全景視頻技術在環境藝術設計中的應用研究

李瑾瑞

摘? 要： 全景環境藝術設計中，由于景象空間定位的問題，造成設計效果出現陰影或者景象重疊，為此提出基于全景視頻技術的環境藝術設計方法。引入全景視頻技術，對設計物體景象進行多角度數據采集，利用采集數據繪制三維空間模型，對三維空間模型求解一階微分方程，獲取物體景象尺度空間定位極值，根據尺度空間上下定位極值實現全景視頻圖像配準和融合，完成物體全景環境藝術設計。實驗采用對比方式，通過觀察公共區域陰影疊加以及融合圖像中物體的疊加結果表明，所提方法能夠有效解決常規方法出現的問題，更加適用于全景環境藝術設計。

關鍵詞： 環境藝術設計; 全景視頻技術; 視頻采集; 視頻處理; 用戶體驗; 環境空間定位

中圖分類號： TN02?34; TP18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）11?0059?04

Research on application of panoramic video technology in environmental art design

LI Jinrui

（Jianghan University， Wuhan 430056， China）

Abstract： Due to the problem of spatial positioning of the scene， the shadows or scene overlapping appear in the design effect in the panoramic environmental art design. Therefore， an environmental art design method based on panoramic video technology is proposed. The panoramic video technology is introduced to collect multi?angle data of the designed object scene. The collected data is used to draw a three?dimensional space model. The first?order differential equation is solved for the three?dimensional space model to obtain the extreme value of object scene scale space positioning. The panoramic video image registration and fusion are achieved according to the extreme value of the up and down positioning for scale space to complete the artistic design of object panorama environment. The contrastive method was used in the experiment. By observing the superposition of shadows in the public area and the superposition of the objects in the fusion image， it is shown that the proposed method can effectively solve the problems arising in the conventional methods. Therefore， it is more suitable for the panoramic environmental art design.

Keywords： environmental art design; panoramic video technology; video collection; video processing; user experience; environmental space positioning

0? 引? 言

全景視頻技術能夠在任何一個方向進行視頻觀看，擺脫了原有的觀看角度的束縛，給人以真切的感官體驗[1]。如今，全景視頻是大眾普遍歡迎，大范圍使用的一種媒體形式，極大地改善了人們的生活。環境藝術設計是數字建筑設計的重要組成部分，在特定的范圍之中實施對藝術景觀的構建和創造。隨著人們生活水平的逐步提升使得對于居住休閑環境的要求隨之上升，傳統視頻只能夠提供某些視角，不能全面地呈現環境全貌，難以讓用戶對環境中的細節問題進行掌握，浪費了時間和成本，已經不能適應于人們的需要[2]。

本文針對以上問題，將全景視頻技術和環境藝術設計聯系起來，對全景視頻技術在環境藝術設計的應用進行了探索和研究。全景視頻技術可以通過全方位的視頻拍攝提供整體的環境，幫助設計者理解環境的具體情況，全景視頻技術的應用為人們良好的生存環境奠定了堅實的基礎，創造了十分便捷的生活條件。

本文針對信息的采集和處理，動態過程的建立，以全景視頻與人的交互為主要內容進行闡述，介紹了其在環境藝術設計中存在的優勢。

1? 景視頻技術在環境藝術設計的信息采集與處理

全景視頻技術對于信息的采集相較于傳統的視頻拍攝，最大的區別在于采用多個鏡頭從各個角度對事物拍攝，此種方式能夠為用戶提供全方位的信息，并且只需要調節視頻便能夠調取事物的整體風貌[3]。針對上述全景視頻技術特征，設計環境藝術設計中的信息采集與處理過程，如圖1所示。

全景視頻技術在環境藝術設計中的應用所要開展的第一項工作便是信息的采集工作，在信息采集的過程中普遍運用3個及以上攝像機，將其按照一定的角度拼接起來，如圖2所示。

圖2中，每個相機都是相互獨立的，自主完成信息的采集和保存，在這個環節和傳統的視頻技術的流程是一致的，在信息采集之后通過電子信息技術等一系列現代化技術進行處理，獲得全方位無死角的視頻[4]。本文對各個攝像頭輸入的原始視頻幀進行特征提取。如圖2所示，背景存儲區變換可以用3×3立體圖樣來表示，該圖樣描述了相同空間上不同幀之間的平移、旋轉、仿射等關系。因此，規定以中間攝像頭所捕獲的參考幀為參考視頻，利用背景變換圖樣將其余攝像頭所捕獲的幀投影到同一個背景中。由于3×3立體圖樣表達的是物體不同坐標系的位置關系，故只有參數間的比例關系有意義，因此，該立體圖樣實際上只有8個自由度。進一步推導可知，只要有3對坐標值即可確定該立體圖樣。采集所需的投影立體圖樣，首先需要在相鄰幀的重疊區域內分別找出特征點，然后對其進行匹配得到一系列對應點。對應點數要求至少有6對，多于6對時求取最小公共陰影，在原始幀中提取足夠多匹配的特征點，最終生成全景視頻即為采集視頻數據。

采集信息的處理，該項工作實施的第一步是將采集到的視頻拼接起來，全景視頻拼接技術能在保持視頻的時間同步一致的基礎上將各個相機拍攝的視頻進行連接，并充分地保障視頻的穩定性以及質量。在這個過程中，可以充分借助于杰圖全景視頻大師等專業性的軟件進行實現，在提升視頻色彩水平和整體質量的同時，能夠大幅度地增強視頻拼接效率[5]。第二步是實現與用戶的交接，在環境藝術設計中，通過計算機技術的媒介作用，實現用戶和視頻之間的交流和溝通，給予一種設身處地的真實感覺[6]。

這個過程的實現詳細闡述如下：首先，通過計算機軟件將視頻描繪的整個環境的虛擬狀態搭建起來;其次，經過傳感器等實現視頻和用戶之間的相互交流，在此之中，用戶可以根據自己的感受以及技術經驗改變視頻中呈現的具體場景，實現環境藝術設計中的合理布局與構建。所以，全景視頻技術在信息的采集與處理中充分地運用了視頻的合成技術、視頻顯示技術、三維建模技術等，借助于計算機軟、硬件的媒介作用，實現視頻和用戶之間的溝通，以及用戶在藝術設計的參與過程，進而能夠適應于大眾對于環境藝術設計更加嚴格的要求[7]。

2? 獲取尺度空間極值

在環境藝術設計中存在的突出性問題在于難以實現室內外景物具體的固定位置以及所要呈現的詳細形態[8]。全景視頻技術在環境藝術設計中能夠全方位地采集到不同視角下景物的外圍數據，只要對景物尺度空間極值進行求取便可以解決上述問題。

首先將上述單元采集到的數據放置在同一空間圖樣中，然后建立一個三維空間模型[9]。借助于3dsMax，SketchUp軟件共同繪制，根據全景視頻確定景物的具體位置，搭建具體的模型，對環境藝術中涉及要素進行選定和調節，獲得適應于需求和滿足美觀的實際視頻圖[10]。在此基礎上，設定多個攝像頭的活動空間和軌跡，對鏡頭的焦距等實施調節，對制作出來的總體效果進行完善。對于小的細節進行模糊化處理，假設攝像頭的三維運動方程式如下：

[X=θx+axV-θx+ayVY=θy+ayV-θy+axVZ=Tmax-Tminv] （1）

式中：[ax]，[ay]分別為參考幀的水平與垂直分辨率;[θx]和[θy]分別為攝像頭采集幀的水平與垂直分辨率;[V]為幀率;[v]為采集信息角速度動速度的分量;[Tmax]，[Tmin]分別為公共區域的最大和最小空間尺度參數。

將式（1）轉換為一階微分方程組如下：

[S=（θy+ay）V+Xθx+ax?cos?N=-（θx+ax）V+Yθy+ay?sin?]? ?（2）

式中[?]為攝像頭可旋轉角度。給定參考幀的初始采集條件，即可求出[S]，[N]等空間尺度特性參數。至此，實現環境藝術設計中目標尺度空間極值的獲取。

3? 全景視頻圖像配準和融合

3.1? 投影平面配準

通過獲取尺度空間極值過程確保全景視頻實時輸出視頻標準定位，再通過算法獲取最佳投影矩陣的相關參數可實現視頻幀間配準。簡化實施過程，采用高效的方法投影以及融合差異攝像頭的全部視頻幀。實施過程中依據原始化過程獲取的配準參數，向相同平面中投影差異攝像頭的全部幀，完成配準，該過程表示如下：

[x=u0x+u1y+u2u6x+u7y+1y=u3x+u4y+u5u6x+u7y+1]? （3）

式中：原始化過程獲取的最佳投影矩陣的8參數用[ui（i=0，1，2，…，7）]描述，投影幀內的像素點左邊用[（x，y）]描述，向參考幀內投影的像素點坐標用[（x，y）]描述。

配準后的圖像幀形狀以及大小存在不規則性以及隨機性，為了提高配準后圖像效果，需要先設置一個大背景圖像空間，利用該背景圖配準全部圖像幀。配準過程中采用的參考坐標為中間攝像頭的幀坐標，依據該參考坐標塑造背景圖像，也就是向背景圖像中間填入中間攝像頭的幀，其他相鄰攝像頭的幀分別進行投影變換[W1]以及[W2]后，分別在背景圖像中同參考幀進行配準，同時，在配準過程中需要對差異幀間的混合范圍利用雙線性融合以及非線性融合技術實施融合處理。

3.2? 混合范圍融合

3.2.1? 雙線性加權融合

圖像融合是指對多個源像素值實施加權后獲取唯一的目標像素值，例如，存在混合范圍的兩幀分別是[Q1]和[Q2]，加權函數是[a（x，y）]，則融合幀混合范圍的像素值[Ehybrid（x，y）]可表示為：

[Ehybrid（x，y）=a（x，y）?Q1（x，y）+（1-a（x，y））?Q2（x，y）] （4）

通過雙線性加權融合操作相鄰幀間的混合范圍像素值。通過目標像素點坐標同原始幀邊界的距離塑造加權函數。設置投影后的兩幅圖像分別是[G]和[P]，兩幅圖像混合范圍中的某點為[S]，那么兩幅圖中該點的像素值分別是[SG]和[SP]，運算點[S]距離兩幅圖四邊的最小距離[JG]和[JP]，獲取融合圖中點[S]的像素值[SBlend]如下：

[SBlend=JGJG+JP?SG+1-JGJG+JPSP] （5）

式（5）運算的融合像素值充分分析了相鄰幀的價值度，通常條件下能夠完成單一像素范圍到混合范圍平滑的圖像融合，但是當圖像存在視差問題時，需要融合兩幀混合范圍場景，內容差異較高，導致上述融合過程存在鬼影問題，使得混合范圍出現重影以及模糊問題，此時應采用非線性融合方法實現圖像像素融合。

3.2.2? 非線性融合

如果觀測點出現波動時，觀測相同物體同附近物體的相對距離存在較大的波動問題，形成視差。特別是物體同攝像頭間的距離特別小時，會形成嚴重的視差問題。此時，采用非線性的模板融合方法解決鬼影問題，構建風險加權模板函數：

[b（x，y）=1，? ? ?min（x，y，x-R，y-Z）>Msin（π?（min（x，y，x-R，y-Z）M-? ? ? 0.5））+12，? ? ? ? otherwise? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?] （6）

式中：[R]和[Z]分別表示原始幀的寬和高;[M]表示非線性過渡范圍的寬度。幀中心范圍中的[a]值保持穩定，當其接近邊界一定范圍后，則進入寬度是[M]的過渡范圍中，以非線性的方式快速遞減，并通過[M]值調控遞減的速率。采用[M]值對相鄰幀像素融合過程中各自的權重和加權的區域進行調整，[M]值越高，相鄰幀間的過渡范圍越寬，過渡更平滑，反之亦然。該非線性融合過程能夠對混合范圍邊界的過渡速率和范圍進行實時調整，解決鬼影問題， 增強了圖像的融合效果。

4? 仿真實驗

為了測試全景視頻技術的環境藝術設計方法的有效性，采用相關實驗測試使用該方法對設計物體的陰影幅度偏差以及圖像融合結果。

4.1? 實驗內容

選擇基于視頻序列的環境藝術設計方法進行對比實驗。實驗共分兩部分進行，仿真實驗部分通過數據軟件直觀對比陰影面積的大小，實際測試部分則通過對比融合效果，判斷兩種方法的優劣。實驗過程中采用特殊攝像頭進行數據采集，如圖3所示，并給出相關實驗參數如表1所示。

4.2? 仿真實驗結果

兩種環境藝術設計方法的仿真實驗結果如圖4所示。其中，圖4a）為對比方法的定位幅度偏差，圖4b）為本文方法的定位幅度偏差。由于實驗最大程度地刨除了設計過程中的各項影響因素，分析圖4可知，圖4a）組公共陰影部分較大，圖4b）組的公共陰影較小，這表明對比方法未能定位出物體本體位置，造成陰影疊加的現象，而本文設計方法更佳。

4.3? 圖像融合實驗

以某一街景為實驗對象，依然采用上述兩種方法作為對比，實驗過程中保證攝像機數量相同，在相同時間內進行實驗，實驗結果如圖5～圖7所示。

觀察上述實驗結果可以看出，在本文方法下圖像融合結果與真實全景影像相差不多，但是常規方法下圖像融合結果存在一定的重疊，因此本文方法更加適用在全景下的環境藝術設計中。

5? 結? 語

本文針對環境藝術設計存在的問題，將其與全景視頻技術充分調動結合起來，產生了全景視頻技術的主要技術特征以及在實際使用中需要注意的問題和采用的方法。將全景視頻技術在環境藝術設計中應用的原理和方式進行了詳細的描述，并對其優勢進行了論述，經過對比實驗驗證了本文所論述的方式具備效率高、成本低等優點。

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