基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

張 蔚

（鄭州商學(xué)院，鄭州 451200）

0 引言

視覺傳達(dá)是在影像中，通過對視覺符號進(jìn)行設(shè)定，向觀看者傳達(dá)設(shè)計者的思想，使觀看者變成設(shè)計者思想的傳播受眾。在視覺傳達(dá)技術(shù)的發(fā)展中，三維影像一直起著很大的輔助作用。三維影像是數(shù)字影像中的一種廣泛應(yīng)用，隨著數(shù)碼成像技術(shù)的提升，其應(yīng)用范圍變得越來越廣。基于以上背景對三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。在對三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，首先深入了解其研究背景。

對于三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的研究，近年來很多學(xué)者都對其進(jìn)行了深入研究。其中國外在三維影像視覺傳達(dá)領(lǐng)域已經(jīng)取得較為深入的研究成果，并應(yīng)用了很多三維圖像技術(shù)。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是基于視覺互動技術(shù)的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)，主要通過應(yīng)用三維視覺互動技術(shù)實現(xiàn)三維影像的視覺傳達(dá)，構(gòu)建三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)[1]。以及影像混搭理念下的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)，主要是在影像混搭理念的指導(dǎo)下進(jìn)行三維影像的視覺傳達(dá)，構(gòu)建三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)。而國內(nèi)近年視覺傳達(dá)技術(shù)也發(fā)展起來，對于三維影像視覺傳達(dá)問題的研究也取得了一定突破。其中應(yīng)用較為廣泛的一種三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)。在對三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中，綜合以上研究成果，在設(shè)計中應(yīng)用數(shù)字圖像自動化重建技術(shù)，提出一種基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)，以達(dá)到較高的系統(tǒng)性能。

1 基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 設(shè)計處理三維影像層模塊

基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的硬件部分共分為兩個模塊：處理三維影像層模塊、采集三維影像層模塊。

其中處理三維影像層模塊使用的硬件為HUJ-23三維圖像處理器。該三維圖像處理器共4顆CPU，使用驍龍?zhí)幚砥鳎邆淞己玫娜S數(shù)據(jù)處理性能[2]。

1.1.2 設(shè)計采集三維影像層模塊

采集三維影像層模塊使用的硬件為實感紅外攝像頭。選用的實感紅外攝像頭的參數(shù)具體如表1所示。

表1 選用的實感紅外攝像頭的參數(shù)

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 設(shè)計三維影像計算機表達(dá)模塊

基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的軟件構(gòu)成包括三維影像計算機表達(dá)模塊、三維圖像重建模塊。

其中三維影像計算機表達(dá)模塊主要負(fù)責(zé)通過計算機技術(shù)對三維影像進(jìn)行計算機化表達(dá)。首先將三維影像拆分為數(shù)據(jù)塊，具體包括Ox4D4D、Ox3D3D、0x4000、0x4200、0x4110、0x4120。這些數(shù)據(jù)塊的具體信息如表2所示。

表2 這些數(shù)據(jù)塊的具體信息

接著利用各數(shù)據(jù)塊進(jìn)行三維影像視覺紋理特征的表示，在表示中需要對紋理進(jìn)行添加。獲取紋理以后，需要對紋理進(jìn)行映射，其中由于關(guān)注點會發(fā)生變化，因此也會帶來映射大小發(fā)生相應(yīng)變化。紋理映射具體是指以三維影像3D模型坐標(biāo)系與紋理坐標(biāo)系中坐標(biāo)值關(guān)系為依據(jù)，在三維影像3D模型中對應(yīng)位置對紋理進(jìn)行添加。

在進(jìn)行實際處理時，會發(fā)生以下三種情況：首先就是紋理空間中存在多種紋理紋素，其中二維紋理最小單位與一個3D模型像素相對應(yīng)[3]。其次是各紋理紋素與多個3D模型像素相對應(yīng)。最后是各紋理紋素與一個3D模型像素相對應(yīng)。對于這三種情況，必須分別實施針對性處理。具體處理方法分別如下：實施壓縮性過濾處理、實施放大性過濾處理、以及不進(jìn)行額外處理。

利用拍攝的方式獲取紋理，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是一個重要問題。紋理拍攝過程以及坐標(biāo)系具體如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系示意圖以及紋理拍攝過程

圖1中各坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與點坐標(biāo)表示具體如表3所示。

表3 各坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與點坐標(biāo)表示

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，三維影像3D模型對應(yīng)坐標(biāo)系中的點到攝像機對應(yīng)坐標(biāo)系中的點具體轉(zhuǎn)換過程如下：

式(1)中，n代表三維影像3D模型對應(yīng)坐標(biāo)系中的點；N表示攝像機對應(yīng)坐標(biāo)系內(nèi)的點；B表示三維影像3D模型坐標(biāo)軸向攝像機對應(yīng)坐標(biāo)軸向攝像機對應(yīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)所對應(yīng)的矩陣；A表示投影矩陣；C表示三維影像3D模型坐標(biāo)軸向攝像機對應(yīng)坐標(biāo)軸向攝像機對應(yīng)坐標(biāo)平移所對應(yīng)的矩陣[4]。

其中A、B、C的對應(yīng)表達(dá)式具體如下：

式(3)中w代表三維影像3D模型坐標(biāo)軸向攝像機對應(yīng)坐標(biāo)軸向攝像機對應(yīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值。

式(4)中x0、y0、z0代表攝像機對應(yīng)坐標(biāo)系中的原點在三維影像3D模型坐標(biāo)系中的值。

n的表達(dá)式具體如下：

式(5)中T代表坐標(biāo)系閾值。

N還可以用下式來表示：

式(6)中（qX，qY，qZ，q）代表攝像機對應(yīng)坐標(biāo)系中的點。

根據(jù)坐標(biāo)系示意圖，三維影像3D模型對應(yīng)坐標(biāo)系中的點到紋理相片對應(yīng)坐標(biāo)系中的點的對應(yīng)映射關(guān)系具體如下式：

則可以推算出下式：

式(8)中E表示映射矩陣；n'代表紋理相片對應(yīng)坐標(biāo)系中的點。

那么三維影像3D模型對應(yīng)坐標(biāo)系中的點到紋理相片對應(yīng)坐標(biāo)系中的點的對應(yīng)映射關(guān)系具體如下：

其中A、B、C的值能夠通過對特征點進(jìn)行手工選定來計算。

1.2.2 設(shè)計三維圖像重建模塊

基于數(shù)字圖像自動化重建設(shè)計三維圖像重建模塊。三維圖像重建模塊能夠通過數(shù)字圖像自動化重建技術(shù)實現(xiàn)三維圖像的自動化重建。具體重建流程如圖2所示。

圖2 具體重建流程

2 系統(tǒng)仿真測試

2.1 仿真設(shè)計

為對設(shè)計的基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，設(shè)計一個仿真平臺，測試三維影像重建精度與視覺傳達(dá)完整度。

為使仿真實驗的數(shù)據(jù)更加豐富并且具備對比性，將現(xiàn)有的幾種三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)作為對比測試對象進(jìn)行四種系統(tǒng)的對比測試，分別為基于視覺互動技術(shù)、影像混搭理念下、虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)。

構(gòu)建的仿真平臺的基礎(chǔ)是專業(yè)引擎、3D制作設(shè)備以及編輯影像工具，開發(fā)語言為C語言，通過多架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗中的三維影像數(shù)據(jù)，能夠確保數(shù)據(jù)的完整性與時效性。其中選用的編輯器為高集成性編輯器，能夠提升三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)速度[5]。

構(gòu)建的仿真平臺具體如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的仿真平臺

實驗中使用的三維影像樣本共10組，各組三維影像數(shù)據(jù)具體如表4所示。

表4 各組三維影像數(shù)據(jù)

2.2 獲取仿真結(jié)果

2.2.1 三維影像重建精度測試結(jié)果

首先對設(shè)計的基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)與基于視覺互動技術(shù)、影像混搭理念下、虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的三維影像重建精度進(jìn)行測試。具體測試結(jié)果如表5所示。

表5 三維影像重建精度測試結(jié)果

其中三維影像重建精度的計算公式具體如下：

式(10)中I（n）代表三維影像重建精度；n表示三維影像截面；S代表三維影像矢量；u表示三維影像特征點集合；p代表三維影像原始特征點。

根據(jù)表5的三維影像重建精度測試結(jié)果，相比基于視覺互動技術(shù)、影像混搭理念下、虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的視覺傳達(dá)系統(tǒng)，設(shè)計的基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高的三維影像重建。

2.2.2 視覺傳達(dá)完整度測試結(jié)果

接著測試設(shè)計的基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)與三種對比實驗系統(tǒng)的視覺傳達(dá)完整度。測試結(jié)果具體如表6所示。

表6的視覺傳達(dá)完整度測試結(jié)果表明，設(shè)計的基于數(shù)字圖像自動化重建的三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)的視覺傳達(dá)完整度高于三種對比實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了高度完整的三維影像視覺傳達(dá)。

表6 視覺傳達(dá)完整度測試結(jié)果

3 結(jié)語

在對三維影像視覺傳達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中，通過應(yīng)用數(shù)字圖像自動化重建技術(shù)，實現(xiàn)了三維影像重建精度與視覺傳達(dá)完整度的提升，對于三維影像視覺傳達(dá)問題的深入研究有啟示意義。