楊曙光

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

室內(nèi)空間布局作為高層視覺圖像布局分析領(lǐng)域內(nèi)具有高難度的研究熱點(diǎn)之一，通過室內(nèi)空間陳列的材料、采光與顏色實(shí)施綜合搭配的設(shè)計(jì)過程[1?2]，準(zhǔn)確分析室內(nèi)空間布局，為智能家居、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域的研究提供高精度三維立體空間結(jié)構(gòu)信息[3]。而三維立體空間常常與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)相關(guān)，該技術(shù)是一種能夠建立并感受虛擬世界的多傳感器結(jié)合以及多媒體組合的計(jì)算機(jī)技術(shù)[4]，通過計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)建虛擬世界的三維空間，為使用者提供多感官體驗(yàn)。

隨著VR 技術(shù)與場(chǎng)景仿真技術(shù)的研究與成熟，綜合圖像色彩渲染的室內(nèi)空間布局三維仿真技術(shù)呈現(xiàn)出極具優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用前景[5]。由此設(shè)計(jì)基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)，在3ds MAX 與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編輯系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)空間布局三維模擬成像研究，并構(gòu)建室內(nèi)空間布局仿真模型。

1 室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)利用顏色特征分析方法及光線追蹤方法進(jìn)行室內(nèi)空間布局的智能判斷，生成室內(nèi)空間布局的三維模型，通過VR 技術(shù)進(jìn)行三維立體的智能成像。圖1 為基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊、平面圖像預(yù)處理模塊以及VR 三維模擬成像模塊共同組成[6]?？臻g布局平面圖像采集模塊利用魚眼相機(jī)及相關(guān)電子學(xué)單元采集室內(nèi)空間布局平面圖像，經(jīng)由平面圖像預(yù)處理模塊進(jìn)行分辨率調(diào)整與模板拼接等預(yù)處理后[7]，傳輸至VR 三維模擬成像模塊內(nèi)。

VR 三維模擬成像模塊采集室內(nèi)空間布局陳列的視覺特征，包括顏色信息、坐標(biāo)信息及采光角度等，以SoftImage 和Light Wave 3D 等軟件為基礎(chǔ)，構(gòu)建室內(nèi)空間布局幾何模型，再現(xiàn)室內(nèi)空間布局的材質(zhì)效果、顏色搭配以及光纖追蹤等效果。

1.2 室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊設(shè)計(jì)

魚眼相機(jī)同關(guān)聯(lián)電子學(xué)單元共同組成室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊，該模塊選取一體化設(shè)計(jì)模式[8]，其數(shù)據(jù)采集與緩存如圖2 所示。

4 部魚眼相機(jī)并行運(yùn)行下，室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊采用CMOS APS 傳感器，其具有高分辨率、高集成度、高靈敏度等特征。各魚眼相機(jī)采集的室內(nèi)空間布局圖像通過實(shí)時(shí)在線拼接以及動(dòng)態(tài)視頻壓縮等處理后緩 存至SRAM 內(nèi)[9]。

圖2 室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊數(shù)據(jù)采集與緩存

1.3 VR 三維模擬成像模塊

1.3.1 室內(nèi)空間布局視覺信息采集

室內(nèi)空間布局視覺特征采集的主要功能是為明確魚眼相機(jī)獲取的室內(nèi)空間布局平面圖像與三維點(diǎn)間的相應(yīng)關(guān)系[10]，獲取相應(yīng)的顏色信息（包括自身顏色與光線照射），基于三維視覺進(jìn)行室內(nèi)空間標(biāo)定。

1）光影效果

光影效果是通過物體與反射鏡面間位置的變換產(chǎn)生的一種光線明暗效應(yīng)。在光影變換過程中，傳感器平面與反射鏡面間的相關(guān)性為：

式中：δ和p分別為匹配系數(shù)和室內(nèi)空間坐標(biāo)；Y″和E″分別為反射鏡面與傳感器平面；T為空間點(diǎn)與反射鏡面間的距離；j( ? )和d( ? )分別為室內(nèi)空間布局陳列的視覺視差函數(shù)和光線變換線性重組方程；h″為成像平面內(nèi)任意點(diǎn)與平面中心點(diǎn)間的距離；P和M分別為空間點(diǎn)中心坐標(biāo)與射影圖像矩陣。

式（2）為魚眼相機(jī)成像平面與室內(nèi)空間布局平面間的相關(guān)性：

在式（1）內(nèi)引入式（2），即可獲?。?/p>

由于魚眼相機(jī)的雙曲面存在兩側(cè)對(duì)稱特性[11]，利用式（3）描述函數(shù)f，得到：

式內(nèi)ɑn為室內(nèi)空間視點(diǎn)的入射角。

利用魚眼相機(jī)獲取室內(nèi)空間布局平面圖像時(shí)受器件質(zhì)量等外界因素影響有較大概率出現(xiàn)偏差[12]，需將含有偏差的非理想成像模型轉(zhuǎn)換為式（5），滿足成像模型需求。

2）顏色分析

標(biāo)定室內(nèi)空間過程中，基于魚眼相機(jī)360°獲取的室內(nèi)空間布局全景二維圖像，構(gòu)建三維室內(nèi)空間點(diǎn)與二維成像像素間的相關(guān)性，并求解。

確定室內(nèi)空間相關(guān)參數(shù)后，構(gòu)建二維成像圖像平面像素點(diǎn)同圖像入射點(diǎn)間的相關(guān)性，公式描述如下：

室內(nèi)空間標(biāo)定條件下，初步獲取空間內(nèi)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，提取室內(nèi)空間三維景象內(nèi)的顏色信息與坐標(biāo)信息，公式描述如下：

式內(nèi)g描述空間點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)間的遠(yuǎn)近。

1.3.2 3D 幾何建模尺度信息參量

三維幾何建模主要是基于視覺特征采集結(jié)果，在3ds MAX 軟件內(nèi)構(gòu)建室內(nèi)空間布局陳列的三維模型[13]?？臻g布局陳列形狀特征提取表達(dá)式如下：

以圖像屬性特征為基礎(chǔ)的室內(nèi)空間陳列光學(xué)成像三維配準(zhǔn)，通過渲染獲取具有高級(jí)別質(zhì)感的成像效果[14]，完成室內(nèi)空間陳列的色彩、光線、形態(tài)以及圖案之間的三維配準(zhǔn)。選取分離面裁剪法生成室內(nèi)空間陳列的多層級(jí)細(xì)節(jié)，依照屬性值判斷顏色配準(zhǔn)精度，判斷函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：l和L分別描述全息投影像素值和室內(nèi)空間分布輪廓總長度

利用式（11）得到3D 幾何建模尺度信息參量，通過該參量可為三維模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)，以此生成三維模擬形象。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)使用性能，以某寫字樓為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)對(duì)象底部為商業(yè)空間，中上部則為辦公空間與居住空間。采用本文系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象中的三類室內(nèi)空間布局進(jìn)行三維模擬成像仿真，結(jié)果如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)過程中，本文系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)

作為接口程序的OpenGL 內(nèi)包含簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線繪制函數(shù)和復(fù)雜的曲線曲面繪制函數(shù)等，供室內(nèi)空間布局建模使用。Direct 3D 是Direct X 多媒體編程接口的重要組成部分，是一個(gè)用于3D 繪圖的編程接口，可隱藏不同三維加速硬件相異性。

2.2 三維模擬成像結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用本文系統(tǒng)分別對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的室內(nèi)辦公空間、居住空間和商業(yè)空間進(jìn)行空間布局三維模擬成像，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)空間布局三維模擬成像結(jié)果

由圖3 可知，采用本文系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間布局進(jìn)行三維模擬成像，且成像效果較好，具有較明顯的視覺沖擊力，顏色和光線的設(shè)計(jì)與使用自然協(xié)調(diào)，可美化視覺效果。高實(shí)用性的空間布局與協(xié)調(diào)自然的顏色和光線設(shè)計(jì)說明本文模型應(yīng)用性能較好。

2.3 室內(nèi)空間布局標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行空間標(biāo)定，選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象中的居住空間，將魚眼相機(jī)放置在不同的4 個(gè)方位中，針對(duì)空間布局中某任意位置的一項(xiàng)陳列物品計(jì)算其攝影矩陣元素，反復(fù)計(jì)算若干次，取其均值。表2 為攝影矩陣元素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表2 得到，矩陣元素的穩(wěn)定性較高。采用本文系統(tǒng)分別標(biāo)定4 個(gè)不同位置下實(shí)驗(yàn)對(duì)象中陳列物品的空間方位，結(jié)果如表3 所示。

由表3 中描述不同攝影位置下實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)陳列物品在空間內(nèi)的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)對(duì)于室內(nèi)空間布局的標(biāo)定與其他兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)相比定位精度較高，說明本文系統(tǒng)具有可靠性。

表2 矩陣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 空間定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 性能對(duì)比

根據(jù)表3 內(nèi)三個(gè)系統(tǒng)實(shí)際模擬出的實(shí)驗(yàn)對(duì)象空間布局三維圖像，對(duì)比不同系統(tǒng)模擬效果的時(shí)間開銷與信息飽和度等相關(guān)參數(shù)，對(duì)比結(jié)果如表4 所示。

表4 性能對(duì)比測(cè)試結(jié)果

由表4 可得，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)空間布局三維模擬成像的信息飽和度與歸一化均方根誤差遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩個(gè)系統(tǒng)，而時(shí)間開銷對(duì)比結(jié)果也存在一定優(yōu)勢(shì)，說明本文系統(tǒng)特征描述能力較高，可獲得較好的視覺效果，且具有一定效率優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

本文研究室內(nèi)空間布局模擬成像問題，設(shè)計(jì)基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)，其中，VR三維模擬成像模塊基于室內(nèi)空間布局視覺特征構(gòu)建室內(nèi)空間布局3D 幾何模型，呈現(xiàn)室內(nèi)空間布局模擬成像結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用本文系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)空間布局三維模擬成像，室內(nèi)空間布局的標(biāo)定精度高，特征描述能力較強(qiáng)，可獲得較好的視覺效果，且具有一定效率優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。