劉佶鑫

摘要：《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》作為信息與信號處理學(xué)科的本科專業(yè)課程之一，由于涉及到音頻、圖像、圖形等諸多不同領(lǐng)域的復(fù)雜專業(yè)背景知識，因此其講授難點較大。特別是視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)的核心技術(shù)計算機視覺雙目測程方法，通過傳統(tǒng)的課堂講授難以使學(xué)生理解和掌握。為此，本文引入OSG仿真平臺提出針對上述難點的教學(xué)研究思路，以仿真實驗作為理論聯(lián)系實際的橋梁，起到改善教學(xué)效果和提高學(xué)生能力的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字媒體技術(shù)；計算機視覺雙目測程；OSG；教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0174-02

一、引言

《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》作為信息與信號處理學(xué)科的本科專業(yè)課程之一，其講授過程涉及到信號處理相關(guān)的諸多方面，特別是在視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，由于二維/三維空間運動描述的理論難度大、相關(guān)概念抽象不易理解，因此憑借傳統(tǒng)的課堂講授很難達到預(yù)期的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍不高。為解決這一教學(xué)問題，引入合適的空間運動仿真平臺不僅能在一定程度上較好的改善教學(xué)效果，而且對于學(xué)生技術(shù)實踐能力的提高也有較大的益處。

在虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真、目標(biāo)可視化等領(lǐng)域，圖形場景已逐漸成為一種高效簡便的數(shù)據(jù)表達和結(jié)構(gòu)管理方式，其中OSG（OpenSceneGraph）平臺就是使用場景圖形的一種渲染引擎。OSG近年來已成為相關(guān)研究領(lǐng)域關(guān)注的重要三維引擎之一[1，2]。采用OSG能勝任大多數(shù)的應(yīng)用需求[3-5]，因此讓學(xué)生更多的了解和接觸這類平臺和技術(shù)，有利于學(xué)生今后的職業(yè)發(fā)展。

本文針對《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》課程講授過程中，在視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等環(huán)節(jié)存在的教學(xué)難點，以O(shè)SG仿真平臺來設(shè)計一些簡單易懂的仿真實驗，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時提高他們在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)技能，從而達到改善本課程教學(xué)效果的目的。

二、OSG三維仿真平臺簡介

OSG圖形系統(tǒng)是一個基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL和C++環(huán)境的三維開源場景圖程序開發(fā)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高性能、跨平臺的交互式圖形系統(tǒng)的開發(fā)[6]。OSG中的物體是以場景圖形對象來表達的，這便于描述物體在二維或三維空間中的邏輯關(guān)系和空間變換。在《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》中研究的三維運動是指OSG物體對象在三維空間的剛體運動，即三維笛卡爾坐標(biāo)系下的平移和旋轉(zhuǎn)。在OSG的空間變換中，物體的三維空間的連續(xù)運動可以分解為一系列平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣的連乘。

三、教學(xué)實例

在視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)過程中比較難以理解的知識點在于計算機視覺雙目測程方法，而該方法是圖像二維視覺信息與物理三維空間信息建立聯(lián)系的關(guān)鍵。如圖1所示雙目立體成像的原理[7]，設(shè)左右兩個相機完全相同，各自坐標(biāo)系統(tǒng)的光軸（Z軸）平行，原點位置不同，同時世界坐標(biāo)系與左鏡頭的坐標(biāo)系重合，左鏡頭的像平面與其XY坐標(biāo)系重合，兩鏡頭焦距均為f，兩鏡頭中心點連接成的基線（Base line）距離為B，空間某點P在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)（X，Y，Z）在左右兩成像平面的投射坐標(biāo)分別為PL（xl，yl）和PR（xr，yr）。現(xiàn)在問題可以表示為，已知f、B、PL、PR，求P。式（1）到式（4）即為求取P點坐標(biāo)的過程。

-X=■（Z-f）？搖 （1）

B-X=■（Z-f）？搖 （2）

Z=f（1-■），d=B+x■+x■？搖 （3）

y■=y■=f■，z■=z■=f？搖 （4）

本文討論的重點是OSG平臺下針對教學(xué)的計算機視覺雙目測程方法實現(xiàn)，這里主要用到了osgdem和VPB的相關(guān)功能。osgdem是OSG的一個實用程序，而VPB（VirtualPlanetBuilder）是一個基于OSG的地形數(shù)據(jù)實時處理工具箱。利用VPB生成三維模型并建立OSG場景圖層后，要實現(xiàn)物體實時動態(tài)行為再現(xiàn)就要考慮幾何體節(jié)點和攝像機節(jié)點的漫游設(shè)計問題。OSG漫游技術(shù)需要用到兩類坐標(biāo)系，即世界坐標(biāo)系和節(jié)點坐標(biāo)系。常見的坐標(biāo)變換有平移、縮放和旋轉(zhuǎn)。攝像機的漫游是通過世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系的變換來實現(xiàn)的。

p′=Mp

p=X Y Z 1■ （5）

p′=X′ Y′ Z′ 1■？搖

M■=1 0 0 D■0 1 0 D■0 0 1 D■0 0 0 1，M■=S■ 0 0 00 S■ 0 00 0 S■ 00 0 0 1 （6）

M■=1 ？搖？搖？搖？搖0 ？搖？搖0 ？搖？搖 00 cosα sinα 00 -sinα cosα 00 0 ？搖？搖0 ？搖？搖 1

M■= cosγ sinγ 0 0-sinγ cosγ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 （7）

M■=cosβ 0 -sinβ 0？搖？搖？搖0？搖 ？搖1？搖 ？搖？搖？搖0 ？搖？搖 0sinβ 0 cosβ？搖 0？搖？搖？搖0？搖 ？搖0？搖 ？搖？搖？搖0？搖 ？搖？搖1

設(shè)攝像機坐標(biāo)系原點在世界坐標(biāo)系上的坐標(biāo)變換的矢量表達如式（5）。式（6）表示平移和縮放變換，式（7）表示XYZ軸旋轉(zhuǎn)變換。攝像機在空間中的任何漫游行為都可以分解成一個坐標(biāo)變換序列，以變換矩陣級聯(lián)方式表達。圖2是將原始三維場景高程數(shù)據(jù)可視化與雙目機器人計算機視覺測程系統(tǒng)的仿真結(jié)果進行對比。

由此可見，學(xué)生通過OSG仿真平臺的應(yīng)用可以更清楚地掌握計算機視覺雙目測程方法的原理，并且通過簡單的世界坐標(biāo)和節(jié)點坐標(biāo)參數(shù)的設(shè)置可以直觀地了解理論與實際結(jié)合過程中的具體實現(xiàn)和相互影響。

四、結(jié)語

針對本科生在學(xué)習(xí)《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》過程中，對計算機視覺雙目測程方法等視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)概念和技術(shù)較難理解的現(xiàn)狀，本文通過引入OSG平臺提出了較為簡單直觀的仿真系統(tǒng)構(gòu)建形式，既能彌補傳統(tǒng)課堂講授對相關(guān)知識點的教學(xué)局限性，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手實踐能力，對學(xué)生今后的求職工作或從事科研都有一定的益處。

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