園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫泉

摘? 要： 針對原有三維虛擬成像系統(tǒng)清晰度較低的問題，文中設(shè)計(jì)園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)。通過制定硬件設(shè)計(jì)框架，根據(jù)框架選擇圖像采集器進(jìn)行圖像采集，通過計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行濾波降噪處理，將處理后的圖片通過激光折射輸出，采用感光器以及透傳模塊進(jìn)行虛擬成像;制定軟件設(shè)計(jì)框架，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算對采集到的圖像進(jìn)行降噪處理，并采用像素灰度計(jì)算得到原圖像特征點(diǎn)，采用C語言對虛擬成像進(jìn)行設(shè)定并輸出，由此完成軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合上述硬件與軟件設(shè)計(jì)，完成園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。構(gòu)建對比試驗(yàn)，與原有系統(tǒng)對比，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在清晰度上有顯著的提升，原有系統(tǒng)清晰度為82%～85%，此系統(tǒng)圖像清晰度為85%～90%。由此可見，文中設(shè)計(jì)方法更有效。

關(guān)鍵詞： 虛擬成像; 園林景觀; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)采集; 仿真實(shí)驗(yàn); 結(jié)果分析

中圖分類號： TN911?34; TU986.2? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0160?03

Design of 3D virtual imaging system in garden landscape design

WEN Quan

（College of Architecture and Urban Planning， Chongqing Jiaotong Universuty， Chongqing 400074， China）

Abstract： A 3D virtual imaging system in garden landscape design is designed to improve the low definition of the original 3D virtual imaging system. The hardware design framework is established， by which the image collector is selected for the image collection. The images are performed the filtering and de?noise processing by the computer， the processed images are output through the laser refraction， and the photoreceptor and passthrough module are used for virtual imaging. The software design framework is established， the collected images are de?noised by the calculation of the convolutional neural network， and the feature points of the original image are obtained by the pixel grayscale calculation， and the virtual image is set and output by means of the C language， so as to complete the software design. In combination of above?mentioned hardware and software design， the design of 3D virtual imaging system in the garden landscape design is completed. The contrast test is constructed， in comparison with the original system， the definition of this system has a significant improvement， in which the definition of the original system is 82%～85%， and the definition of this system is 85%～90%. It can be seen that this method is more effective.

Keywords： virtual imaging; garden landscape design; data collection; simulation experiment; result analysis

0? 引? 言

隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在小區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)相應(yīng)的園林景觀成為新的選擇[1]。園林景觀是建筑設(shè)計(jì)中的靈魂支柱，它直接代表了建筑設(shè)計(jì)的品位與檔次。通常園林景觀可以分為兩類[2]：一類是通過體驗(yàn)感知的場景;另一類則是以實(shí)景進(jìn)行展示。通常在進(jìn)行園林設(shè)計(jì)時，傳統(tǒng)的方法已無法使設(shè)計(jì)結(jié)果直觀展示在人們面前。

在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時，為將設(shè)計(jì)圖紙可以具象化地展示出來，一般會采用三維虛擬成像技術(shù)。通過采用該技術(shù)，將平面設(shè)計(jì)圖紙以立體的形式進(jìn)行展示，使設(shè)計(jì)結(jié)果增加接近物體的本身[3]。本文針對傳統(tǒng)成像系統(tǒng)圖像分辨率較低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于單一等問題，設(shè)計(jì)園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)進(jìn)行園林景觀的呈現(xiàn)，使園林景觀設(shè)計(jì)更加簡易，有效提升園林景觀的科技性，為日后園林設(shè)計(jì)提供更加有力的技術(shù)支持。

1? 三維虛擬成像系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1? 硬件框架設(shè)計(jì)

根據(jù)對虛擬成像技術(shù)的了解，對園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)框架見圖1。

該系統(tǒng)硬件設(shè)定為圖像采集器與虛擬成像設(shè)備兩部分。圖像采集器包括相機(jī)捕捉器、單片機(jī)、圖像傳感器、圖像控制器以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。虛擬成像設(shè)備由計(jì)算機(jī)、投影設(shè)備以及感光器、激光放大器、ESP8266透傳模塊組成[4]。

1.2? 圖像采集器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行較大圖像采集時，大多使用PC機(jī)為主的單片機(jī)作為圖像采集的中心儀器。園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)采集硬件選用SoC芯片對圖像進(jìn)行初始采集工作[5]。選用SONY IMX323 圖像傳感器、相機(jī)圖像捕捉器、ARM9 12C控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器以及對應(yīng)可控制器的信息存儲促成圖像采集硬件。通過采用SCCB協(xié)議，對圖像傳感器進(jìn)行配置設(shè)計(jì)。圖像采集設(shè)備部分電路圖如圖2所示。

通過電路對園林設(shè)計(jì)中的圖像進(jìn)行采集，此電路包含1個放大器與部分電阻。將電流整體設(shè)定為3.7 V，采用標(biāo)準(zhǔn)電流控制圖像采集設(shè)備，可以有效保障在進(jìn)行圖像采集時，不受電流壓力的影響[6]。在原有電路中增加穩(wěn)壓器保證電壓的穩(wěn)定，通過這種操作保證進(jìn)行圖像采集時的穩(wěn)定性。

1.3? 虛擬成像設(shè)備設(shè)計(jì)

通過采用三維光線將園林景觀設(shè)計(jì)成果呈現(xiàn)在空中，需要進(jìn)行光線設(shè)計(jì)以及控制單元設(shè)計(jì)。

通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將園林設(shè)計(jì)成果進(jìn)行合成處理，使用全息投影技術(shù)，將處理后的圖像進(jìn)行展示[7]。采用激光作為光源進(jìn)行虛擬成像，將激光燈發(fā)射的光源分成兩個部分：一部分直接射向感光片;另一部分通過光線放大器后折射至感光片，通過感光片對光線進(jìn)行控制。

在進(jìn)行虛擬成像時采用ESP8266透傳模塊進(jìn)行控制，通過采用該設(shè)備，將處理后的圖像通過電腦發(fā)送至透傳模塊，在模塊內(nèi)進(jìn)行二次處理，而后進(jìn)行模擬發(fā)射，將發(fā)射的圖像通過激光發(fā)送至感光片完成虛擬成像。

2? 三維虛擬成像系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括原始圖像采集模塊、圖像制作模塊以及虛擬成像模塊。

1） 圖像采集模塊

在進(jìn)行園林景觀虛擬成像設(shè)計(jì)時，首先需要進(jìn)行圖像采集，與原有圖像采集不同的是三維虛擬成像技術(shù)需要應(yīng)用相機(jī)成像模型對虛擬物體進(jìn)行成像，得到當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下的仿真圖像[8]。

為保證圖像的清晰度，對圖像進(jìn)行降噪處理。設(shè)定圖像采集樣本，具體公式如下：

式中：[X]為原始圖像;[Y]為采集后在樣本中分布的噪聲圖像;N為輸出層預(yù)測的噪聲。通過采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]將圖像樣本以矩陣形式進(jìn)行排列。設(shè)定加噪圖像為矩陣為[f]，平均矩陣為[g]。通過量化標(biāo)準(zhǔn)式處理圖像，以避免在進(jìn)行卷積后出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)變量轉(zhuǎn)移。通過卷積公式進(jìn)行圖像處理，具體公式如下：

通過采用未激活神經(jīng)元與參數(shù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，并將殘余圖像進(jìn)行輸出，將輸出后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二次制作。

2） 圖像制作模塊

通過上述部分進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像進(jìn)行統(tǒng)一處理。通過Moravec算法將圖像進(jìn)行像素點(diǎn)灰度變化操作[10]，并進(jìn)行深度計(jì)算，將像素點(diǎn)設(shè)定為[（x，y）]，則4個方向的灰度差平方和公式如下：

將待測點(diǎn)中的極值作為特征點(diǎn)，設(shè)定窗口范圍，求出灰度差平方和最大值。通過對特征點(diǎn)提取，對采集完的圖像進(jìn)行處理，根據(jù)特征將圖像進(jìn)行調(diào)整，保證圖像位置的正確性。

3） 虛擬成像模塊

根據(jù)上述模塊對圖像進(jìn)行采集與處理，將處理后的圖像通過虛擬成像模塊實(shí)現(xiàn)三維虛擬成像。基于對三維虛擬成像硬件的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行虛擬成像時采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最后圖像輸出時的控制，采用C語言虛擬成像。輸出圖像經(jīng)過感光器以及放大器的共同作用，實(shí)現(xiàn)虛擬成像。至此，園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢。

3? 實(shí)驗(yàn)論證分析

為保證園林景觀設(shè)計(jì)中的三維虛擬成像系統(tǒng)的科學(xué)性，將其與原有的虛擬成像系統(tǒng)進(jìn)行對比試驗(yàn)，檢驗(yàn)三維虛擬成像系統(tǒng)的圖像清晰度。

3.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程

為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，選擇園林景觀設(shè)計(jì)圖紙中的部分圖像進(jìn)行虛擬成像處理，使用原有虛擬成像系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)分別進(jìn)行虛擬成像，并對成像結(jié)果清晰度進(jìn)行對比。對實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體如表1所示。通過上述參數(shù)，對園林景觀進(jìn)行虛擬成像。選擇20幅園林景觀進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行3次虛擬成像，并對清晰度進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用系統(tǒng)1進(jìn)行表示，原有系統(tǒng)采用系統(tǒng)2進(jìn)行表示，如表2所示。通過表中數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)虛擬成像系統(tǒng)清晰度大都在85%～90%之間，原有成像系統(tǒng)清晰度大都在82%～85%之間，說明本文設(shè)計(jì)虛擬成像體系清晰度明顯高于原有虛擬成像體系。由此可見，本文設(shè)計(jì)虛擬成像系統(tǒng)在清晰度方面取得了很好的效果。通過上述結(jié)果，在園林景觀設(shè)計(jì)中采用本文設(shè)計(jì)的虛擬成像系統(tǒng)后，其清晰度明顯高于行業(yè)平均水平。采用本文設(shè)計(jì)虛擬成像系統(tǒng)可以將園林景觀以簡單直接的方式呈現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的三維虛擬成像系統(tǒng)完全適用于園林景觀設(shè)計(jì)。

4? 結(jié)? 語

隨著我國三維虛擬成像技術(shù)的不斷普及，將該技術(shù)應(yīng)用在各行各業(yè)之中，通過對園林景觀進(jìn)行三維虛擬成像可以在設(shè)計(jì)中及時發(fā)現(xiàn)園林設(shè)計(jì)的不足之處，并加以改正。通過使用這種技術(shù)將虛擬的景觀具象化成像，保證了人們可以充分感知達(dá)到設(shè)計(jì)者的感受。基于目前的虛擬成像技術(shù)，還應(yīng)當(dāng)不斷加強(qiáng)對于成像技術(shù)的研究，不斷提升設(shè)備的科學(xué)性與可行性，從而，將這門技術(shù)應(yīng)用得更加熟練。

參考文獻(xiàn)

[1] 王長柳，麥賢敏，趙兵，等.風(fēng)景園林合理分布三維圖像仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2017，34（8）：265?268.

[2] 劉東云，郭再斌，段旺.基于BIM技術(shù)的景觀復(fù)雜曲面高精度控制：奧體文化商務(wù)園中心綠地設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].中國園林，2017，33（3）：125?128.

[3] 劉培剛，劉鈺洋，潘懋，等.基于砂巖三維數(shù)字巖心圖像的圖像處理與相劃分研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（6）：22?30.

[4] 王會，巨歡，方陽，等.基于GRT?CLEAN的高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)快速三維成像方法[J].液晶與顯示，2018，33（3）：228?237.

[5] 李加忠，程興勇，郭湧，等.三維實(shí)景模型在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索：以金塔公園為例[J].中國園林，2017，33（10）：24?28.

[6] 翟宇佳.基于浸入式虛擬環(huán)境技術(shù)的景觀空間尺度感教學(xué)模塊構(gòu)建與應(yīng)用[J].中國園林，2018，34（4）：73?78.

[7] 陳亮，熊堅(jiān)，郭鳳香，等.基于視覺及認(rèn)知的駕駛模擬器圖像標(biāo)定方法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2017，30（1）：129?135.

[8] 唐鉑，李振華，王春勇，等.線陣掃描三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)[J].激光與紅外，2017（11）：1358?1364.

[9] 秦悅.基于三維虛擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（22）：62?64.

[10] 李偉，趙瑞斌，龐明勇.山脈圖像輪廓線引導(dǎo)的三維虛擬地形合成[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2017，29（12）：2235?2244.