張 蔚

（鄭州商學(xué)院，鄭州 451200）

0 引言

視覺(jué)傳達(dá)是在影像中，通過(guò)對(duì)視覺(jué)符號(hào)進(jìn)行設(shè)定，向觀看者傳達(dá)設(shè)計(jì)者的思想，使觀看者變成設(shè)計(jì)者思想的傳播受眾。在視覺(jué)傳達(dá)技術(shù)的發(fā)展中，三維影像一直起著很大的輔助作用。三維影像是數(shù)字影像中的一種廣泛應(yīng)用，隨著數(shù)碼成像技術(shù)的提升，其應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣?；谝陨媳尘皩?duì)三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先深入了解其研究背景。

對(duì)于三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的研究，近年來(lái)很多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了深入研究。其中國(guó)外在三維影像視覺(jué)傳達(dá)領(lǐng)域已經(jīng)取得較為深入的研究成果，并應(yīng)用了很多三維圖像技術(shù)。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是基于視覺(jué)互動(dòng)技術(shù)的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)，主要通過(guò)應(yīng)用三維視覺(jué)互動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維影像的視覺(jué)傳達(dá)，構(gòu)建三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)[1]。以及影像混搭理念下的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)，主要是在影像混搭理念的指導(dǎo)下進(jìn)行三維影像的視覺(jué)傳達(dá)，構(gòu)建三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)近年視覺(jué)傳達(dá)技術(shù)也發(fā)展起來(lái)，對(duì)于三維影像視覺(jué)傳達(dá)問(wèn)題的研究也取得了一定突破。其中應(yīng)用較為廣泛的一種三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)。在對(duì)三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行研究的過(guò)程中，綜合以上研究成果，在設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)字圖像自動(dòng)化重建技術(shù)，提出一種基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)，以達(dá)到較高的系統(tǒng)性能。

1 基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 設(shè)計(jì)處理三維影像層模塊

基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的硬件部分共分為兩個(gè)模塊：處理三維影像層模塊、采集三維影像層模塊。

其中處理三維影像層模塊使用的硬件為HUJ-23三維圖像處理器。該三維圖像處理器共4顆CPU，使用驍龍?zhí)幚砥?，具備良好的三維數(shù)據(jù)處理性能[2]。

1.1.2 設(shè)計(jì)采集三維影像層模塊

采集三維影像層模塊使用的硬件為實(shí)感紅外攝像頭。選用的實(shí)感紅外攝像頭的參數(shù)具體如表1所示。

表1 選用的實(shí)感紅外攝像頭的參數(shù)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)三維影像計(jì)算機(jī)表達(dá)模塊

基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的軟件構(gòu)成包括三維影像計(jì)算機(jī)表達(dá)模塊、三維圖像重建模塊。

其中三維影像計(jì)算機(jī)表達(dá)模塊主要負(fù)責(zé)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)三維影像進(jìn)行計(jì)算機(jī)化表達(dá)。首先將三維影像拆分為數(shù)據(jù)塊，具體包括Ox4D4D、Ox3D3D、0x4000、0x4200、0x4110、0x4120。這些數(shù)據(jù)塊的具體信息如表2所示。

表2 這些數(shù)據(jù)塊的具體信息

接著利用各數(shù)據(jù)塊進(jìn)行三維影像視覺(jué)紋理特征的表示，在表示中需要對(duì)紋理進(jìn)行添加。獲取紋理以后，需要對(duì)紋理進(jìn)行映射，其中由于關(guān)注點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，因此也會(huì)帶來(lái)映射大小發(fā)生相應(yīng)變化。紋理映射具體是指以三維影像3D模型坐標(biāo)系與紋理坐標(biāo)系中坐標(biāo)值關(guān)系為依據(jù)，在三維影像3D模型中對(duì)應(yīng)位置對(duì)紋理進(jìn)行添加。

在進(jìn)行實(shí)際處理時(shí)，會(huì)發(fā)生以下三種情況：首先就是紋理空間中存在多種紋理紋素，其中二維紋理最小單位與一個(gè)3D模型像素相對(duì)應(yīng)[3]。其次是各紋理紋素與多個(gè)3D模型像素相對(duì)應(yīng)。最后是各紋理紋素與一個(gè)3D模型像素相對(duì)應(yīng)。對(duì)于這三種情況，必須分別實(shí)施針對(duì)性處理。具體處理方法分別如下：實(shí)施壓縮性過(guò)濾處理、實(shí)施放大性過(guò)濾處理、以及不進(jìn)行額外處理。

利用拍攝的方式獲取紋理，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是一個(gè)重要問(wèn)題。紋理拍攝過(guò)程以及坐標(biāo)系具體如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系示意圖以及紋理拍攝過(guò)程

圖1中各坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與點(diǎn)坐標(biāo)表示具體如表3所示。

表3 各坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與點(diǎn)坐標(biāo)表示

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，三維影像3D模型對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)到攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)具體轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

式(1)中，n代表三維影像3D模型對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)；N表示攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)；B表示三維影像3D模型坐標(biāo)軸向攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸向攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的矩陣；A表示投影矩陣；C表示三維影像3D模型坐標(biāo)軸向攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸向攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)平移所對(duì)應(yīng)的矩陣[4]。

其中A、B、C的對(duì)應(yīng)表達(dá)式具體如下：

式(3)中w代表三維影像3D模型坐標(biāo)軸向攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸向攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換值。

式(4)中x0、y0、z0代表攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的原點(diǎn)在三維影像3D模型坐標(biāo)系中的值。

n的表達(dá)式具體如下：

式(5)中T代表坐標(biāo)系閾值。

N還可以用下式來(lái)表示：

式(6)中（qX，qY，qZ，q）代表攝像機(jī)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)。

根據(jù)坐標(biāo)系示意圖，三維影像3D模型對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)到紋理相片對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)的對(duì)應(yīng)映射關(guān)系具體如下式：

則可以推算出下式：

式(8)中E表示映射矩陣；n'代表紋理相片對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)。

那么三維影像3D模型對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)到紋理相片對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)的對(duì)應(yīng)映射關(guān)系具體如下：

其中A、B、C的值能夠通過(guò)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行手工選定來(lái)計(jì)算。

1.2.2 設(shè)計(jì)三維圖像重建模塊

基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建設(shè)計(jì)三維圖像重建模塊。三維圖像重建模塊能夠通過(guò)數(shù)字圖像自動(dòng)化重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維圖像的自動(dòng)化重建。具體重建流程如圖2所示。

圖2 具體重建流程

2 系統(tǒng)仿真測(cè)試

2.1 仿真設(shè)計(jì)

為對(duì)設(shè)計(jì)的基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)一個(gè)仿真平臺(tái)，測(cè)試三維影像重建精度與視覺(jué)傳達(dá)完整度。

為使仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)更加豐富并且具備對(duì)比性，將現(xiàn)有的幾種三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)作為對(duì)比測(cè)試對(duì)象進(jìn)行四種系統(tǒng)的對(duì)比測(cè)試，分別為基于視覺(jué)互動(dòng)技術(shù)、影像混搭理念下、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)。

構(gòu)建的仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)是專(zhuān)業(yè)引擎、3D制作設(shè)備以及編輯影像工具，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，通過(guò)多架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)中的三維影像數(shù)據(jù)，能夠確保數(shù)據(jù)的完整性與時(shí)效性。其中選用的編輯器為高集成性編輯器，能夠提升三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度[5]。

構(gòu)建的仿真平臺(tái)具體如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的仿真平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中使用的三維影像樣本共10組，各組三維影像數(shù)據(jù)具體如表4所示。

表4 各組三維影像數(shù)據(jù)

2.2 獲取仿真結(jié)果

2.2.1 三維影像重建精度測(cè)試結(jié)果

首先對(duì)設(shè)計(jì)的基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)與基于視覺(jué)互動(dòng)技術(shù)、影像混搭理念下、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的三維影像重建精度進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 三維影像重建精度測(cè)試結(jié)果

其中三維影像重建精度的計(jì)算公式具體如下：

式(10)中I（n）代表三維影像重建精度；n表示三維影像截面；S代表三維影像矢量；u表示三維影像特征點(diǎn)集合；p代表三維影像原始特征點(diǎn)。

根據(jù)表5的三維影像重建精度測(cè)試結(jié)果，相比基于視覺(jué)互動(dòng)技術(shù)、影像混搭理念下、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高的三維影像重建。

2.2.2 視覺(jué)傳達(dá)完整度測(cè)試結(jié)果

接著測(cè)試設(shè)計(jì)的基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)與三種對(duì)比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的視覺(jué)傳達(dá)完整度。測(cè)試結(jié)果具體如表6所示。

表6的視覺(jué)傳達(dá)完整度測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于數(shù)字圖像自動(dòng)化重建的三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)的視覺(jué)傳達(dá)完整度高于三種對(duì)比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高度完整的三維影像視覺(jué)傳達(dá)。

表6 視覺(jué)傳達(dá)完整度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)三維影像視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行研究的過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)用數(shù)字圖像自動(dòng)化重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維影像重建精度與視覺(jué)傳達(dá)完整度的提升，對(duì)于三維影像視覺(jué)傳達(dá)問(wèn)題的深入研究有啟示意義。