張雨澤

【摘 要】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的場(chǎng)景搭建過程復(fù)雜，制作周期漫長。文章通過利用無人機(jī)航拍結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的三維模型重建技術(shù)來解決虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景搭建中存在的問題，采用了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、圖像處理、計(jì)算機(jī)自動(dòng)化等方法進(jìn)行場(chǎng)景搭建，并對(duì)該方法的優(yōu)勢(shì)和前景進(jìn)行探討，為類似的生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量；虛擬現(xiàn)實(shí)；圖像處理

一、無人機(jī)的發(fā)展

無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”（unmanned aerial vehicle，UAV）。早期的無人機(jī)多用于軍事鄰域，是基于戰(zhàn)爭(zhēng)需求而研發(fā)問世的。隨著通訊、計(jì)算機(jī)以及半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)制造技術(shù)也得到了巨大的改變，并通過產(chǎn)品的迭代趨于成熟。在無人機(jī)的迅速發(fā)展過程中，越來越多的生產(chǎn)領(lǐng)域根據(jù)生產(chǎn)用途研制出不同的無人機(jī)，例如測(cè)繪行業(yè)的測(cè)繪無人機(jī)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)用無人機(jī)，氣象領(lǐng)域的氣象無人機(jī)、巡查無人機(jī)等。近年來，消費(fèi)型無人機(jī)逐漸走入大眾的眼球，諸如“大疆”之類的無人機(jī)品牌通過生產(chǎn)便攜的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，降低了無人機(jī)使用成本，進(jìn)而擴(kuò)展了無人機(jī)的使用鄰域。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中去。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)。

近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展，一大批生產(chǎn)廠商投入到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)當(dāng)中。在今年年初的CES 2016上，涌現(xiàn)出許多VR設(shè)備：三星Gear VR、HTC Vive、Oculus VR。用戶可以通過這些VR設(shè)備的頭戴式裝置配合手柄等傳感器來體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景。這些VR設(shè)備的進(jìn)步同時(shí)也推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。

三、技術(shù)原理

利用無人機(jī)航拍所獲取的圖像進(jìn)行三維模型的重建需要將二維的圖像轉(zhuǎn)換為三維的場(chǎng)景，三維的場(chǎng)景再通過加工產(chǎn)生出具有真實(shí)感和能實(shí)時(shí)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

（一）航拍圖像的預(yù)處理。航拍圖像在無人機(jī)拍攝過程中會(huì)受到大氣、輻射以及相機(jī)的內(nèi)外因素等造成的誤差，圖像在進(jìn)行生產(chǎn)前的預(yù)處理工作可以提高圖像精度方便后續(xù)工作的進(jìn)展。常采用的圖像預(yù)處理的方法有：圖像拉伸、大氣校正、輻射校正、圖像濾波等。

（二）數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用。目前市場(chǎng)上的航拍無人機(jī)都搭載了用于導(dǎo)航的定位系統(tǒng)。無人機(jī)在拍攝每一張航片圖像的同時(shí)會(huì)根據(jù)規(guī)定的坐標(biāo)系統(tǒng)記錄拍攝點(diǎn)的經(jīng)度、緯度以及高程等信息。并在生成圖像的同時(shí)將這些信息錄入到圖像文件中。在無人機(jī)航拍過程中會(huì)對(duì)航拍的影像設(shè)置重疊率數(shù)值，航拍結(jié)果是相鄰圖像間存在一定的重疊部分。計(jì)算機(jī)通過對(duì)兩張相鄰圖像進(jìn)行基于灰度到基于特征或者基于符號(hào)描述的關(guān)系的自動(dòng)化匹配處理高效地提取出兩張圖像間的特征點(diǎn)、特征線或是特征面。計(jì)算出同名地物在兩張圖像上的相對(duì)坐標(biāo)，再根據(jù)圖像文件中記錄的拍攝點(diǎn)坐標(biāo)信息以及相機(jī)焦距等信息，基于各點(diǎn)在空間中的幾何分布，利用函數(shù)關(guān)系求解同名地物的坐標(biāo)。進(jìn)而通過上述方法生成拍攝區(qū)域的連接點(diǎn)和點(diǎn)云。

（三）圖像處理生成三角紋理。利用圖像處理的技術(shù)將圖像上的信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理生成三維場(chǎng)景中三維模型的紋理，并附著在三維場(chǎng)景上增強(qiáng)三維場(chǎng)景的顯示效果

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)處理。在虛擬環(huán)境中，僅僅建立靜態(tài)的三維幾何體并不能滿足虛擬現(xiàn)實(shí)的要求，物體需要一個(gè)相對(duì)坐標(biāo)來支持虛擬場(chǎng)景中的移動(dòng)，以及碰撞檢測(cè)來維持虛擬場(chǎng)景下的基本物理原理。虛擬場(chǎng)景中還需要人為的添加模型的渲染效果，例如陰影、光照等來增強(qiáng)用戶的真實(shí)感和沉浸度。除此以外，還需要建立行為模型來完成用戶與場(chǎng)景的交互。

（五）數(shù)據(jù)導(dǎo)出及運(yùn)行。將處理后得數(shù)據(jù)導(dǎo)入到存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件對(duì)搭建的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。最終將數(shù)據(jù)打包發(fā)送提供給用戶下載使用。

四、優(yōu)勢(shì)與前景

傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立采用的AutoCAD、3DMAX、SketchUp、MultiGen等三維建模軟件進(jìn)行建模處理，這些建模軟件在局部小場(chǎng)景下可以發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，不過由于采用人工操作建模，面對(duì)較大范圍場(chǎng)景就存在制作周期長的弊端。以SketchUp為例，建立指定區(qū)域內(nèi)三維場(chǎng)景首先需要通過對(duì)遙感數(shù)據(jù)矢量化獲取地物的底面數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp軟件中進(jìn)行拉伸、細(xì)節(jié)處理以及貼圖等操作，這些操作都存在一定的制作周期。當(dāng)此操作采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理及算法對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)化處理后，所有的操作都可以由計(jì)算機(jī)獨(dú)立完成，建模效率得到大幅提高，同時(shí)場(chǎng)景的更新周期也大幅縮短。

采用無人機(jī)航拍圖像建立虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可以高效、真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，進(jìn)而為各領(lǐng)域的生產(chǎn)生活提供便利。這種技術(shù)可以廣泛的運(yùn)用于軍事、交通、教育、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。例如可以通過對(duì)該技術(shù)進(jìn)行模擬軍事演習(xí)、模擬駕駛考試、模擬消防演習(xí)等等。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正處在快速發(fā)展階段，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與計(jì)算機(jī)設(shè)備在性能和價(jià)格上的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或許會(huì)像PC一樣成為現(xiàn)代家庭的必須品，市場(chǎng)的空缺勢(shì)必會(huì)促進(jìn)虛擬場(chǎng)景搭建技術(shù)的發(fā)展。

五、結(jié)語

無人機(jī)航拍圖像三維重建運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建立需要以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)作為基礎(chǔ)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和圖像處理等作為制作手段，通過高效地計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理來實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。該方法在通過對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，將自動(dòng)化的理念充分的運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中，解決了傳統(tǒng)方法的諸多問題，能更好的投入生產(chǎn)生活，為社會(huì)生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒湘軍，孫建，何漢武.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（09）：1905-1909.

[2] ToniSchenk.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[3] 翟麗平.基于MultiGen的虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.