一種可量測立體全景的構建方法

孫 敏，董 娜，余京蕾，2，鄭 暉，3

(1．北京大學遙感所，北京100871;2．北京市第一六一中學，北京100031;3．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083)

一、引 言

全景可以提供真實現實360°方位的瀏覽效果，如Google Earth上的街景，可以彌補衛星影像單一的高空視圖，可在地面的多方位瀏覽實景。國內外研究者研發了許多利用全景進行現場監控的裝置和應用軟件甚至系統，如國內一些公安部門將全景應用于小區安全調查。

在商業領域，也出現了一些全景相機與全景獲取裝置，如圖1所示，這些相機與獲取裝置采用不同的方法，在拍攝時可一次性獲取360°的影像，并可實現自動拼接。

圖1 一些典型的全景相機及全景獲取裝置

目前這些設備構建的全景其原理是通過將拼接后的全方位影像投影到幾何體，包括立方體、圓柱體、球體等，從而構建一個三維的模型，將觀察點設在該模型的中心，從而使觀察者可以瀏覽到全方面的景觀。顯然這種方法構建的全景并不具有真實的立體效果，同時這種全景并不能提供給用戶具體的位置和場景中目標的其他屬性，對于測繪與地理信息系統領域的學者而言，其與地理信息系統有相當大的差距。

從地理信息系統角度而言，盡管現有三維地理信息系統可以提供非常逼真的現實仿真效果，但這種三維地理信息系統的構建是一項非常耗費人力與物力的過程，且其主要目的旨在提供逼真的現實環境仿真效果，與之相比，全景則可以非常簡便地對真實環境加以表達，盡管全景并不具有真實的空間信息，但在視覺效果上，卻優于前者，且數據獲取簡便快捷。

為此，本文提出一種可以與地理信息系統相融合的立體全景構建方法，一方面在視覺上提供逼真的三維效果，另一方面可使之與地理信息系統簡便整合，并在需要的情況下，提供空間量測功能。

國內有人針對立體量測的需要，研發了一種可量測系統[1]，但其原理是通過上下移動全景獲取裝置而得到立體，這種上下視差構造的立體不適合人眼水平觀察。

此外，在立體全景的研究方面，Peleg等人10年前就提出了使用單個相機構造立體全景的方法[2]，但該方法旨在構造一種視覺立體，并沒有考慮后期可量測的應用。為了實現較好的量測精度，應具備較長的基線。Wang等人提出了一種可以改變視差的立體影像生成方法[3]，而Huang等人提出了一種在瀏覽過程中改變視差的方法[4]，其目的均是為了便于瀏覽，因為立體全景影像在瀏覽過程中，由于縮放會改變視差，所以適當地調整視覺有利于改善立體觀察效果。

與這些研究成果相比，本項研究旨在探討一種一方面可以提供理想的立體瀏覽效果，另一方面可以提供具有一定量測精度的立體全景構建與量測方法。下面首先闡述立體全景模型構建的基本原理與過程。

二、立體全景模型構建

在本項研究中，立體全景是攝影測量中立體相對概念的延伸，普通全景在一個固定位置旋轉360°拍攝，而立體全景需要在兩個位置進行拍攝，下面闡述如何獲取理想的立體全景數據。

1．立體全景數據獲取

如圖2(a)所示，如果使用現有全景相機，則構建立體全景只能采用在兩個位置處分別安放全景相機，或使用普通相機在兩個位置處理分別旋轉360°拍攝，其結果是在兩個相機位置中心的連線方向，由于不存在視差，因而沒有立體觀察效果，也難以進行量測。

在本研究工作中，采用圖2(b)的方案，即將兩臺相機放置于一條基線上，兩臺相機同時對稱地繞基線上的某個中心旋轉360°拍攝，由于拍攝過程中，相機投影軸保持平行不變，因而不僅保證了全方面視差的存在，而且當相機位置固定準確時，可一次性獲取較好的核線影像，在2(a)的情況下，還需要對兩幅全景影像進行匹配校正，以確保立體觀察時所需的核心排列。

圖2

考慮后續量測的需要，研制了一個立體全景獲取裝置，如圖3(a)所示，該裝置頂部放置相機的基線板上具有精確到毫米的刻度，相機可以滑動，從而在拍攝前人為確定其基線長度;其次在基線板中心，安置了一款MTI動態陀螺，其不僅可以實時測量姿態信息，也可以測量位置信息，從而使拍攝后的全景具備位置與方位信息，在后續量測過程中，可以快速地獲取目標物的真實位置信息。

由于兩個相機同步獲取對應的影像，因此在對序列影像分別進行自動拼接后，按基線與人眼瞳距的比例，可自動合成紅綠立體影像(在三維顯示器上可合成真彩色立體影像)，如圖3(b)所示為合成的立體全景局部效果。

2．立體全景的構建

如圖4所示，拼接后的全景圖通過紋理映射到圓柱面上，在瀏覽過程中，將觀察點固定在圓柱體的中心，則用戶視覺上會有一定的三維沉浸感。顯然這種三維效果僅僅是由于影像內容與紋理的適當形變產生的，用戶觀察的本質上仍然是一張二維的圖像。為了使觀察效果具有真實的立體感，用上一節獲取的立體全景影像替代普通全景影像，映射到圓柱面上，則得到立體全景模型，用戶利用紅綠眼鏡觀察可得到具有真實沉浸感的立體效果。

圖3 本項研究制作的北京大學東操場立體全景(局部)

圖4 全景模型的構建方法(上圖是普通全景模型構建，下圖是立體全景模型構建，兩者的區別在于，前者使用單張全景圖，而后者使用立體全景圖。)

三、立體全景模型的量測方法

如圖5所示，由攝影測量理論可知，立體像對可構成前方交會，當基線長度L已知，兩相機內參數已知，同名像點坐標已知時，則目標點P的坐標可以簡便地求出，此時P點坐標可選基線AB的中心點C為參考原點，AB為X軸，過C點垂直于AB的方向為Y軸。假設基線中心點C的坐標已知，且Y軸相對于北方向的方位已知，則不難得到P點的真實地理位置。

設目標點平面位置為M(x，y)，基線長為B，相機焦距為f，視差為d，目標點在左視圖上的水平坐標為a;又設基線中心點位為S(x，y)，過S垂直與基線的方位為θ，則M的坐標可簡便地由下式得到

在全景情況下，像對不再是單幅影像，而是由序列影像拼接形成的一幅完整影像，假定360所拍攝影像幅數為n，則如圖5所示，可將圓柱面全景近似為一個n邊形，每邊的張角為2π/n。由于每幅影像在拍攝時同步記錄了其方位參數，故每條邊的影像可視為一個獨立的立體像對單獨處理，從而使全景的量測問題轉換為單幅立體像對的量測問題。

圖5 立體像對上同名點的簡單計算原理

四、試 驗

為了驗證本文所提方法，開發了一套量測軟件，如圖6左邊所示為其界面，用戶讀入全景，可在全屏模式下瀏覽使用紅綠眼鏡觀察立體，在量測時切換到窗口模式下。由于量測時需要選取同名點，使用兩幅原始全景影像更有利于同名點的選取，因此讀入左側全景，并在小窗口內放大鼠標所在位置，同步在另一小窗口內放大右側全景對應的位置，從而用戶可以十分方便地使用鼠標選擇同名點。通過同名點可得到左右視差，即可方便地利用第3節所述內容求得所量測點的三維位置。

圖6展示的即為構建的北大操場的立體全景，為了驗證量測的精度，選取Google Earth影像地圖上對應的北大操場部分，就其上一些建筑物的特征點進行了量測，量測了實際測站點到這些特征點的距離，并與立體全景量測的結果進行了比對，如圖7所示。

圖6

圖7 立體全景量測距離與在Google Earth影像地圖上量測的實際距離比對結果

結果表明，立體全景測量結果與實際距離相比存在較大的誤差。其原因是多方面的，在本項研究工作中，假定固定在圖3(a)基線板上的兩部相機其主光軸處于平行狀態，且垂直于基線，同時相機內參數的校正是精確無誤的;此外，在量測計算時假定全景是由圖5(c)所示的n邊形構成的，且MTI傳感器的測量誤差也沒有加以考慮，從而測量的結果存在較大的誤差，在后續的工作中，這些因素均需作進一步深入的研究。

五、結 論

在本項研究中提出了一種簡單的構建可量測立體全景的方法，為全景的可量測性提供了一種行之有效的解決途徑。目前的量測精度較低的主要原因是基線中心的位置與姿態，以及兩部相機間的姿態關系測量誤差較大，且采用了普通數碼相機，對相機沒有進行較為嚴格的檢校，此外，盡管采用了可以調整長度的基線，但長度仍然較短，對于稍遠目標前會交會所形成的頂角仍然非常小，致使影像點坐標的量測誤差對結果的影響非常嚴重，這些問題，將在后續的研究過程中做深入的探討。盡管如此，對于大多數對測量精度要求不高的應用領域(如公安監控、考古調查、旅游娛樂、交通運輸等等)，該量測結果完全可以提供較好參考。

[1]河南博斐科技有限公司．公安現場三維全景重建及測量系統[EB/OL]．[2012-07-11]．http：∥ www．bofeitech．com/cpshow．asp?id=409

[2]PELEG S，EZRA M B，PRITCH Y．OmniStereo：Panoramic Stereo Imaging[J]．IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2001，23(3)：279-290．

[3]WANG C，SAWCHUK A A．Region Based Stereo Panorama Disparity Adjusting[C]∥Proceedings of the IEEE Eighth Workshop on Multimedia Signal Processing．Victoria：[s．n．]，2006：186-191．

[4]HUANG F，KLETTER．Stereo Panorama Acquisition and Automatic Image Disparity Adjustment for Stereoscopic Visualization[J]．Multimedia Tools and Applications，2010，47(3)：353-377．