田 軍 孫 梅 王 萍

（1.新疆醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830011；2.新疆教育學(xué)院 體育分院，新疆 烏魯木齊830043）

0 引言

全景圖像(Panorama) 通常是指圖像的畫面比普通正常水平視角（大約90 度）大，其水平視角包含完整一周360 度所覆蓋的畫面范圍。與傳統(tǒng)圖像的信息組織模式相比，全景圖的信息組織模式具有以下的特點(diǎn)，由于它涵蓋了360 度范圍的圖像信息，因而可表達(dá)出完整的四周環(huán)境信息，類似于某人原地轉(zhuǎn)一圈所看到的景象。就觀察者而言，全景圖像具有立體的、多角度的圖形環(huán)境特點(diǎn)。另外，全景圖比基于幾何的VR 建模具有更大的優(yōu)勢，具有真實(shí)感強(qiáng)，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

圖像的獲取方式?jīng)Q定輸入圖像的不同，導(dǎo)致圖像的拼接結(jié)果也不一樣，因此，根據(jù)圖像的獲取方式將全景圖的生成分為三類。

（1）通過全景相機(jī)直接形成，該方法生成速度快，自動(dòng)化程度高，但設(shè)備要求高，價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜；

（2）利用大視角的鏡頭（如魚眼鏡頭）獲得多張圖像。 由于鏡頭視角比普通鏡頭要寬廣，因而需拍攝的圖像數(shù)量較少，但該方法明顯不足在于，拍攝圖像存在較大變形，需在全景圖生成之前進(jìn)行合適的校正和變換；

（3）借助普通數(shù)碼相機(jī)獲取全景圖的原始圖像，是當(dāng)前發(fā)展的一種趨勢。 它的圖像素材獲取方式比較簡單，即普通數(shù)碼相機(jī)原地旋轉(zhuǎn)拍攝，或按一定的路線平行于對(duì)象拍攝，非常適用于數(shù)碼產(chǎn)品靈活多樣的拍攝。但難點(diǎn)在于拍攝圖像的拼接，由于圖像的拍攝過程中，相機(jī)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。 原地旋轉(zhuǎn)拍攝相當(dāng)于相機(jī)固定后旋轉(zhuǎn)拍攝，旋轉(zhuǎn)角度的控制與操作者的操作關(guān)系很大。按一定路線移動(dòng)拍攝類似于平移拍攝，對(duì)于距離的控制和保持相同的成像平面也存在很大的困難。 為了減少這些不利因素對(duì)全景圖像成像質(zhì)量的影響，可以通過增加拍攝圖像的重疊度，來減小相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度、平移距離，最終避免相鄰拍攝圖像之間的不連續(xù)程度。但是，通過普通數(shù)碼相機(jī)采集圖像容易管理，在很多情況下也很容易實(shí)施，特別是在一些安置三角架或滑軌非常困難的情況下，如果通過普通數(shù)碼相機(jī)合理拍攝的話，同樣能獲得較好效果的全景圖。 本文主要針對(duì)第三種方法進(jìn)行探討。

1 普通數(shù)碼相機(jī)獲取全景圖像的方法

普通數(shù)碼相機(jī)主要采用以下三種方法獲取全景圖像：

1.1 利用數(shù)碼相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝

利用數(shù)碼相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝的基礎(chǔ)是先將相機(jī)固定在某點(diǎn)，一般使用三腳架固定。進(jìn)行拍攝時(shí)，相機(jī)固定在三腳架上，因此只能繞垂直方向的軸旋轉(zhuǎn)，為保證最終得到的系列圖像能完整拼接，要求兩鄰兩次的旋轉(zhuǎn)角度必須重合，即相鄰兩張圖像必須有部分重疊,依次旋轉(zhuǎn)一定的角度，最終獲取一系列的圖像。 需要注意的是相鄰兩張圖像的重疊區(qū)域大小是影響圖像拼接關(guān)鍵因素，重疊內(nèi)容越多，拼接就越容易。該方法實(shí)際操作中較易實(shí)現(xiàn)。

1.2 利用數(shù)碼相機(jī)平移拍攝

利用數(shù)碼相機(jī)平移拍攝是指相機(jī)在一個(gè)平行于成像平面的方向上平移。 首先固定相機(jī)的焦距，將相機(jī)放置在一個(gè)與成像平面平行的滑軌上移動(dòng)拍攝。影響圖像拼接的因素是拍攝物體的大小和其與相機(jī)距離的遠(yuǎn)近。此種方法的不足是：由于拍攝的圖像在同一平面，全景圖像的空間感覺不如第一種方法效果好。

1.3 手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)拍攝

手持照相機(jī)拍攝這種方法比較容易做到，手持照相機(jī)原地旋轉(zhuǎn)拍攝，或者按一定的路線平行于對(duì)象拍攝。但是，拼接手持照相機(jī)的照片是很困難的，因?yàn)樵谂臄z過程中，照相機(jī)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜。原地旋轉(zhuǎn)拍攝類似于固定照相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝，但是角度控制、旋轉(zhuǎn)控制都很差。沿一定路線移動(dòng)時(shí)，類似于平移拍攝，控制距離和保持相同的成像平面是很困難的。

本文圖像的獲取采用的是第一種方法。拍攝時(shí)相鄰圖像具有一定程度的重疊(一般是30%～50%)，以便于拼接而得到全景圖像。 另外，拍攝時(shí)還需特別注意天氣和人員流動(dòng)的影響，這樣可能會(huì)導(dǎo)致拼接圖像產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。 盡量避免選擇太陽光強(qiáng)烈或多云的天氣(強(qiáng)烈的太陽光可能會(huì)使某些視點(diǎn)處采集的照片因逆光現(xiàn)象而不利于后期的處理；多云陰天時(shí)各視點(diǎn)處的照片容易出現(xiàn)亮度的較大變化)，以及人員流動(dòng)量較大(可能出現(xiàn)某個(gè)人在多處視點(diǎn)的照片中出現(xiàn))等問題。

2 柱面投影算法

柱面全景圖的正投影是指將平面照片投影到柱面形成全景圖的過程；反投影是將柱面全景圖在某個(gè)特定的觀察區(qū)域投影到柱面的切平面上供屏幕顯示的過程。有很多文獻(xiàn)都給出了正投影與反投影的變換公式。

實(shí)景圖像的柱面正投影算法是為了將多張實(shí)景圖像投影到一個(gè)圓柱面上，以柱面全景圖像的形式存儲(chǔ)。 這樣一方面消除了實(shí)景圖像之間可能存在的重復(fù)景物信息，同時(shí)也得到了每張實(shí)景圖像上的像素點(diǎn)在視點(diǎn)空間中的位置信息。

數(shù)碼相機(jī)拍攝的一張實(shí)景圖像I，P（x,y）是實(shí)景圖像上的任意一個(gè)像素點(diǎn)。 P 在照相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：P(x-W/2,y-H/2,-f)其中，W和H 分別是實(shí)景圖像I 的寬度和高度。 柱面正投影示意圖如圖1 所示。

照相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與像素點(diǎn)P 的直線方程可以表示為參數(shù)方程的形式：

圖1 柱面投影示意圖

其中以數(shù)碼相機(jī)的像素焦距f 作為圓柱面的半徑，t 是參數(shù)。 圓柱面可以表示為：u2+w2=f2

聯(lián)立以上兩個(gè)方程，可以求得：

（u,v,w）是像素點(diǎn)(x,y)在圓柱面上的投影點(diǎn)Q 的參數(shù)坐標(biāo)，把所有這樣的投影點(diǎn)組合在一起便得到全景圖像。但是，參數(shù)坐標(biāo)是三維的，需要把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的圖像坐標(biāo)才便于存儲(chǔ)。 為了便于存儲(chǔ)，將此三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維圖像坐標(biāo)。 根據(jù)以下方程，可以求得像素點(diǎn)Q 的二維坐標(biāo)為(x1,y1)：

顯然同一條垂直線上的兩個(gè)像素點(diǎn)P1（x,y）和P2（x,y1），它們在柱面全景圖像上具有相同的橫坐標(biāo)x，那么它們正投影到柱面全景圖上橫坐標(biāo)x,也必然相等，也就是說，柱面全景圖中的景物在垂直方向上不會(huì)發(fā)生形變。

3 展望

本文所討論的利用普通數(shù)碼相機(jī)制作全景圖的技術(shù)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)某一個(gè)區(qū)域的全景圖像的生成，瀏覽的時(shí)候真實(shí)感，交互性都比較強(qiáng)。 但是在全景圖像的采集階段受普通數(shù)碼相機(jī)豎直視場角的限制，上方的部分圖像采集不到，導(dǎo)致最后生成的全景圖圖像不太完美。 在圖像編輯階段，由于投影算法的自身缺陷，導(dǎo)致圖像有些地方有些輕微變形，在投影的算法上可以進(jìn)行深一步的研究，如何得到廣視場角并且沒有形變的全景圖像將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。為了達(dá)到全景圖漫游的一種更強(qiáng)烈的真實(shí)感，需要開發(fā)出具有沉浸感、交互性、構(gòu)象性的真實(shí)感強(qiáng)的實(shí)景全景圖像。

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