楊兆瑛 ，楊兆龍，杜明義，蔡國印，劉揚

(1.北京建筑大學(xué)，北京 100044;2.山東中成信建設(shè)項目管理有限公司，山東臨沂 276004)

1 引言

全景是一種新興的富媒體技術(shù)，其與視頻，聲音，圖片等傳統(tǒng)的流媒體最大的區(qū)別是“可操作，可交互”。利用單反相機(jī)或街景車拍攝實景照片，經(jīng)過特殊的拼合、處理、現(xiàn)實技術(shù)，呈現(xiàn)出的真實的場景，其代表有全景客(景區(qū)全景)，搜搜街景(城市街景)等。全景影像給人以三維立體感覺的實景360°全方位圖像，全面展示了360°球型范圍內(nèi)的所有景致，最大限度保留了場景的真實性，能給人以三維立體的空間感覺，使觀者猶如身在其中。

目前，國內(nèi)外許多全景平臺是將4臺或6臺配備魚眼鏡頭的單反數(shù)碼相機(jī)安裝到特定的支架平臺，平臺須保持嚴(yán)格的水平方向。每臺相機(jī)除采用底部固定裝置外，還須采用托架與可控制橡膠墊減弱相機(jī)的抖動程度，將相機(jī)的控制線連接到時間同步器的精確授時和控制系統(tǒng)，以保障多臺相機(jī)能夠在同一時間完成拍攝工作。

通常所設(shè)計的影像平臺是集成安裝于專用的車輛載體上，平臺與車輛之間通過支架利用結(jié)構(gòu)件及螺絲固定，這對車的內(nèi)外改造程度大，車輛只能用于工程數(shù)據(jù)采集，而損失了其本身特性，對車本身造成了資源的浪費。一旦車輛出現(xiàn)故障，便無法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;全景相機(jī)的固定高度對于車輛能否通過限高的交通設(shè)施增加了不確定性;當(dāng)一段時間內(nèi)不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時還要對車輛及平臺設(shè)備進(jìn)行存放、保養(yǎng)維護(hù)。

針對上述平臺所存在的問題，通過對平臺改進(jìn)，實現(xiàn)將GPS、INS、全景相機(jī)、竹節(jié)式電動升降柱等傳感器設(shè)備集成到平臺上。利用6個吸盤將整個平臺固定于任意車輛載體上，其中4個真空吸盤用于固定平臺，一后一前兩個可調(diào)節(jié)高度與方向式吸盤用于固定GPS主從天線。通過竹節(jié)式電動升降柱調(diào)整相機(jī)高度，避免了受限高的影響，同時還可以有效控制全景影像中地物的形變。

2 全景平臺系統(tǒng)設(shè)計

本文旨在設(shè)計一種平臺系統(tǒng)，該平臺系統(tǒng)通用性強(qiáng)，對任意車輛都可使用，對于平臺系統(tǒng)的安裝與拆卸方便快捷，不需要對車進(jìn)行任何的改裝，能夠隨時對相機(jī)進(jìn)行高度的調(diào)整，既能避免了受到限高交通設(shè)施的限制，同時又可以針對不同高度的地物實時調(diào)整相機(jī)高度，達(dá)到最佳的拍攝效果。

平臺系統(tǒng)主要包括3個部分，即輔助部分、核心部分、數(shù)據(jù)部分。其中輔助部分包括車輛載體、移動平臺、升降柱、吸盤、電源等，這一部分主要用于輔助儀器設(shè)備采集數(shù)據(jù)，車輛作為整個平臺系統(tǒng)的載體，為數(shù)字城市建設(shè)中城市影像與地圖的采集與更新節(jié)省了時間;移動平臺為固定儀器提供了環(huán)境條件;吸盤方便了平臺及儀器的安裝與拆卸;升降柱為全景相機(jī)采集影像數(shù)據(jù)獲得更佳效果提供了保障，同時擴(kuò)充了平臺系統(tǒng)的適用性;電源為各類儀器設(shè)備提供所需電量。核心部分包括系統(tǒng)控制器、全景相機(jī)采集器、組合慣導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)控制器通過接口及軟件控制全景相機(jī)采集器與組合慣導(dǎo)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并將這兩種儀器所采集的數(shù)據(jù)實時顯示、存儲;全景相機(jī)采集器接收慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送的脈沖信號采集影像數(shù)據(jù)，并自動處理影像，使影像達(dá)到最佳效果;組合慣導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)速度數(shù)據(jù)以及時間信息，同時按設(shè)定時間給全景相機(jī)發(fā)送脈沖信號，觸發(fā)其進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)部分包括全景影像數(shù)據(jù)、位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)速度數(shù)據(jù)以及時間信息，通過時間將全景影像數(shù)據(jù)與位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)速度數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步。全景平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示:

圖1 全景平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)概述

遵循模塊化設(shè)計原則，平臺按照功能劃分為6大功能模塊:全景影像采集模塊、定位定姿模塊、相機(jī)升降模塊、系統(tǒng)控制模塊、平臺及固定模塊以及供電模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

可移動升降式全景平臺系統(tǒng)采用Ladybug3全景相機(jī)采集全景影像數(shù)據(jù)，通過遙控電動升降柱升降調(diào)整相機(jī)高度，利用SDI－600GI雙天線光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)實時獲取位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)以及時間信息等，以鋁合金材料的矩形板作為平臺，通過球型云臺與可調(diào)節(jié)角度與高度式真空吸盤將整個平臺系統(tǒng)固定于車輛載體上。以Dell工作站筆記本電腦作為總控制器，控制各系統(tǒng)傳感器并實時存儲通過數(shù)據(jù)線傳輸各類數(shù)據(jù)信息。整個平臺系統(tǒng)如圖3所示:

圖3 全景平臺系統(tǒng)安裝完成后效果圖

3.2 各組成模塊

(1)影像采集模塊

影像采集模塊主要用于采集全景影像數(shù)據(jù)，利用Ladybug3全景相機(jī)提供超高分辨率和360°全方位視覺范圍，自動完成圖像采集、處理、拼接和校正等工作，能夠把多個視頻圖像實時整合為全分辨率數(shù)字化球面視頻和全景視頻。Ladybug3全景相機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

全景相機(jī)主要參數(shù) 表1

在整個平臺系統(tǒng)中，全景相機(jī)安裝于竹節(jié)式升降柱頂部，通過連接件用螺絲固定，相機(jī)圖像處理器通過1394b端口與系統(tǒng)控制器連接，實時將全景影像傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器并保存。相機(jī)的觸發(fā)接口與雙天線組合慣導(dǎo)系統(tǒng)通過光纖相連，實現(xiàn)雙向觸發(fā)控制，本系統(tǒng)是通過慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送脈沖信號給全景相機(jī)，控制器其采集全景影像數(shù)據(jù)。

(2)定位定姿模塊

定位定姿模塊主要用于采集位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、時間信息等，同時輸出脈沖信號給全景相機(jī)，控制全景相機(jī)采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的時間同步。平臺系統(tǒng)采用SDI－600GI雙天線光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)作為定位定姿模塊的主體，該系統(tǒng)通過緊耦合技術(shù)將GPS與INS緊密集成在一起，解決了INS長時間的漂移或GPS衛(wèi)星受到限制時，不能正常定位和導(dǎo)航的問題，雙天線提高了定向精度，縮短了定向初始化時間。GPS與INS兩者相互補(bǔ)償，相互作用，為用戶提供穩(wěn)定、高精度的三維位置信息，姿態(tài)信息、速度和時間信息等。

將組合慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝于平臺上，在安裝時盡量保證其中心與車身重心一致，并使其Y軸正方向與車身方向一致，主從天線一后一前安裝于鋁合金材料的長條板上，確保主從天線中心與慣導(dǎo)系統(tǒng)原點在一個垂直面上，主從天線中心到慣導(dǎo)系統(tǒng)原點的水平距離約為 1 ∶2。

長條板中間部分嵌入平臺，其頂面與平臺頂面在一個水平面上，兩端通過可調(diào)節(jié)角度與高度的扳拉式真空吸盤固定于車輛載體。雙天線光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)主要性能參數(shù)如表2所示。

雙天線光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)主要參數(shù)性能 表2

(3)相機(jī)升降模塊

相機(jī)升降模塊主要用于調(diào)整全景相機(jī)的高度，采用竹節(jié)式電動升降柱，將全景相機(jī)通過連接件用螺絲固定于其頂端，通過無線或有線的遙控器實時控制升降柱的升降實現(xiàn)調(diào)整相機(jī)高度，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時可隨時根據(jù)道路周圍地物的情況(建筑物高度)調(diào)整相機(jī)高度，達(dá)到更好的影像拍攝效果，遇到限高的交通設(shè)施時，調(diào)整相機(jī)使其降到最低高度，可順利通過。極大地提高了相機(jī)采集數(shù)據(jù)的靈活性。表3是關(guān)于升降柱的相關(guān)參數(shù)。

竹節(jié)式電動升降柱相關(guān)參數(shù) 表3

(4)系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊是整個全景平臺系統(tǒng)的大腦，將多種傳感器組合為一個整體，配置全景相機(jī)和組合導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，實時顯示、控制、存儲采集的各類數(shù)據(jù)。Dell工作站筆記本電腦作為系統(tǒng)控制器，控制器與全景相機(jī)通過IEEE－1394b火線接口連接，與組合慣導(dǎo)系統(tǒng)通過USB或com口連接，分別通過它們各自相應(yīng)的軟件對其進(jìn)行參數(shù)配置，數(shù)據(jù)實現(xiàn)顯示，采集控制以及實時存儲。

(5)平臺及固定模塊

平臺及固定模塊用于安置各類儀器設(shè)備，并通過可以調(diào)節(jié)角度與高度的真空吸盤將其固定于車輛載體頂部。平臺由鋁合金材料的矩形板和長條板組成，長條板嵌入矩形板，長條板主要用于固定組合慣導(dǎo)系統(tǒng)的天線，平臺邊緣及頂點都進(jìn)行了圓滑處理，防止在安裝與拆卸平臺的過程中對人造成傷害。按照事先設(shè)計對平臺整體進(jìn)行布局規(guī)劃，并在平臺頂面與底面相應(yīng)位置加工螺紋孔用于固定儀器設(shè)備及吸盤，平臺中間通過球型云臺將吸盤與平臺連接，兩端放置天線并利用可調(diào)節(jié)方向與高度式吸盤固定。球型云臺可水平360°、垂直180°旋轉(zhuǎn)，起到調(diào)節(jié)平臺處于水平位置的作用。

通過利用吸盤固定平臺及儀器設(shè)備，便于安裝與拆卸，增強(qiáng)了其靈活性，可移動性。吸盤的可調(diào)節(jié)性確保了平臺處于水平位置，為儀器設(shè)備提供了平穩(wěn)的工作環(huán)境。

(6)供電模塊

供電模塊主要為全景相機(jī)、組合慣導(dǎo)系統(tǒng)、竹節(jié)式電動升降柱、Dell筆記本電腦提供電源，采用蓄電池和車載電源兩種供電方式。Dell筆記本電腦自身配備電池，外接電源突然斷電對其影響不大，并且一定時間內(nèi)可以不用為其提供電源;竹節(jié)式電動升降柱不需要實時調(diào)節(jié)其高度，僅在其需要調(diào)節(jié)高度時對其進(jìn)行供電即可;全景相機(jī)和組合慣導(dǎo)系統(tǒng)對電源要求較高，提供符合其規(guī)格的電壓，并且在其正常工作時不可突然斷電，否則會對儀器造成損壞。

單獨采用蓄電池供電，需要多配置一塊以備用，由于需供電儀器較多，隨著采集數(shù)據(jù)的時間延長，蓄電池電量不足以維持儀器設(shè)備正常工作。單獨采用車載電源供電，只要車輛本身能正常工作，就不必?fù)?dān)心電量的問題，供電充足，一旦車輛熄火，則會導(dǎo)致所有儀器立即停止工作，對儀器及采集的數(shù)據(jù)都會造成影響。根據(jù)兩種供電方式各自的優(yōu)缺點，采用兩種供電方式相結(jié)合供電，全景相機(jī)和組合慣導(dǎo)系統(tǒng)利用蓄電池供電，竹節(jié)式電動升降柱、Dell筆記本電腦采用車載電源的供電方式，這樣既緩解了蓄電池供電壓力，確保其能滿足數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)儀器的電量供應(yīng)，又不必?fù)?dān)心因車輛突然熄火而影響儀器正常工作。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，要使得全景影像數(shù)據(jù)與地理位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)通過一定的方式實現(xiàn)同步，實現(xiàn)的關(guān)鍵是在進(jìn)行影像采集的同時獲取位置坐標(biāo)及姿態(tài)數(shù)據(jù)，我們通過時間來實現(xiàn)這兩種數(shù)據(jù)的同步，時間同步分為兩種:

(1)時間軟同步，這種同步方式是儀器設(shè)備利用各自的時間系統(tǒng)，在采集數(shù)據(jù)時記錄時間信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，通過數(shù)據(jù)中共有的時間實現(xiàn)同步。全景相機(jī)利用自己的時間系統(tǒng)，在采集影像瞬間記錄時間，組合慣導(dǎo)系統(tǒng)也利用自己的時間系統(tǒng);

(2)時間硬同步，這種同步方式是通過發(fā)送脈沖信號以觸發(fā)的方式來實現(xiàn)同步，利用光纖將全景相機(jī)與組合慣導(dǎo)系統(tǒng)連接，由于組合慣導(dǎo)系統(tǒng)接收的GPS時間精度高，所以選擇由組合慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送脈沖信號給全景相機(jī)，全景相機(jī)接收到脈沖信號，觸發(fā)相機(jī)快門采集影像數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時間硬同步。

通過比較兩種時間同步方式發(fā)現(xiàn)，在對時間間隔要求不高的情況下，兩種方式都可以滿足要求，只不過時間軟同步處理數(shù)據(jù)時相對麻煩一些。但是如果要求時間間隔很短，在毫秒級的情況下，時間硬同步依然能夠滿足要求，而時間軟同步會出現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)無法根據(jù)各自的時間同步，這是因為全景相機(jī)時間系統(tǒng)精度低所引起的。

4 結(jié)論

可移動升降式全景平臺系統(tǒng)通過對傳統(tǒng)影像平臺系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，利用真空吸盤固定于車輛載體，適用于任意車輛載體，便于安裝與拆卸，更加靈活，可移動性強(qiáng)。不需要對車輛本身做任何改造，保證了車輛的完整性。通過控制竹節(jié)式電動升降柱實時調(diào)整全景相機(jī)高度，既避免了受限高交通設(shè)施限制又提高了相機(jī)的適應(yīng)性。通過脈沖信號觸發(fā)方式實現(xiàn)了組合慣導(dǎo)系統(tǒng)與全景相機(jī)的時間硬同步，節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時間。下一步考慮在對數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)控制方式上加入距離觸發(fā)方式，數(shù)據(jù)采集設(shè)備與在車輪上安裝的編碼器或車輛自帶的里程計進(jìn)行連接實現(xiàn)通過車輛行駛一定距離進(jìn)行影像數(shù)據(jù)與位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集、同步，使得所采集的數(shù)據(jù)更加均勻，效果更好。

［1］ 孫紅星．差分GPS/INS組合定位定姿及其在MMS中的應(yīng)用［D］．武漢:武漢大學(xué)，2004．

［2］周落根，韓聰穎，王星卓．移動測量系統(tǒng)及實景三維技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］．測繪信息與工程，2003，28(1):33～34．

［3］李海亭，張淼，彭清山．城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)研究．城市勘測［J］．2011(3):40～41．

［4］ 易延光，黃洪彬．車載移動測量系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用．黑龍江水利科技［J］．2011(3):284～285．

［5］周忠謨，易杰軍，周琪．GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用［M］．北京:測繪出版社，2002．

［6］ 湯國安，趙牡丹．地理信息系統(tǒng)［M］．北京:科學(xué)出版社，2000．

［7］王萬峰，杜明義．可量測實景影像在城市部件管理中的應(yīng)用［J］．北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2009(2):31～34，59．

［8］董緒榮，張守信，華仲春．GPS/INS組合導(dǎo)航定位及其應(yīng)用［M］．長沙:國防科技大學(xué)出版社，1998．