三维场景漫游与全景拼接的关键技术研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.05M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景及学术意义

1.2虚拟现实技术(VR)

1.2.1虚拟现实技术的基本特征

1.2.2虚拟现实技术的应用前景

1.3基于图像的绘制(IBR)

1.4论文的主要工作及组织结构

第二章三维建模与漫游

2.1 3DS MAX

2.1.1 3DS MAX

2.2 VRML

2.2.1 VRML浏览器

2.2.2 VRML编辑器

2.2.3 VRML编程语法

2.2.4 VRML交互机制

2.2.5多媒体技术的应用

2.2.6光照技术的应用

2.3校园漫游系统的制作

2.3.1 3DS MAX建模

2.3.2三维漫游实现

2.3.3 Premiere视频制作

2.4小结

第三章基于SIFT方法的图像匹配

3.1 SIFT特征匹配算法

3.1.1 SIFT特征点提取

3.1.2 SIFT特征向量的匹配

3.2 SIFT在图像匹配中的应用及局限性

3.3 小结

第四章柱面全景图拼接

4.1 RGB、HSV颜色模型

4.2 Canny边缘检测

4.3 Gauss滤波器

4.4 Fourier变换

4.5 POC算法

4.6低重叠度图像的全景拼接

4.6.1 采集图像，抽样图像

4.6.2 2幂方图法检测重叠量

4.6.3柱面投影

4.6.4亮度扩散法融合图像

4.6.5实验结果及分析

4.7小结

第五章总结与展望

5.1论文总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录

图版

摘要虚拟现实技术已经成为互联网和计算机科学发展的重要方向【石教英么x陀』。当前，以网络为基础的虚拟现实技术，主要可划分为两个范畴:基于三维模型和VRML的技术和以图像为基础的全景技术。虚拟现实建模语言VRM工，是虚拟现实三维立体网络程序语言，它可以在网络上创建通真的三维场景，使虚拟世界的真实性和交互性得到更充分的体现。它能够把三维、二维、文本、多媒体信息以及脚本描述语言等集成为统一的整体，产生一种全新的交互式应用，3D环境模型成为基本用户界面模式成为现实。但VRM工构造一个三维场景时通常需要录入较多规范的数据，尤其是在建立复杂物体的三维模型时效率很低。三维动画软件3DSMAX提供了VRML的接口，它可以高效快捷地建立三维模型。VRML与3DSMAX结合运用，相辅相成，在实现虚拟现实的动态交互时达到事半功倍的效果【张金钊等创艾峙】. 全景图(Pa度叮a二)技术是近年兴起的一种表示和绘制具有照片真实感的交互式的虚拟场景的方法，以图像绘制IBR为基础，其主要特点是绘制复杂度与场景的复杂度无关。全景拼接则是其中应用较广的一种技术，它是将同一场景中的多幅有部分重叠区域的图像进行拼接，无缝地连接成一幅新的可以在水平或垂直360度全方位浏览的全景图。全景拼图再现了三维场景，可用浏览器实现虚拟场景的漫游【张洁玉2加5】0 本文在介绍了3ds~方便快捷的建模技术和VRML的漫游技术的基础上，以制作校园的虚拟漫游为实践平台，着重研究了3ds庄.x和VRML相结合制作虚拟场景的关键技术，并分别总结了研究过程中对三维模型及vRML文件的各种优化方法.文中对尺度不变特征(sIF劝算法过程的进行了深入研究，通过实验证明了5狂了算法对于图像发生平移、旋转、仿射变换后仍能提取对应的特征匹配点，具有很强的鲁棒性。但在低重叠度条件下，该方法局限性。在研究了轮廓相位相关算法和基于2幂子图像的FFT对齐方法后，提出2幂方图的柱面全景拼接算法。井在处理低重叠度图像融合时，提出亮度扩散方法消除相邻图像因亮度差异引起的拼接缝。实验表明，基于2幕方图和亮度扩散融合的低重番度图像的拼接算法具有良好的拼接效果。关键字:虚拟现实;3dsn.x;VRML;人机交互:5】FT;全景图:2幕方图中图分类号:Tr391文献标识码:A

a份Ir.d 1七etech力iq二ofvir1ualrealitybasakeadybecomethe1mponanidirectionoft址developmen.ofth。IntemelandcomPutersclence人pleseni，the朋卜刀优k-basedtechnjqueofvirtUalrealitycanbomainlyseParatedintO卜刀ocalegories:t址定忱h苗quesbasedonthe3Dmode1andVRMLandthepanora而c加比aiq叱sbased叨theimage TbeVRMLisanetworkProgramnunglan朗a罗ofv云tualrealityand3D，itcanbuilduPaliving3Dsceneonthel吹rnettorePresentrDoreenougktheexCel1entrealityandinterac1ioninthevirtualworld.VRMLcangenerateanewaPPlicati叨ofinteraCtion，whicbcouldmaket加3Dmodelasthebasicinte对触份oft加理沈rbyintegrateingt址3DObjects，ZDobj.c招，texts，庄川lti砒diai刘rorn.tiou皿dscriPtdescriPtionla.guageetC.HOwever，whenwcusetheVRMLtoconstruCt3DsenCe，weusually吟dmanynormativedata，FurthermOrewbenwebujlduPacomPlicated3Dmod氏t址efficiencyisverylow.Astheresultweusethcinterfacethattbe3DSMAXProvl业dtoVRM甄whichcanbuilduP3Dmodsle伍cienUyandquickly.COmbiningtheVRMLwithtbe3DSMAX，wecouldgetthe址ghperformanceresulttorealizethedyna而cinteraCtionoflhevirtualreality. 丁、ePanora而ctechniqueisamethodariseninre优ntyears，w址chrePresentandrendertheinieract加gvirtuai~初ththerealisticsenseofPhotosT七ctechn宜q此basesonIBR，tbemain伽tureofthet忧画queisthatthec0mP1exityofrenderingisirrelcvaattothecomPlexityofsccne.The钾noramamosaicisuscdmorcwidslya〔00ngtbese俘nora而ctech苗ques，whichmosaicmulti一imageswith伴rtialoverlaPPinginthesa皿scene，stit比哭amlesslyintoanewPanoramawhichcanbebrowsedathor让ontalorvertica1360degreesall.directions江七ePanoramareappearancedthe3Dscene，canrealizethecruiseinthevirtualsceneint加browser. 丁七e3DSMAXcouldbuilduPt址modelqulcklyandeasily，ont址practicalbaseofb吐dingthecrulseofthevirtualcamPusweemPhas祖etostUdythe址yte比niqueofbuildingthevirtualscenecombiningthe3DSMAXwiththeVRM甄andsu砂rizesomeoPtimalmelhodsonthe3Dmode1sandtheVRMLfileundertheresearchWemadet加extensivelyresearchandexperl解n吐oftheSIFT，Provedt址5】Fl，algori山mcoddstilIextractrObustlythecOrres卯ndingcharactermalc址ngpointsw址ntheimagewassufferedthetransformation，rotation，.任加ctransformatio玩ete.Butundert加conditionof阮lowov闭aPoftheadjacent泛ma罗5，thisme之加disoutofe月免cL冉力er桃化searcbt址algorlthmofthecon拍uz一basedPhaseofcorrelationandtheali酗ngmethodacco犷dingtoFFfba阴donZ一Pow耽su卜ima罗，Putfo户丹ardthemethodofthecylindricaIPan0ramamosaicba那donZ一POwersqua传ima罗.Blendingimages戒ththelowo，er】aP，abright一di任。se哪thodisPutfe，ardto爬movethebright9叩caus比bythebrightdiffe化毗bwl比ntheadjaceniima罗5.孟讼少wo从，;virtualreality;3dsmax;VRML;Human-Computerln吐eraction;SIFI飞Panorama;lw0一卯wersqllare一lrnage

原创性声明原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者独酬日期:鲤.粤匕关于学位论文使用授权的声明本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅;本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名:鱼革一导师签名阵置鱼日期:鹦压纽

第一一章绪论第一章绪论近年来，虚拟现实技术一直是计算机应用领域的研究热点之一，其特点是利用计算机多媒体技术在计算机系统中创建真实世界的仿真环境，通过计算机的硬件设备来模拟人体的视觉、听觉、味觉和触觉等真实感知，使参与者在其中产生与在真实环境中相同或相似的体验。根据人类的生理特点，在各种感知中视觉感知占即%。因此在虚拟现实技术的研究中，视觉的模拟(虚拟场景的生成)占有十分重要的地位，是虚拟现实中最为关键的问鹿。1.1课题背景及学术意义虚拟现实实际上是一种具有三维世界效果的模拟环境(如飞机驾驶舱、高危害的实验操作现场等)。同时还可以通过各种传感设备，使用户融入到该环境中，实现用户与该环境进行直接交互操作，并产生与现实世界中相同的反馈信息，使人们得到与在现实世界中同样的感觉。它实际上就是一种先进的人机接口，为用户同时诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度的方便用户的操作。当人们需要构造当前不存在的环境和人类不可能到达的环境或构造虚拟环境以代替耗巨大的现实环境时，虚拟现实技术是必不可少的。但在虚拟现实的场景中，景物通常是比较复杂的，几何绘制技术在实时绘制时显然计算量太大，常常需要专用的图形硬件，而且绘制时间依救于景物的复杂程度。由于真实世界中场景是由形形色色的不规则形体、千差万别的表面纹理和反射特性以及复杂的光照效果等形成，因此对复杂真实世界的建模与绘制，几何绘制技术显得无能为力。而基于图像的绘制技术(扭R)提供了较好的方法来解决几何绘制技术的这个难题，从而成为计算机图形学领域的一个新的研究热点。田R技术所采用的数据模型是实际场景的照片或几何模型绘制的图像，利用真实场景的图像作为虚拟场景的表示形式，真实地再现了真实场景的视觉信息，生成的场景视图的质量远远优于几何绘制技术;而且交互视图的生成速度与景物的复杂性无关，仅与待显示的图像的分辨率及相应的生成算法有关;视图生成算法计算量不大，能够在工作站和PC机上实时完成.因此mR技术在真实场景的建模与绘制方面有巨大的优势，在虚拟现实的场景生成之中，可以产生更加接近真实世界的虚拟环境，为虚拟现实技术提供新的实现途径。本文是在教育部春晖计划项目:“基于网格技术的喀斯特地形数字博物馆理论基础研究，课题支持下展开研究的，文中探讨了基于3DSMAX三维建模与 1VRML相结合实现三维场景的人机交互

第一章绪论和全自动漫游的关键技术，研究了鉴于2幕方图拼接低重叠度图像的柱面全景图技术，提出了2幕方图方法和亮度扩散融合法。1.2虚拟现实技术仪R) 虚拟现实技术是一种全新的计算机技术，它是对现实的模拟或对想象的仿真.虚拟实现技术本身具有与众不同的特点:(1)虚拟现实技术可以提供一个由计算机生成的给人们视觉、听觉或触觉等感官刺激的虚拟环境.仍虚拟现实技术强调计算机生成的虚拟环境应给人一种身临其境的沉浸感。(3)虚拟现实技术强调人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作。虚拟现实技术能提供给人身临其境感觉的虚拟环境，人机之间以人所熟悉的自然方式进行交互操作，能给人丰富的想象力和直觉，从而有利于恶劣、危险环境的仿真。虚拟现实技术还可以替代制造业的实物样机，是虚拟设计和制造的核心技术，能大大缩短产品的开发周期，大量节约产品成本。虚拟现实技术又是协同工作、教育、培训的理想工具。迄今为止，虚拟现实技术在航空航天、汽车工业、重大工程认证、生物信息科学、虚拟手术、科研、教育和文化娱乐业等已获得广泛应用。虚拟现实技术也向科技界和产业界提出了新的挑战，例如关于嗅觉和味觉的建模和传感技术，关于视觉、听觉和触觉的建模和再现技术，要达到高度真实感和实时性仍然有较大的距离，有待进一步改进、完善。L之1虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术具有以下三个基本特征，通常称为31特征(表1一D。只要能达到交互和沉浸的目标，就可以充分发挥想象力的作用把各种技术有效的集合起来设计出一个成功的虚拟现实系统。襄1_1盛拟现塞枝术的31特征沉浸性(月而一) 交互性(加难‘r.目1.) 想象力《加.砂叫1.)虚拟现实技术是根据人类感官的生理心理特点，由计算机产生通真的三维立体模型。使用者!身于虚拟环境中，与虚拟环境中各种对象的相互作用，有一种身临其境的感觉，即沉浸感，实际上是一种在虚拟世界中的幻觉.在虚拟现实系统中，使用者不仅可以利用电脑键盘、暇标对虚拟环境中的对象进行考察或操作，虚拟世界中的对象也能够实时的做出相应的反映。在人机交互过程中，使用者能够对虚拟环境进行实时的操作，能从虚拟环境中得到反馈的信息，也能使系统了解使用者的位里、状态、变形等各种系统需要的数据。作为虚拟世界的创造者，想象力己经成为虚拟现实系统设计中最关键的问题之一，虚拟现实系统针对某一特定领域，解决某些问题的应用。

第一章绪论LZ.2虚拟现实技术的应用前景虚拟现实技术的应用极为广泛，如在医学方面，建立的虚拟环境，包括虚拟的人体模型与器官、虚拟的手术台与手术灯、虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等)等，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。如果增加网络功能，可实现远程遥控外科手术。在娱乐方面丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟实现成为理想的视频游戏工具，大大增强了娱乐趣味性。虚拟现实所具有的沉浸感与交互能力可以将静态的艺术作品转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，还可以去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。在军事上设计一个“模拟战场”，进行大规模高科技军事演习，既可节省大量费用，又使部队得到了锻炼。在航空航天发射中，可以制造出一个“模拟航天器”，模拟整个航天器的生产、发射、运行和回收的全过程，从而可以节约大量的经费，大大降低危险性。、随着相关硬件、软件成本逐渐降低以及技术方面不断取得新的突破，虚拟现实技术的应用领域还将迅速扩大。在不久的将来，虚拟现实技术将深入到人们的日常工作与生派虽然虚拟现实技术还不够成熟，但它在许多领域都有潜在的应用。它作为一门新兴的学科，无论是在航空、航天、船舶、医学、制造等高技术领域，还是在教育、娱乐、商业等方面都显示出了诱人的应用前景.1.3基于图像的绘制《.BR) 传统图形绘制技术均是面向几何模型而设计的，因而绘制过程涉及到复杂的建模、消隐和光亮度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对高度复杂的场景，现有的计算机硬件仍无法实时绘制简化后的几何场景。因而如何在只具有普通计算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制成为需要解决的实际问题，IBR技术就是为实现这一目标而设计的一种全新的图形绘制方式。该技术基于一些预先生成的图像来生成不同视点的场景画面，与传统绘制技术相比，它有着鲜明的特点: (1)图像绘制与场景复杂性无关，只与绘制图像的分辨率有关。 ②图像绘制使用的图像可以是实际拍摄的画面，也可以是计算机制作的，或者两者混合使用。 (3)图像绘制技术对计算资源的要求不高，可以在个人计算机上实现复杂场景的实时显示。图像绘制技术的方法是，在一给定视点处向各个方向拍摄(如环拍一周)，得到一组全方位的图像，将它们拼接成一张全景图像.如果要在场景中漫游(如前进、后退、左右转动)，就需要建立不同场景位置的全景图，然后通过视图插值或变形来获得临近视点对应的视图。扭R技术是新兴 3

第一章绪论的研究领域，它将改变人们对计算机图形学的传统认识，从而使计算机图形学获得更加广泛的应用。基于图像的虚拟现实技术是目前虚拟现实研究领域中最为活跃的研究课题之一。虽然目前用基于图像绘制技术表示虚拟场景的各种技术都获得了较大发展，但是最接近于实用的还是全景图技术，这是因为作为一种场景存储和显示方式，一方面全景图技术要求的数据量不大，绘制的速度较高，另一方面也有一定的交互能力，能在一定程度上模拟用户的现场视觉感受，因而全景图技术具有重要的应用价值。基于图像技术的全景虚拟的优势:(1)真实性强，实景场景的通真摄影表现。(2)播放设备硬件要求低，普通个人计算机均可播放，无需专门工作站。(3)开发周期短，开发成本低。(4)拍摄制作比三维制作速度快，采样简单，样本少;减少了信息的冗余，没有重复像素;数学模型简单，场景用二维描述;场景重现仅需对全景图重投影。(匀导览性、交互操作性强.曲画面质量高，高清晰度的全屏场景，令细节表现完美。(力数据量小，非常适合网络式访问观氰王俊杰以犯3】. 目前全景图技术己经出现了许多成熟的应用系统，如几以。vista旧帅k比二VR，尔nPao.，切。d的COO13印。以及现在许多数字相机上带的全景图功能【Dy肠2创刃1.这些都是基于柱面全景图技术的系统。1川‘功elPid业eCO印.的】Plxlmn姆rsiveln叼ge是利用鱼眼镜头生成的球面全景图系统。1.4论文的主要工作及组织结构论文主要的研究工作有在以下几个方面: (1)基于3山~的三维建模和VRML的虚拟漫游关键技术研究在介绍3ds立.x方便快捷的建模技术和VRML的漫游技术的基础上，着重研究了3dsn.x和VRML相结合制作虚拟场景的关键技术。以制作虚拟校园为出发点，以快速高效地建模为目的，探讨了三维建模的规划方法和道路、房屋、地形、假山、花草树木等模型的建模方法。为尽量控制场景模型的复杂程度，采用了精简模型、压缩纹理、用纹理贴图代替复杂模型等优化方法。探讨了VR毗复杂场景中交互关键技术，利用各种传感器、插补器、路由、Ja，a&幻详脚本实现复杂的人机交互动作和响应。通过运用各种技巧，使文件优化，控制文件的大小，同时减少网络通信量和浏览器的计算量，如:大规模场景模块化、场景调用和互动、节点定义与重用、原型构造、VRML文件压缩。为了改善大型场景中的浏览速度问题，在VRML中进一步采取一些优化措施:限制可见距离、根据远近控制模型细节层次、根据需要选择细节与轮廓。 (2)尺度不变特征(sIFn算法的研究 SIFT算法是英属哥伦比亚大学(U日0)David助we在2(X抖年总结了现有的基于不变量技术的特 4

第一章绪论征检测方法的基础上提出的，该算法对于图像发生平移、旋转、仿射变换后仍能提取对应的特征匹配点，具有很强的普棒性。但本文在深入研究该算法的实现过程后，发现算法在进行低重叠度图像拼接时，具有局限性。这是由于算法在提取特征时，为了保证特征点的稳定性，消除了边缘特征点造成的。本文在这个研究基础上，提出了基于2幕方图的低重叠度图像拼接方法。 (3)基于2幕方图的图像拼接方法研究在研究了轮廓相位相关算法和基于2幕子图像的FFr对齐方法后，提出2幕方图的柱面全景拼接算法。该算法主要特点是，取相邻两图像的2幕方图作为匹配区域，由于2幕方图在重叠区域中所占面积较小，既降低了待拼接图像重叠度的要求，又减少了对非匹配点的相关计算，且减少了相似但不是正确匹配区域信息的干扰，提高了匹配的稳定性:由于2幕方图的长和宽都是2的幕，可以加快FFr的收敛速度，提高FFT效率，且不影响图像的对齐结果。 (4)亮度扩散融合方法研究在处理低重叠度图像融合时，提出亮度扩散方法消除相邻图像因亮度差异引起的拼接缝。亮度扩散融合方法是指在重叠区域图像亮度从较亮的区域向较暗的区域渐变，具体实现方法是，在重葺区域中提取两块对应的小图像，将其颜色模型从RGB转换到HSV中，然后求出这两块小图像的亮度比，再根据比值判断重叠区域的亮暗，通过加权因子使亮度由较亮区域向较暗区域逐渐变化，也就是进行亮度扩散，使亮度从重叠区向图像中间平缓过渡，然后将实际重盛部分融合。这在低重叠’度图像重叠边缘上亮度渐变，从而使拼接后的图像亮度在拼接处平缓过渡。本文共分成五个章节，内容如下: 第一章介绍了本文研究课题的背景及意义，概述了虚拟现实技术的基本特征和应用前景，给出了本文主要研究内容。第二章首先介绍了三维建模工具3DSMAX的特点、对象定义、对象的创建与修改以及材质与贴图。然后介绍了虚拟现实建模语言VRML的发展、浏览器、编辑器，VRML的核心内容编程语法及交互机制。以制作校园虚拟漫游为实践平合，阐述了3D建模的规划、模型的建立方法及一些建模的优化技术。关键在采用VRML设计虚拟场景的交互与漫游，并对VR侧[L文件及漫游进行优化。简述了采用P比面ere制作虚拟场景的视频方法。第三章综述了基于尺度不变特征变换5开T方法的图像匹配，阐述了5】FT特征点的提取过程:求尺度空间极值点、定位特征点、计算特征点方向、确定特征点描述子。利用提取的特征点进行图像的匹配，最后通过实验将SIFT应用于图像拼接。第四章首先介绍了柱面全景拼接的相关算法及知识要点:RGB和Hsv颜色模型、Canny边缘

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