基于視覺傳達技術的三維圖像虛擬重建系統

黃振彬

摘? 要： 針對原有的三維圖像虛擬重建系統生成的圖像噪聲較大，邊緣出現偽影的問題，提出基于視覺傳達技術的三維圖像虛擬重建系統。優化原有硬件結構，擴展時鐘模塊，利用CY25400芯片與CDCVF2510芯片提高數據處理效率;在二維圖像中，讀取主要信息，通過數據轉換，以三維立體形式展現，選定特征區域，提取圖像特征，計算得到關鍵物理坐標點，完成主要代碼編寫;利用視覺傳達技術，將顯示性視覺元素反饋到三維圖像中，完成三維圖像虛擬重建系統設計。采用對照形式測試所設計系統性能，測試結果表明，與原有系統重建結果對比，將視覺傳達技術應用到三維圖像虛擬重建中，能夠有效去除噪聲，使圖像邊緣區域顯示清晰，能夠滿足用戶需求。

關鍵詞： 三維圖像; 圖像虛擬重建; 視覺傳達技術; 系統設計; 圖像特征提取; 性能測試

中圖分類號： TN911.73?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）19?0045?04

Abstract： In order to solve the problems that the image generated by the original 3D image virtual reconstruction system has big noise and some artifacts appear on its edges， a 3D image virtual reconstruction system based on the visual communication technology is proposed. With this system， the original hardware structure is optimized and the clock module is expanded. The data processing efficiency is improved by using CY25400 chip and CDCVF2510 chip. The main information is read in 2D image， and is displayed in a three?dimensional form after the data conversion. The feature areas are selected to extract the image features. The key physical coordinate points are obtained by calculation to complete the main code compiling. The display visual elements are fed back into the 3D image by means of the visual communication technology to realize the design of 3D image virtual reconstruction system. In comparison with reconstruction results of the original system， the test results show that the designed system based on the visual communication technology can effectively remove the noise， make the image edge areas have clear display and meet the needs of users.

Keywords： three?dimensional image; image virtual reconstruction; visual communication technology; system design; image feature extraction; performance testing

0? 引? 言

三維圖像的虛擬重建需要借助于虛擬現實技術，將圖形化的表達呈現在智能終端上，是一種全新的表達形式。虛擬現實包含電子信息技術、計算機技術以及仿真技術等，主要利用計算機模擬環境，使人產生沉浸感，隨著科學技術的發展，逐漸成為了一個獨立的科學技術領域[1?3]。三維圖像與傳統二維圖像相比，更具有視覺沖擊力，層次分明且色彩更加鮮艷，在產品開發的過程中，能夠更好地展示開發過程，同時能夠支持遠程瀏覽，為用戶節省了時間，提高了效率[4?6]。而視覺傳達技術能夠通過視覺媒介，將其所要表現的信息更好地傳達給用戶，代替傳統的二維表達方式，采用新型的視覺傳播方式，將所要表達的信息滲入到各個方面。將視覺傳達技術應用到三維圖像的虛擬重建中，通過計算機完成圖像的處理，利用視覺符號傳遞圖像所要表達的信息，通過視覺媒介表現并傳達給用戶[7?8]。

1? 三維圖像虛擬重建系統硬件設計

1.1? 硬件總體結構

三維圖像虛擬重建系統主要由傳感器模塊、上位機三維成像模塊以及電路模塊三個部分組成，其具體結構如圖1所示。

在上述系統硬件結構的基礎上，完成數據與指令的交互，以及系統協調的管理，以主控芯片為核心，結合微控制器與千兆以太網等設備實現三維圖像的虛擬重建功能[9?10]。

1.2? 時鐘擴展設計

在原有的硬件結構中，對其時鐘模塊擴展設計，利用時鐘芯片CY25400與CDCVF2510芯片，擴展時鐘得到48路同步DDS參考時鐘，使系統的時序保持在標準范圍，具體信號連接情況如圖2所示。

如圖2所示，采用高度成本優化的FPGA Spartan?6擴展采樣時鐘，調制正弦波頻率以及相位、幅度，實現信號頻率可調節，使數據采集效率大幅提高[11?13]。

2? 三維圖像虛擬重建系統軟件設計

2.1? 三維重建功能模塊總體設計

完成硬件結構優化后，在其基礎上擴展系統的可維護性以及可擴展性。在各系統模塊之間，建立相互獨立的關系，便于系統的維護與擴展，保障用戶具有良好的使用體驗，其具體模塊設計如圖3所示。

在圖3中，將系統分為序列圖像讀取模塊、多平面重建模塊、圖像繪制模塊、三維立體繪制模塊以及人機交互模塊幾個部分。在二維圖像的基礎上，讀取主要信息，壓縮分解并轉化為三維立體圖像，增加任意切面的測量顯示功能[14]。并在人機交互模塊當中設置三維圖像的旋轉縮放和放大平移等功能，方便用戶對圖像的瀏覽以及更改。

2.2? 三維圖像特征提取

在三維圖像虛擬重建的過程當中，首先需要提取圖像當中的主要特征信息，將感興趣的圖像區域裁剪提取，假設其區域大小為[Lm×Ln]，但該數值只能代表圖像的邏輯尺寸，而非物理尺寸。為此根據其深度卡尺信息，間接得出圖像中各像素點的物理距離間隔，具體操作如圖4所示。

如圖4所示，將圖像的物理尺寸設定為[Qm×Qn]，那么可以得出圖像在[m]方向上的像素間隔為：

式中：[Dm]表示[m]方向上的像素間隔;[Dn]表示[n]方向上的像素間隔。

根據已知的圖像物理坐標，則能夠得到：

式中：[MQ]表示像素點的物理坐標;[ML=mL，nL，0，1T]，表示圖像邏輯坐標系統內像素點的齊次坐標向量。

根據式（1）與式（2）能夠得到如下矩陣：

式中[O]表示平面坐標系統的原點，且[O=Om，On=0，0]。

通過上述計算，選定特征區域，采集二維圖像序列，將采集到的信息數據通過計算機程序完成主要代碼編寫：

{

?num

?bgcolor

color=0>

}

完成程序設置后，將信息數據輸出至三維圖像虛擬重建模塊，利用視覺傳達技術建立三維圖像的視覺交互。

2.3? 基于視覺傳達技術的三維圖像視覺交互

通過上述步驟采集到信息數據后，利用視覺傳達中的視覺交互技術完成三維圖像的虛擬重建，其視覺元素主要由顯示性視覺元素以及控制性視覺元素構成，具體情況如圖5所示。

在圖5中，將視覺傳達技術應用到虛擬重建當中，用戶通過智能終端發出操作信號，經過系統內部處理與存儲，將顯示性視覺元素反饋到三維圖像當中[15]。用戶通過反饋信息數據完成三維圖像虛擬重建系統設計。

3? 三維圖像虛擬重建系統功能測試

為了驗證視覺傳達技術的性能，將其應用到三維圖像虛擬重建中，設計測試實驗。模擬所設計系統的三維圖像虛擬重建過程，并將模擬結果與原有系統的重建結果相對照，完成功能測試。

3.1? 功能測試準備過程

選用R740型號服務器，保障系統的順利運行，該服務器能夠支持Windows/CentOS/Linux/VMware多種操作平臺。最大內存容量為768 GB，四口千兆網卡，采用Xeon SP 可擴展處理器，CPU頻率根據CPU具體型號決定，處理器多達28個核心。由于實驗過程中需要對三維圖像的重建過程模擬分析，為此使用Matlab軟件，利用SIFT算法提取圖像的特征值，實現三維圖像虛擬重建的過程模擬，具體操作界面如圖6所示。

通過上述操作完成虛擬重建過程的模擬，并將所得結果與原有系統的重建結果相對照，分析兩者之間的差異，驗證系統性能。

3.2? 測試結果對照分析

通過Matlab模擬利用視覺傳達技術對三維圖像虛擬重建后的結果，與原有系統的重建結果對比如圖7所示。

對圖7進行分析可知：原有系統的三維圖像虛擬重建結果雖然也能夠將圖像所表達的內容傳遞給用戶，但其圖像噪聲較大，且邊緣出現偽影;而將視覺傳達技術應用到三維圖像虛擬重建中后，該系統所生成的三維圖像有明顯的去噪效果，且圖像邊緣區域顯示清晰，能夠更好地向用戶傳達三維圖像中的特征信息。

上述實驗結果均以視覺傳達技術分析三維圖像重建效果，為了科學、直觀地分析本文系統的重建效果，設定本文系統的對比系統依次是基于虛擬現實技術的激光多普勒圖像三維重建系統、基于MC和RC算法的DICOM圖像三維重建系統，設定需要重建的三維圖像類型依次為牙齒類、肝臟類、軟骨類。測試三種系統對三種三維圖像的重建效果，結果如圖8，圖9所示。

分析圖8可知，本文系統的重建精度始終高于基于虛擬現實技術的激光多普勒圖像三維重建系統、基于MC和RC算法的DICOM圖像三維重建系統，本文系統的重建精度最大值高達0.97。分析圖9可知，本文系統的用戶滿意度顯著，滿意度高于0.95。

統計三種系統重建后的三維圖像特征查全率，以此測試三種系統在重建三維圖像特征時的重建全面性。結果如圖10所示。

由圖10可知，本文系統的查全率較大，查全率高于99%，與另外兩種系統相比，本文系統在重建三維圖像特征時的重建全面性較高。

綜上所述，本文系統對三維圖像虛擬重建后，應用性能顯著。原因是本文系統使用視覺傳達技術，能較好地按照視覺傳達的特征實現三維圖像虛擬重建。

4? 結? 語

與二維圖像相比，三維立體圖像的視覺沖擊力更強，且信息傳達更為直觀，表現能力更加突出，可以應用到各領域中，為此將視覺傳達技術應用到虛擬重建系統當中。實驗結果表明，視覺傳達技術能夠幫助重建的圖像去除噪聲，減少偽影的產生，優化用戶的使用體驗，且和基于虛擬現實技術的激光多普勒圖像三維重建系統、基于MC和RC算法的DICOM圖像三維重建系統相比，本文系統的重建精度最大值高達0.97;用戶滿意度顯著，滿意度高于0.95，在應用性能上優于同類重建系統。

由此可見，基于視覺傳達技術的三維圖像虛擬重建系統能夠彌補原有系統的部分缺陷，可以考慮推廣普及。

參考文獻

[1] 劉宇清，何炳蔚，莊江惠，等.基于顱腦CT與MRI多模圖像融合的3D打印模型制作及應用研究[J].中國實用神經疾病雜志，2018，21（13）：1393?1400.

[2] 鄒曉，陳正鳴，朱紅強，等.基于移動平臺的三維虛擬試發型系統實現及應用[J].圖學學報，2018，39（2）：309?316.

[3] 張紅，張福高.基于激光虛擬的遠程實驗室系統設計與實現[J].激光雜志，2019，40（3）：187?191.

[4] 汪彥.基于視覺傳達特征的藝術品顏色分揀方法優化[J].蘭州工業學院學報，2019，26（3）：73?77.

[5] 文聞.數字媒體時代視覺傳達設計的特征與發展[J].山東農業工程學院學報，2019，36（2）：34?35.

[6] 趙海鵬，周楊，卞和方.基于Three.js的三維虛擬校園系統設計與實現[J].蘭州交通大學學報，2019，38（3）：85?94.

[7] 農旭安，吳嘉儀，蔡曉文.基于Kinect的人體實時三維重建及其應用[J].新型工業化，2019，9（1）：120?123.

[8] 寧瑞忻，朱尊杰，邵碧堯，等.基于視覺的虛擬現實與增強現實融合技術[J].科技導報，2018，36（9）：25?31.

[9] 彭博，蔡曉禹，李少博，等.基于三維虛擬路面的裂縫自動檢測算法[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2018，37（1）：46?53.

[10] 王德龍，任鴻翔，朱耀輝.基于三維虛擬船舶的駕駛員實操訓練平臺開發[J].船海工程，2017，46（6）：191?195.

[11] 王靖，劉培正，張鵬，等.Unity3D軟件下的虛擬礦山仿真開發[J].現代礦業，2019，35（5）：36?40.

[12] 付麗霞.美國專利主體制度的現代化變革：基于國際化、合作化、虛擬的三維視角[J].中國發明與專利，2019，16（6）：16?21.

[13] 林振忠，賴靚楠，林清增.閩南民居化土樓的三維虛擬重構交互設計與保護開發研究：以“大興堡”方土樓為例[J].北京印刷學院學報，2017，25（7）：55?57.

[14] 郭丹，商書元.基于Unity3D的虛擬博物館展陳模型研究[J].北京服裝學院學報（自然科學版），2017，37（2）：63?68.