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        一種可量測(cè)立體全景的構(gòu)建方法

        2012-12-11 06:08:14余京蕾
        測(cè)繪通報(bào) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:視差全景基線

        孫 敏,董 娜,余京蕾,2,鄭 暉,3

        (1.北京大學(xué)遙感所,北京100871;2.北京市第一六一中學(xué),北京100031;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京100083)

        一、引 言

        全景可以提供真實(shí)現(xiàn)實(shí)360°方位的瀏覽效果,如Google Earth上的街景,可以彌補(bǔ)衛(wèi)星影像單一的高空視圖,可在地面的多方位瀏覽實(shí)景。國(guó)內(nèi)外研究者研發(fā)了許多利用全景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的裝置和應(yīng)用軟件甚至系統(tǒng),如國(guó)內(nèi)一些公安部門將全景應(yīng)用于小區(qū)安全調(diào)查。

        在商業(yè)領(lǐng)域,也出現(xiàn)了一些全景相機(jī)與全景獲取裝置,如圖1所示,這些相機(jī)與獲取裝置采用不同的方法,在拍攝時(shí)可一次性獲取360°的影像,并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接。

        圖1 一些典型的全景相機(jī)及全景獲取裝置

        目前這些設(shè)備構(gòu)建的全景其原理是通過(guò)將拼接后的全方位影像投影到幾何體,包括立方體、圓柱體、球體等,從而構(gòu)建一個(gè)三維的模型,將觀察點(diǎn)設(shè)在該模型的中心,從而使觀察者可以瀏覽到全方面的景觀。顯然這種方法構(gòu)建的全景并不具有真實(shí)的立體效果,同時(shí)這種全景并不能提供給用戶具體的位置和場(chǎng)景中目標(biāo)的其他屬性,對(duì)于測(cè)繪與地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的學(xué)者而言,其與地理信息系統(tǒng)有相當(dāng)大的差距。

        從地理信息系統(tǒng)角度而言,盡管現(xiàn)有三維地理信息系統(tǒng)可以提供非常逼真的現(xiàn)實(shí)仿真效果,但這種三維地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建是一項(xiàng)非常耗費(fèi)人力與物力的過(guò)程,且其主要目的旨在提供逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境仿真效果,與之相比,全景則可以非常簡(jiǎn)便地對(duì)真實(shí)環(huán)境加以表達(dá),盡管全景并不具有真實(shí)的空間信息,但在視覺效果上,卻優(yōu)于前者,且數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)便快捷。

        為此,本文提出一種可以與地理信息系統(tǒng)相融合的立體全景構(gòu)建方法,一方面在視覺上提供逼真的三維效果,另一方面可使之與地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)便整合,并在需要的情況下,提供空間量測(cè)功能。

        國(guó)內(nèi)有人針對(duì)立體量測(cè)的需要,研發(fā)了一種可量測(cè)系統(tǒng)[1],但其原理是通過(guò)上下移動(dòng)全景獲取裝置而得到立體,這種上下視差構(gòu)造的立體不適合人眼水平觀察。

        此外,在立體全景的研究方面,Peleg等人10年前就提出了使用單個(gè)相機(jī)構(gòu)造立體全景的方法[2],但該方法旨在構(gòu)造一種視覺立體,并沒(méi)有考慮后期可量測(cè)的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)較好的量測(cè)精度,應(yīng)具備較長(zhǎng)的基線。Wang等人提出了一種可以改變視差的立體影像生成方法[3],而Huang等人提出了一種在瀏覽過(guò)程中改變視差的方法[4],其目的均是為了便于瀏覽,因?yàn)榱Ⅲw全景影像在瀏覽過(guò)程中,由于縮放會(huì)改變視差,所以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整視覺有利于改善立體觀察效果。

        與這些研究成果相比,本項(xiàng)研究旨在探討一種一方面可以提供理想的立體瀏覽效果,另一方面可以提供具有一定量測(cè)精度的立體全景構(gòu)建與量測(cè)方法。下面首先闡述立體全景模型構(gòu)建的基本原理與過(guò)程。

        二、立體全景模型構(gòu)建

        在本項(xiàng)研究中,立體全景是攝影測(cè)量中立體相對(duì)概念的延伸,普通全景在一個(gè)固定位置旋轉(zhuǎn)360°拍攝,而立體全景需要在兩個(gè)位置進(jìn)行拍攝,下面闡述如何獲取理想的立體全景數(shù)據(jù)。

        1.立體全景數(shù)據(jù)獲取

        如圖2(a)所示,如果使用現(xiàn)有全景相機(jī),則構(gòu)建立體全景只能采用在兩個(gè)位置處分別安放全景相機(jī),或使用普通相機(jī)在兩個(gè)位置處理分別旋轉(zhuǎn)360°拍攝,其結(jié)果是在兩個(gè)相機(jī)位置中心的連線方向,由于不存在視差,因而沒(méi)有立體觀察效果,也難以進(jìn)行量測(cè)。

        在本研究工作中,采用圖2(b)的方案,即將兩臺(tái)相機(jī)放置于一條基線上,兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)對(duì)稱地繞基線上的某個(gè)中心旋轉(zhuǎn)360°拍攝,由于拍攝過(guò)程中,相機(jī)投影軸保持平行不變,因而不僅保證了全方面視差的存在,而且當(dāng)相機(jī)位置固定準(zhǔn)確時(shí),可一次性獲取較好的核線影像,在2(a)的情況下,還需要對(duì)兩幅全景影像進(jìn)行匹配校正,以確保立體觀察時(shí)所需的核心排列。

        圖2

        考慮后續(xù)量測(cè)的需要,研制了一個(gè)立體全景獲取裝置,如圖3(a)所示,該裝置頂部放置相機(jī)的基線板上具有精確到毫米的刻度,相機(jī)可以滑動(dòng),從而在拍攝前人為確定其基線長(zhǎng)度;其次在基線板中心,安置了一款MTI動(dòng)態(tài)陀螺,其不僅可以實(shí)時(shí)測(cè)量姿態(tài)信息,也可以測(cè)量位置信息,從而使拍攝后的全景具備位置與方位信息,在后續(xù)量測(cè)過(guò)程中,可以快速地獲取目標(biāo)物的真實(shí)位置信息。

        由于兩個(gè)相機(jī)同步獲取對(duì)應(yīng)的影像,因此在對(duì)序列影像分別進(jìn)行自動(dòng)拼接后,按基線與人眼瞳距的比例,可自動(dòng)合成紅綠立體影像(在三維顯示器上可合成真彩色立體影像),如圖3(b)所示為合成的立體全景局部效果。

        2.立體全景的構(gòu)建

        如圖4所示,拼接后的全景圖通過(guò)紋理映射到圓柱面上,在瀏覽過(guò)程中,將觀察點(diǎn)固定在圓柱體的中心,則用戶視覺上會(huì)有一定的三維沉浸感。顯然這種三維效果僅僅是由于影像內(nèi)容與紋理的適當(dāng)形變產(chǎn)生的,用戶觀察的本質(zhì)上仍然是一張二維的圖像。為了使觀察效果具有真實(shí)的立體感,用上一節(jié)獲取的立體全景影像替代普通全景影像,映射到圓柱面上,則得到立體全景模型,用戶利用紅綠眼鏡觀察可得到具有真實(shí)沉浸感的立體效果。

        圖3 本項(xiàng)研究制作的北京大學(xué)東操場(chǎng)立體全景(局部)

        圖4 全景模型的構(gòu)建方法(上圖是普通全景模型構(gòu)建,下圖是立體全景模型構(gòu)建,兩者的區(qū)別在于,前者使用單張全景圖,而后者使用立體全景圖。)

        三、立體全景模型的量測(cè)方法

        如圖5所示,由攝影測(cè)量理論可知,立體像對(duì)可構(gòu)成前方交會(huì),當(dāng)基線長(zhǎng)度L已知,兩相機(jī)內(nèi)參數(shù)已知,同名像點(diǎn)坐標(biāo)已知時(shí),則目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)可以簡(jiǎn)便地求出,此時(shí)P點(diǎn)坐標(biāo)可選基線AB的中心點(diǎn)C為參考原點(diǎn),AB為X軸,過(guò)C點(diǎn)垂直于AB的方向?yàn)閅軸。假設(shè)基線中心點(diǎn)C的坐標(biāo)已知,且Y軸相對(duì)于北方向的方位已知,則不難得到P點(diǎn)的真實(shí)地理位置。

        設(shè)目標(biāo)點(diǎn)平面位置為M(x,y),基線長(zhǎng)為B,相機(jī)焦距為f,視差為d,目標(biāo)點(diǎn)在左視圖上的水平坐標(biāo)為a;又設(shè)基線中心點(diǎn)位為S(x,y),過(guò)S垂直與基線的方位為θ,則M的坐標(biāo)可簡(jiǎn)便地由下式得到

        在全景情況下,像對(duì)不再是單幅影像,而是由序列影像拼接形成的一幅完整影像,假定360所拍攝影像幅數(shù)為n,則如圖5所示,可將圓柱面全景近似為一個(gè)n邊形,每邊的張角為2π/n。由于每幅影像在拍攝時(shí)同步記錄了其方位參數(shù),故每條邊的影像可視為一個(gè)獨(dú)立的立體像對(duì)單獨(dú)處理,從而使全景的量測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單幅立體像對(duì)的量測(cè)問(wèn)題。

        圖5 立體像對(duì)上同名點(diǎn)的簡(jiǎn)單計(jì)算原理

        四、試 驗(yàn)

        為了驗(yàn)證本文所提方法,開發(fā)了一套量測(cè)軟件,如圖6左邊所示為其界面,用戶讀入全景,可在全屏模式下瀏覽使用紅綠眼鏡觀察立體,在量測(cè)時(shí)切換到窗口模式下。由于量測(cè)時(shí)需要選取同名點(diǎn),使用兩幅原始全景影像更有利于同名點(diǎn)的選取,因此讀入左側(cè)全景,并在小窗口內(nèi)放大鼠標(biāo)所在位置,同步在另一小窗口內(nèi)放大右側(cè)全景對(duì)應(yīng)的位置,從而用戶可以十分方便地使用鼠標(biāo)選擇同名點(diǎn)。通過(guò)同名點(diǎn)可得到左右視差,即可方便地利用第3節(jié)所述內(nèi)容求得所量測(cè)點(diǎn)的三維位置。

        圖6展示的即為構(gòu)建的北大操場(chǎng)的立體全景,為了驗(yàn)證量測(cè)的精度,選取Google Earth影像地圖上對(duì)應(yīng)的北大操場(chǎng)部分,就其上一些建筑物的特征點(diǎn)進(jìn)行了量測(cè),量測(cè)了實(shí)際測(cè)站點(diǎn)到這些特征點(diǎn)的距離,并與立體全景量測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),如圖7所示。

        圖6

        圖7 立體全景量測(cè)距離與在Google Earth影像地圖上量測(cè)的實(shí)際距離比對(duì)結(jié)果

        結(jié)果表明,立體全景測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離相比存在較大的誤差。其原因是多方面的,在本項(xiàng)研究工作中,假定固定在圖3(a)基線板上的兩部相機(jī)其主光軸處于平行狀態(tài),且垂直于基線,同時(shí)相機(jī)內(nèi)參數(shù)的校正是精確無(wú)誤的;此外,在量測(cè)計(jì)算時(shí)假定全景是由圖5(c)所示的n邊形構(gòu)成的,且MTI傳感器的測(cè)量誤差也沒(méi)有加以考慮,從而測(cè)量的結(jié)果存在較大的誤差,在后續(xù)的工作中,這些因素均需作進(jìn)一步深入的研究。

        五、結(jié) 論

        在本項(xiàng)研究中提出了一種簡(jiǎn)單的構(gòu)建可量測(cè)立體全景的方法,為全景的可量測(cè)性提供了一種行之有效的解決途徑。目前的量測(cè)精度較低的主要原因是基線中心的位置與姿態(tài),以及兩部相機(jī)間的姿態(tài)關(guān)系測(cè)量誤差較大,且采用了普通數(shù)碼相機(jī),對(duì)相機(jī)沒(méi)有進(jìn)行較為嚴(yán)格的檢校,此外,盡管采用了可以調(diào)整長(zhǎng)度的基線,但長(zhǎng)度仍然較短,對(duì)于稍遠(yuǎn)目標(biāo)前會(huì)交會(huì)所形成的頂角仍然非常小,致使影像點(diǎn)坐標(biāo)的量測(cè)誤差對(duì)結(jié)果的影響非常嚴(yán)重,這些問(wèn)題,將在后續(xù)的研究過(guò)程中做深入的探討。盡管如此,對(duì)于大多數(shù)對(duì)測(cè)量精度要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域(如公安監(jiān)控、考古調(diào)查、旅游娛樂(lè)、交通運(yùn)輸?shù)鹊?,該量測(cè)結(jié)果完全可以提供較好參考。

        [1]河南博斐科技有限公司.公安現(xiàn)場(chǎng)三維全景重建及測(cè)量系統(tǒng)[EB/OL].[2012-07-11].http:∥ www.bofeitech.com/cpshow.a(chǎn)sp?id=409

        [2]PELEG S,EZRA M B,PRITCH Y.OmniStereo:Panoramic Stereo Imaging[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2001,23(3):279-290.

        [3]WANG C,SAWCHUK A A.Region Based Stereo Panorama Disparity Adjusting[C]∥Proceedings of the IEEE Eighth Workshop on Multimedia Signal Processing.Victoria:[s.n.],2006:186-191.

        [4]HUANG F,KLETTER.Stereo Panorama Acquisition and Automatic Image Disparity Adjustment for Stereoscopic Visualization[J].Multimedia Tools and Applications,2010,47(3):353-377.

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