可移動升降式全景平臺的設計與實現

楊兆瑛 ，楊兆龍，杜明義，蔡國印，劉揚

(1.北京建筑大學，北京 100044;2.山東中成信建設項目管理有限公司，山東臨沂 276004)

1 引言

全景是一種新興的富媒體技術，其與視頻，聲音，圖片等傳統的流媒體最大的區別是“可操作，可交互”。利用單反相機或街景車拍攝實景照片，經過特殊的拼合、處理、現實技術，呈現出的真實的場景，其代表有全景客(景區全景)，搜搜街景(城市街景)等。全景影像給人以三維立體感覺的實景360°全方位圖像，全面展示了360°球型范圍內的所有景致，最大限度保留了場景的真實性，能給人以三維立體的空間感覺，使觀者猶如身在其中。

目前，國內外許多全景平臺是將4臺或6臺配備魚眼鏡頭的單反數碼相機安裝到特定的支架平臺，平臺須保持嚴格的水平方向。每臺相機除采用底部固定裝置外，還須采用托架與可控制橡膠墊減弱相機的抖動程度，將相機的控制線連接到時間同步器的精確授時和控制系統，以保障多臺相機能夠在同一時間完成拍攝工作。

通常所設計的影像平臺是集成安裝于專用的車輛載體上，平臺與車輛之間通過支架利用結構件及螺絲固定，這對車的內外改造程度大，車輛只能用于工程數據采集，而損失了其本身特性，對車本身造成了資源的浪費。一旦車輛出現故障，便無法進行數據采集;全景相機的固定高度對于車輛能否通過限高的交通設施增加了不確定性;當一段時間內不需要進行數據采集時還要對車輛及平臺設備進行存放、保養維護。

針對上述平臺所存在的問題，通過對平臺改進，實現將GPS、INS、全景相機、竹節式電動升降柱等傳感器設備集成到平臺上。利用6個吸盤將整個平臺固定于任意車輛載體上，其中4個真空吸盤用于固定平臺，一后一前兩個可調節高度與方向式吸盤用于固定GPS主從天線。通過竹節式電動升降柱調整相機高度，避免了受限高的影響，同時還可以有效控制全景影像中地物的形變。

2 全景平臺系統設計

本文旨在設計一種平臺系統，該平臺系統通用性強，對任意車輛都可使用，對于平臺系統的安裝與拆卸方便快捷，不需要對車進行任何的改裝，能夠隨時對相機進行高度的調整，既能避免了受到限高交通設施的限制，同時又可以針對不同高度的地物實時調整相機高度，達到最佳的拍攝效果。

平臺系統主要包括3個部分，即輔助部分、核心部分、數據部分。其中輔助部分包括車輛載體、移動平臺、升降柱、吸盤、電源等，這一部分主要用于輔助儀器設備采集數據，車輛作為整個平臺系統的載體，為數字城市建設中城市影像與地圖的采集與更新節省了時間;移動平臺為固定儀器提供了環境條件;吸盤方便了平臺及儀器的安裝與拆卸;升降柱為全景相機采集影像數據獲得更佳效果提供了保障，同時擴充了平臺系統的適用性;電源為各類儀器設備提供所需電量。核心部分包括系統控制器、全景相機采集器、組合慣導系統，系統控制器通過接口及軟件控制全景相機采集器與組合慣導系統采集數據，并將這兩種儀器所采集的數據實時顯示、存儲;全景相機采集器接收慣導系統發送的脈沖信號采集影像數據，并自動處理影像，使影像達到最佳效果;組合慣導系統負責采集位置坐標數據、姿態速度數據以及時間信息，同時按設定時間給全景相機發送脈沖信號，觸發其進行影像數據采集。數據部分包括全景影像數據、位置坐標數據、姿態速度數據以及時間信息，通過時間將全景影像數據與位置坐標數據、姿態速度數據實現同步。全景平臺系統總體結構圖如圖1所示:

圖1 全景平臺系統總體結構圖

3 系統實現及關鍵技術

3.1 系統概述

遵循模塊化設計原則，平臺按照功能劃分為6大功能模塊:全景影像采集模塊、定位定姿模塊、相機升降模塊、系統控制模塊、平臺及固定模塊以及供電模塊，如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

可移動升降式全景平臺系統采用Ladybug3全景相機采集全景影像數據，通過遙控電動升降柱升降調整相機高度，利用SDI－600GI雙天線光纖組合慣導系統實時獲取位置坐標數據、姿態數據以及時間信息等，以鋁合金材料的矩形板作為平臺，通過球型云臺與可調節角度與高度式真空吸盤將整個平臺系統固定于車輛載體上。以Dell工作站筆記本電腦作為總控制器，控制各系統傳感器并實時存儲通過數據線傳輸各類數據信息。整個平臺系統如圖3所示:

圖3 全景平臺系統安裝完成后效果圖

3.2 各組成模塊

(1)影像采集模塊

影像采集模塊主要用于采集全景影像數據，利用Ladybug3全景相機提供超高分辨率和360°全方位視覺范圍，自動完成圖像采集、處理、拼接和校正等工作，能夠把多個視頻圖像實時整合為全分辨率數字化球面視頻和全景視頻。Ladybug3全景相機主要性能參數如表1所示。

全景相機主要參數 表1

在整個平臺系統中，全景相機安裝于竹節式升降柱頂部，通過連接件用螺絲固定，相機圖像處理器通過1394b端口與系統控制器連接，實時將全景影像傳輸到系統控制器并保存。相機的觸發接口與雙天線組合慣導系統通過光纖相連，實現雙向觸發控制，本系統是通過慣導系統發送脈沖信號給全景相機，控制器其采集全景影像數據。

(2)定位定姿模塊

定位定姿模塊主要用于采集位置坐標數據、姿態數據、時間信息等，同時輸出脈沖信號給全景相機，控制全景相機采集影像數據，實現坐標數據與影像數據的時間同步。平臺系統采用SDI－600GI雙天線光纖組合慣導系統作為定位定姿模塊的主體，該系統通過緊耦合技術將GPS與INS緊密集成在一起，解決了INS長時間的漂移或GPS衛星受到限制時，不能正常定位和導航的問題，雙天線提高了定向精度，縮短了定向初始化時間。GPS與INS兩者相互補償，相互作用，為用戶提供穩定、高精度的三維位置信息，姿態信息、速度和時間信息等。

將組合慣導系統安裝于平臺上，在安裝時盡量保證其中心與車身重心一致，并使其Y軸正方向與車身方向一致，主從天線一后一前安裝于鋁合金材料的長條板上，確保主從天線中心與慣導系統原點在一個垂直面上，主從天線中心到慣導系統原點的水平距離約為 1 ∶2。

長條板中間部分嵌入平臺，其頂面與平臺頂面在一個水平面上，兩端通過可調節角度與高度的扳拉式真空吸盤固定于車輛載體。雙天線光纖組合慣導系統主要性能參數如表2所示。

雙天線光纖組合慣導系統主要參數性能 表2

(3)相機升降模塊

相機升降模塊主要用于調整全景相機的高度，采用竹節式電動升降柱，將全景相機通過連接件用螺絲固定于其頂端，通過無線或有線的遙控器實時控制升降柱的升降實現調整相機高度，在進行數據采集時可隨時根據道路周圍地物的情況(建筑物高度)調整相機高度，達到更好的影像拍攝效果，遇到限高的交通設施時，調整相機使其降到最低高度，可順利通過。極大地提高了相機采集數據的靈活性。表3是關于升降柱的相關參數。

竹節式電動升降柱相關參數 表3

(4)系統控制模塊

系統控制模塊是整個全景平臺系統的大腦，將多種傳感器組合為一個整體，配置全景相機和組合導航系統相關參數，實時顯示、控制、存儲采集的各類數據。Dell工作站筆記本電腦作為系統控制器，控制器與全景相機通過IEEE－1394b火線接口連接，與組合慣導系統通過USB或com口連接，分別通過它們各自相應的軟件對其進行參數配置，數據實現顯示，采集控制以及實時存儲。

(5)平臺及固定模塊

平臺及固定模塊用于安置各類儀器設備，并通過可以調節角度與高度的真空吸盤將其固定于車輛載體頂部。平臺由鋁合金材料的矩形板和長條板組成，長條板嵌入矩形板，長條板主要用于固定組合慣導系統的天線，平臺邊緣及頂點都進行了圓滑處理，防止在安裝與拆卸平臺的過程中對人造成傷害。按照事先設計對平臺整體進行布局規劃，并在平臺頂面與底面相應位置加工螺紋孔用于固定儀器設備及吸盤，平臺中間通過球型云臺將吸盤與平臺連接，兩端放置天線并利用可調節方向與高度式吸盤固定。球型云臺可水平360°、垂直180°旋轉，起到調節平臺處于水平位置的作用。

通過利用吸盤固定平臺及儀器設備，便于安裝與拆卸，增強了其靈活性，可移動性。吸盤的可調節性確保了平臺處于水平位置，為儀器設備提供了平穩的工作環境。

(6)供電模塊

供電模塊主要為全景相機、組合慣導系統、竹節式電動升降柱、Dell筆記本電腦提供電源，采用蓄電池和車載電源兩種供電方式。Dell筆記本電腦自身配備電池，外接電源突然斷電對其影響不大，并且一定時間內可以不用為其提供電源;竹節式電動升降柱不需要實時調節其高度，僅在其需要調節高度時對其進行供電即可;全景相機和組合慣導系統對電源要求較高，提供符合其規格的電壓，并且在其正常工作時不可突然斷電，否則會對儀器造成損壞。

單獨采用蓄電池供電，需要多配置一塊以備用，由于需供電儀器較多，隨著采集數據的時間延長，蓄電池電量不足以維持儀器設備正常工作。單獨采用車載電源供電，只要車輛本身能正常工作，就不必擔心電量的問題，供電充足，一旦車輛熄火，則會導致所有儀器立即停止工作，對儀器及采集的數據都會造成影響。根據兩種供電方式各自的優缺點，采用兩種供電方式相結合供電，全景相機和組合慣導系統利用蓄電池供電，竹節式電動升降柱、Dell筆記本電腦采用車載電源的供電方式，這樣既緩解了蓄電池供電壓力，確保其能滿足數據采集數據儀器的電量供應，又不必擔心因車輛突然熄火而影響儀器正常工作。

3.2 關鍵技術

在進行數據采集過程中，要使得全景影像數據與地理位置坐標數據、姿態數據通過一定的方式實現同步，實現的關鍵是在進行影像采集的同時獲取位置坐標及姿態數據，我們通過時間來實現這兩種數據的同步，時間同步分為兩種:

(1)時間軟同步，這種同步方式是儀器設備利用各自的時間系統，在采集數據時記錄時間信息，在進行數據處理時，通過數據中共有的時間實現同步。全景相機利用自己的時間系統，在采集影像瞬間記錄時間，組合慣導系統也利用自己的時間系統;

(2)時間硬同步，這種同步方式是通過發送脈沖信號以觸發的方式來實現同步，利用光纖將全景相機與組合慣導系統連接，由于組合慣導系統接收的GPS時間精度高，所以選擇由組合慣導系統發送脈沖信號給全景相機，全景相機接收到脈沖信號，觸發相機快門采集影像數據，從而實現了數據的時間硬同步。

通過比較兩種時間同步方式發現，在對時間間隔要求不高的情況下，兩種方式都可以滿足要求，只不過時間軟同步處理數據時相對麻煩一些。但是如果要求時間間隔很短，在毫秒級的情況下，時間硬同步依然能夠滿足要求，而時間軟同步會出現兩種數據無法根據各自的時間同步，這是因為全景相機時間系統精度低所引起的。

4 結論

可移動升降式全景平臺系統通過對傳統影像平臺系統進行改進，利用真空吸盤固定于車輛載體，適用于任意車輛載體，便于安裝與拆卸，更加靈活，可移動性強。不需要對車輛本身做任何改造，保證了車輛的完整性。通過控制竹節式電動升降柱實時調整全景相機高度，既避免了受限高交通設施限制又提高了相機的適應性。通過脈沖信號觸發方式實現了組合慣導系統與全景相機的時間硬同步，節省了數據處理的時間。下一步考慮在對數據采集的觸發控制方式上加入距離觸發方式，數據采集設備與在車輪上安裝的編碼器或車輛自帶的里程計進行連接實現通過車輛行駛一定距離進行影像數據與位置坐標數據、姿態數據的采集、同步，使得所采集的數據更加均勻，效果更好。

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