有X、Y、Z，用于標示相機在笛卡爾坐標系中的位置，相機的角度參數有偏移角（方向）Direction、俯仰角（傾斜）Tilt以及翻滾角Roll，如圖4所示。

圖4 Skyline相機參數示意圖

偏移角范圍從0°～360°，0°為北，180°為東，270°為西。俯仰角范圍-90°～90°，90°為從下到上垂直，-90°從上到下垂直。翻滾角范圍-90°～90°，-90°為向左翻滾至垂直，90°向右翻滾至垂直[8]。若角度不在參數范圍，Skyline會自動增減角度周期，調整數值至參數范圍。

2 多視角衛星紅綠立體影像實現

2.1 相關參數設置

將高分辨率影像與多光譜影像進行融合，使用TerraGate加載DEM模型與融合影像，生成模型，供程序加載。

Skyline相機相關參數如表1所示，距離參數單位m,角度參數單位°。

表1 Skyline相機參數設置

2.2 控制攝像機角度和位置關鍵代碼

//創建位置

IPosition61 cPos = objSGWorld2.Creator. CreatePosition(dXCoord, dYCoord, dAltitude, eAltitudeTypeCode, dYaw, dPitch, dRoll, dDistance);

//跳到該位置

objSGWorld2.Navigate.SetPosition(cPos);

2.3 立體圖拍攝與制作

圖5使用Toe-in Method，平行于水平面進行拍攝。

可以看出，最終效果圖中，圖像右上角的位置的山峰紅通道偏右，綠通道偏左，拍攝中心點紅通道偏左，綠通道偏右，相機焦點在屏幕中心點靠后的位置。通過佩戴紅綠眼鏡，可以觀察到效果圖立體效果明顯，場景層次分明。

圖6使用Correct method，垂直于水平面進行拍攝。通過佩戴紅綠眼鏡，可以很觀察到效果圖立體效果明顯，山峰山谷立體效果十分明顯。

圖6 效果圖B

3 結 語

地學可視化經歷了二維到三維的發展[9]，本文提出一種利用Skyline提供的攝像機制作紅綠立體影像的方法。結果表明，該方法能有效解決傳統的衛星紅綠立體影像的視角單一、幅寬受限、容易漲眼、效果不佳以及色彩信息丟失的缺點,實現了從不同的角度制作地形紅綠立體影像、幅寬不受限、角度可控制在人眼舒適度可接受的范圍內，同時通過地形模型的制作，適當進行地形夸張，增強了立體效果，在附上融合影像時保留了顏色信息。

由于立體照片拍攝過程中，前景、中景、后景以及背景之間的位置和比例關系會影響到立體顯示的效果，不當的拍攝會產生難以接受的重影。同時，由于濾光片不能100%進行分光，左眼會看到右眼的部分場景，影像大腦三維再造，導致與實際不符，使用棱柱將解決這一問題。以上2點將是作者研究的重點。

[1] 梁吉欣，左小清. Skyline在Web三維GIS中的應用研究[J].昆明理工大學學報:理工版,2009,34(2):1-4

[2] 李虎，吳家鑄.基于Skyline的戰場態勢系統研究與實現[J].計算機工程與科學, 2009,31(4):26-28

[3] 鄧潔，夏春林，王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立[J].遙感技術與應用, 2008,23(5):529-532

[4] 李娟，關祥宏.基于微機的三維真立體顯示技術評述[J]. 鐵道勘察, 2005,31(2):24-26

[5] 趙穎，雷志勇，雷鳴. 虛擬現實中立體顯示技術研究[J]. 電子設計工程, 2009,17(10):116-118

[6] 李偉鋒.基于紅綠立體影像的地形三維可視化研究[J].科技風,2010(11) :207-209

[7] Bourke P.3D Stereo Rendering Using OpenGL(and GLUT) [EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/89e3b57da26925c52cc5bf58. html，2013-07-26

[8] 武藝,趙冬至,黃鳳榮,等. 基于Skyline的流域河口生態安全評價三維場景實現技術[J]. 海洋環境科學,2012,31(1):88-91 [9] 陳鵬, 林鴻 ,張鵬程,等.二三維一體化在Skyline與SuperMap6R中的實現對比[J]. 地理空間信息, 2011, 9(3):65-68

P237.4

B

1672-4623（2015）03-0044-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.016

昝良,碩士，研究方向為指揮自動化與戰場環境數字化。

2013-10-11。