楊信錕，阮承治，陳 鑌

（1.武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山354300；2.農(nóng)機智能控制與制造技術福建省高校重點實驗室，福建 武夷山354300）

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，多媒體信息種類增多，表現(xiàn)效果趨于多樣化[1]，其中VR全景圖像是多媒體顯示發(fā)展的重要組成部分，具有真實、直觀、全面的性能特點，也是虛擬現(xiàn)實和計算機視覺的重要組成部分[2]。全景圖像跳轉(zhuǎn)是指全景圖像中的不同場景視圖的切換，應用最廣泛的全景圖漫游，是現(xiàn)有的全景圖像跳轉(zhuǎn)技術的主要依據(jù)，全景圖坐標與屏幕坐標之間的關系是根據(jù)校正圖與球面坐標的關系確定的[3-4]。當每次點擊屏幕進行視場移動時，每移動一次，都需要更新校正圖與球面坐標之間的關系[5]，該算法計算量很大，除了保證實時性，還需要高配置的硬件系統(tǒng)，因此成本較高，效率低下。

本論文提出了一種全新的全景圖像跳轉(zhuǎn)方法，利用專業(yè)的圖形程序接口OpenGL來實現(xiàn)，將采集到的全景圖像進行坐標解析，先進行圖像的投影變換，再進行視口變換，得到屏幕坐標，當視圖屏幕點擊位置發(fā)生變化時，則可以和全景坐標進行匹配判斷，實現(xiàn)圖像的跳轉(zhuǎn)。

1 OpenGL全景圖像跳轉(zhuǎn)算法簡述

該方案利用專業(yè)的圖形程序接口OpenGL來實現(xiàn)，OpenGL是一款專業(yè)的圖形程序接口，采用C語言編寫，它具有獨立的特性，與硬件無關，易用可操作性強，可以基于不同的硬件平臺實現(xiàn)，同時支持多種操作系統(tǒng)，是常用的圖形開發(fā)標準庫[3]。

該算法實現(xiàn)圖像跳轉(zhuǎn)總共有4個步驟：首先利用全景相機采集全景圖像，解析得到多個全景圖像坐標，并采用幾何變換消除圖像的變形；接著在OpenGL中調(diào)用glMatrixMode函數(shù)進行圖像的投影變換；然后在OpenGL中調(diào)用glViewPort進行視口變換，得到屏幕坐標；最后判斷屏幕坐標與全景圖像坐標的匹配，根據(jù)匹配結果完成子圖像的跳轉(zhuǎn)。具體流程如圖1所示。

1.1 全景圖像的采集以及幾何變換

全景圖像的采集指的是利用專業(yè)的全景攝影裝置進行全景圖像信息的采集，本實驗采用柯達Pixpro SP360全景相機。該相機采用方盒圓頂設計，可以基于不同場景針對性選擇合適的拍攝視角，該相機在水平或者垂直狀態(tài)都能拍攝到360度全景照片和視頻。隨后將全景圖像的像素解析成坐標的形式，并采用幾何變換消除圖像獲取時出現(xiàn)的幾何變形，幾何變換包括旋轉(zhuǎn)、移動、拉伸、壓縮、錯切等。

圖1 圖像跳轉(zhuǎn)算法流程

1.2 圖像的投影變換

投影變換就是將圖片投影到一個新的視平面，只顯示可視空間內(nèi)的場景到屏幕上。根據(jù)全景圖像的坐標進行圖像投影變換，得到圖像的投影模型，具體的步驟為：

第一步，采用變換公式（1）

因此，根據(jù)全景圖像的坐標，利用投影變換矩陣，就可以得到投影變換后的圖像坐標。在OpenGL中調(diào)用glMatrixMode函數(shù)，以GL_PROJECTION作為參數(shù)，調(diào)用的指令為：glMatrixMode（GL_PROJECTION）。

使用OpenGL的運行過程如圖2所示。

如果圖像的視角發(fā)生改變，則需要更新OpenGL中對應的變換矩陣得到新的圖像坐標。

1.3 圖像的視口變換

在投影變換之后，將對視圖進行視口變換，得到圖像的屏幕坐標。在OpenGL中調(diào)用glViewPort函數(shù)，調(diào)用指令如下：

其中，x，y為視口的起點，一般為（0，0），width，height為視見區(qū)域的寬和高。

1.4 圖像的跳轉(zhuǎn)

假設當前視圖有N個圖像坐標，若視場角發(fā)生變化時，則需在OpenGL中更新對應的變換矩陣，再進行視口變換得到新的屏幕坐標，此時如果屏幕出現(xiàn)單擊操作，則先判斷此時點擊位置點的圖像坐標，是否與當前視圖的N個屏幕坐標一致，如果坐標匹配成功，圖像則跳轉(zhuǎn)到點擊的子圖像。具體的流程如圖3所示。

2 實驗對比

將本方法與基于Pano2VR的方法進行對比實驗，Pano2VR是一款全景圖像轉(zhuǎn)換和編輯軟件，可以方便地進行圖像格式轉(zhuǎn)換以及為圖像拼接做預處理。

實驗平臺為Arm cortex-A7+mali400 GPU，實驗結果如表1所示。

使用Pano2VR方法的圖像跳轉(zhuǎn)平均時間為50ms，而使用本方法跳轉(zhuǎn)一次時間為30ms，節(jié)約了40%的時間，提高了運算效率。

3 結論

上述研究表明，本文提出了全新的采用依據(jù)OpenGL實現(xiàn)的全景圖像跳轉(zhuǎn)方法，該方法判斷高效，實現(xiàn)全景瀏覽及切換的功能，給瀏覽者真實、高效的全景瀏覽體驗，具有一定的科研和應用價值。

圖2 OpenGL的運行過程

圖3 圖像跳轉(zhuǎn)流程