田軍　孫梅　王萍

【摘 要】與基于幾何的VR建模相比，全景圖具有更大的優(yōu)勢(shì)，其生成方式主要有全景相機(jī)直接生成法、大視角的鏡頭獲取法、普通數(shù)碼相機(jī)獲取法。本文主要針對(duì)第三種方法進(jìn)行了深入探討，著重?cái)⑹隽酥鶢钊皥D生成的原理和具體方法。本文結(jié)尾在圖像采集、投影的算法、全景圖漫游等方面的不足提出新的研究方向。

【關(guān)鍵詞】全景圖；全景圖生成；柱面全景圖；柱面投影算法

Research on Technology of Panorama Generation

TIAN Jun1 SUN Mei1 WANG Ping2

（1.College of Medical Engineering Technology， Xinjiang Medical University， Urumqi Xinjiang 830011， China；

2.Department of Sports， Xinjiang Institute of Education， Urumqi Xinjiang 830043， China）

【Abstract】Compared with the VR modeling based on geometry， panorama has more advantages. Its formation method mainly has the panoramic camera direct generation method， large angle of the lens and general digital camera method. This paper discusses the third method， emphatically describes the principle and specific methods of cylindrical panorama generation. In the end of this paper， some new research directions are proposed.

【Key words】Panorama；Panorama generation；Cylindrical panoramic image；Cylindrical projection algorithm

0 引言

全景圖像（Panorama）通常是指圖像的畫(huà)面比普通正常水平視角（大約90度）大，其水平視角包含完整一周360度所覆蓋的畫(huà)面范圍。與傳統(tǒng)圖像的信息組織模式相比，全景圖的信息組織模式具有以下的特點(diǎn)，由于它涵蓋了360度范圍的圖像信息，因而可表達(dá)出完整的四周環(huán)境信息，類(lèi)似于某人原地轉(zhuǎn)一圈所看到的景象。就觀(guān)察者而言，全景圖像具有立體的、多角度的圖形環(huán)境特點(diǎn)。另外，全景圖比基于幾何的VR建模具有更大的優(yōu)勢(shì)，具有真實(shí)感強(qiáng)，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

圖像的獲取方式?jīng)Q定輸入圖像的不同，導(dǎo)致圖像的拼接結(jié)果也不一樣，因此，根據(jù)圖像的獲取方式將全景圖的生成分為三類(lèi)。

（1）通過(guò)全景相機(jī)直接形成，該方法生成速度快，自動(dòng)化程度高，但設(shè)備要求高，價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜；

（2）利用大視角的鏡頭（如魚(yú)眼鏡頭）獲得多張圖像。由于鏡頭視角比普通鏡頭要寬廣，因而需拍攝的圖像數(shù)量較少，但該方法明顯不足在于，拍攝圖像存在較大變形，需在全景圖生成之前進(jìn)行合適的校正和變換；

（3）借助普通數(shù)碼相機(jī)獲取全景圖的原始圖像，是當(dāng)前發(fā)展的一種趨勢(shì)。它的圖像素材獲取方式比較簡(jiǎn)單，即普通數(shù)碼相機(jī)原地旋轉(zhuǎn)拍攝，或按一定的路線(xiàn)平行于對(duì)象拍攝，非常適用于數(shù)碼產(chǎn)品靈活多樣的拍攝。但難點(diǎn)在于拍攝圖像的拼接，由于圖像的拍攝過(guò)程中，相機(jī)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。原地旋轉(zhuǎn)拍攝相當(dāng)于相機(jī)固定后旋轉(zhuǎn)拍攝，旋轉(zhuǎn)角度的控制與操作者的操作關(guān)系很大。按一定路線(xiàn)移動(dòng)拍攝類(lèi)似于平移拍攝，對(duì)于距離的控制和保持相同的成像平面也存在很大的困難。為了減少這些不利因素對(duì)全景圖像成像質(zhì)量的影響，可以通過(guò)增加拍攝圖像的重疊度，來(lái)減小相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度、平移距離，最終避免相鄰拍攝圖像之間的不連續(xù)程度。但是，通過(guò)普通數(shù)碼相機(jī)采集圖像容易管理，在很多情況下也很容易實(shí)施，特別是在一些安置三角架或滑軌非常困難的情況下，如果通過(guò)普通數(shù)碼相機(jī)合理拍攝的話(huà)，同樣能獲得較好效果的全景圖。本文主要針對(duì)第三種方法進(jìn)行探討。

1 普通數(shù)碼相機(jī)獲取全景圖像的方法

普通數(shù)碼相機(jī)主要采用以下三種方法獲取全景圖像：

1.1 利用數(shù)碼相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝

利用數(shù)碼相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝的基礎(chǔ)是先將相機(jī)固定在某點(diǎn)，一般使用三腳架固定。進(jìn)行拍攝時(shí)，相機(jī)固定在三腳架上，因此只能繞垂直方向的軸旋轉(zhuǎn)，為保證最終得到的系列圖像能完整拼接，要求兩鄰兩次的旋轉(zhuǎn)角度必須重合，即相鄰兩張圖像必須有部分重疊，依次旋轉(zhuǎn)一定的角度，最終獲取一系列的圖像。需要注意的是相鄰兩張圖像的重疊區(qū)域大小是影響圖像拼接關(guān)鍵因素，重疊內(nèi)容越多，拼接就越容易。該方法實(shí)際操作中較易實(shí)現(xiàn)。

1.2 利用數(shù)碼相機(jī)平移拍攝

利用數(shù)碼相機(jī)平移拍攝是指相機(jī)在一個(gè)平行于成像平面的方向上平移。首先固定相機(jī)的焦距，將相機(jī)放置在一個(gè)與成像平面平行的滑軌上移動(dòng)拍攝。影響圖像拼接的因素是拍攝物體的大小和其與相機(jī)距離的遠(yuǎn)近。此種方法的不足是：由于拍攝的圖像在同一平面，全景圖像的空間感覺(jué)不如第一種方法效果好。

1.3 手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)拍攝

手持照相機(jī)拍攝這種方法比較容易做到，手持照相機(jī)原地旋轉(zhuǎn)拍攝，或者按一定的路線(xiàn)平行于對(duì)象拍攝。但是，拼接手持照相機(jī)的照片是很困難的，因?yàn)樵谂臄z過(guò)程中，照相機(jī)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜。原地旋轉(zhuǎn)拍攝類(lèi)似于固定照相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝，但是角度控制、旋轉(zhuǎn)控制都很差。沿一定路線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，類(lèi)似于平移拍攝，控制距離和保持相同的成像平面是很困難的。

本文圖像的獲取采用的是第一種方法。拍攝時(shí)相鄰圖像具有一定程度的重疊 （一般是30%～50%），以便于拼接而得到全景圖像。另外，拍攝時(shí)還需特別注意天氣和人員流動(dòng)的影響，這樣可能會(huì)導(dǎo)致拼接圖像產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。盡量避免選擇太陽(yáng)光強(qiáng)烈或多云的天氣（強(qiáng)烈的太陽(yáng)光可能會(huì)使某些視點(diǎn)處采集的照片因逆光現(xiàn)象而不利于后期的處理；多云陰天時(shí)各視點(diǎn)處的照片容易出現(xiàn)亮度的較大變化），以及人員流動(dòng)量較大（可能出現(xiàn)某個(gè)人在多處視點(diǎn)的照片中出現(xiàn)）等問(wèn)題。

2 柱面投影算法

柱面全景圖的正投影是指將平面照片投影到柱面形成全景圖的過(guò)程；反投影是將柱面全景圖在某個(gè)特定的觀(guān)察區(qū)域投影到柱面的切平面上供屏幕顯示的過(guò)程。有很多文獻(xiàn)都給出了正投影與反投影的變換公式。

實(shí)景圖像的柱面正投影算法是為了將多張實(shí)景圖像投影到一個(gè)圓柱面上，以柱面全景圖像的形式存儲(chǔ)。這樣一方面消除了實(shí)景圖像之間可能存在的重復(fù)景物信息，同時(shí)也得到了每張實(shí)景圖像上的像素點(diǎn)在視點(diǎn)空間中的位置信息。

數(shù)碼相機(jī)拍攝的一張實(shí)景圖像I，P（x，y）是實(shí)景圖像上的任意一個(gè)像素點(diǎn)。P在照相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：P（x-W/2，y-H/2，-f）其中，W和H分別是實(shí)景圖像I的寬度和高度。 柱面正投影示意圖如圖1所示。

照相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與像素點(diǎn)P的直線(xiàn)方程可以表示為參數(shù)方程的形式：

圖1 柱面投影示意圖

u=t（x-W/2） （1）

v=t（y-H/2） （2）

w=t（-f） （3）

其中以數(shù)碼相機(jī)的像素焦距f作為圓柱面的半徑，t是參數(shù)。圓柱面可以表示為：u2+w2=f2

聯(lián)立以上兩個(gè)方程，可以求得：

t=■ （4）

u=■ （5）

v=■ （6）

（u，v，w）是像素點(diǎn)（x，y）在圓柱面上的投影點(diǎn)Q的參數(shù)坐標(biāo)，把所有這樣的投影點(diǎn)組合在一起便得到全景圖像。但是，參數(shù)坐標(biāo)是三維的，需要把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的圖像坐標(biāo)才便于存儲(chǔ)。為了便于存儲(chǔ)，將此三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維圖像坐標(biāo)。根據(jù)以下方程，可以求得像素點(diǎn)Q的二維坐標(biāo)為（x1，y1）：

x1=f * arctan■+f * arctan■ （7）

y1=■+■ （8）

顯然同一條垂直線(xiàn)上的兩個(gè)像素點(diǎn)P1（x，y）和P2（x，y1），它們?cè)谥嫒皥D像上具有相同的橫坐標(biāo)x，那么它們正投影到柱面全景圖上橫坐標(biāo)x，也必然相等，也就是說(shuō)，柱面全景圖中的景物在垂直方向上不會(huì)發(fā)生形變。

3 展望

本文所討論的利用普通數(shù)碼相機(jī)制作全景圖的技術(shù)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)某一個(gè)區(qū)域的全景圖像的生成，瀏覽的時(shí)候真實(shí)感，交互性都比較強(qiáng)。但是在全景圖像的采集階段受普通數(shù)碼相機(jī)豎直視場(chǎng)角的限制，上方的部分圖像采集不到，導(dǎo)致最后生成的全景圖圖像不太完美。在圖像編輯階段，由于投影算法的自身缺陷，導(dǎo)致圖像有些地方有些輕微變形，在投影的算法上可以進(jìn)行深一步的研究，如何得到廣視場(chǎng)角并且沒(méi)有形變的全景圖像將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。為了達(dá)到全景圖漫游的一種更強(qiáng)烈的真實(shí)感，需要開(kāi)發(fā)出具有沉浸感、交互性、構(gòu)象性的真實(shí)感強(qiáng)的實(shí)景全景圖像。

【參考文獻(xiàn)】

[1]施慶，郭欣.基于角點(diǎn)檢測(cè)配準(zhǔn)的全景圖像拼接技術(shù)研究[J].微型電腦應(yīng)用，2011，27（6）：18-21.

[2]田軍，孟祥娟，王萍.全景圖中投影模型與算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（5）：126-132.

[3]殷潤(rùn)民，等.自適應(yīng)柱狀全景圖拼接[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，13（6）：1191-1196.

[4]郭俊美.基于圖像的柱面全景圖生成技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010：18-21.

[5]彭紅星，等.柱面全景圖生成技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（9）：208-211.

[責(zé)任編輯：丁艷]

本文圖像的獲取采用的是第一種方法。拍攝時(shí)相鄰圖像具有一定程度的重疊 （一般是30%～50%），以便于拼接而得到全景圖像。另外，拍攝時(shí)還需特別注意天氣和人員流動(dòng)的影響，這樣可能會(huì)導(dǎo)致拼接圖像產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。盡量避免選擇太陽(yáng)光強(qiáng)烈或多云的天氣（強(qiáng)烈的太陽(yáng)光可能會(huì)使某些視點(diǎn)處采集的照片因逆光現(xiàn)象而不利于后期的處理；多云陰天時(shí)各視點(diǎn)處的照片容易出現(xiàn)亮度的較大變化），以及人員流動(dòng)量較大（可能出現(xiàn)某個(gè)人在多處視點(diǎn)的照片中出現(xiàn)）等問(wèn)題。

2 柱面投影算法

柱面全景圖的正投影是指將平面照片投影到柱面形成全景圖的過(guò)程；反投影是將柱面全景圖在某個(gè)特定的觀(guān)察區(qū)域投影到柱面的切平面上供屏幕顯示的過(guò)程。有很多文獻(xiàn)都給出了正投影與反投影的變換公式。

實(shí)景圖像的柱面正投影算法是為了將多張實(shí)景圖像投影到一個(gè)圓柱面上，以柱面全景圖像的形式存儲(chǔ)。這樣一方面消除了實(shí)景圖像之間可能存在的重復(fù)景物信息，同時(shí)也得到了每張實(shí)景圖像上的像素點(diǎn)在視點(diǎn)空間中的位置信息。

數(shù)碼相機(jī)拍攝的一張實(shí)景圖像I，P（x，y）是實(shí)景圖像上的任意一個(gè)像素點(diǎn)。P在照相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：P（x-W/2，y-H/2，-f）其中，W和H分別是實(shí)景圖像I的寬度和高度。 柱面正投影示意圖如圖1所示。

照相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與像素點(diǎn)P的直線(xiàn)方程可以表示為參數(shù)方程的形式：

圖1 柱面投影示意圖

u=t（x-W/2） （1）

v=t（y-H/2） （2）

w=t（-f） （3）

其中以數(shù)碼相機(jī)的像素焦距f作為圓柱面的半徑，t是參數(shù)。圓柱面可以表示為：u2+w2=f2

聯(lián)立以上兩個(gè)方程，可以求得：

t=■ （4）

u=■ （5）

v=■ （6）

（u，v，w）是像素點(diǎn)（x，y）在圓柱面上的投影點(diǎn)Q的參數(shù)坐標(biāo)，把所有這樣的投影點(diǎn)組合在一起便得到全景圖像。但是，參數(shù)坐標(biāo)是三維的，需要把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的圖像坐標(biāo)才便于存儲(chǔ)。為了便于存儲(chǔ)，將此三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維圖像坐標(biāo)。根據(jù)以下方程，可以求得像素點(diǎn)Q的二維坐標(biāo)為（x1，y1）：

x1=f * arctan■+f * arctan■ （7）

y1=■+■ （8）

顯然同一條垂直線(xiàn)上的兩個(gè)像素點(diǎn)P1（x，y）和P2（x，y1），它們?cè)谥嫒皥D像上具有相同的橫坐標(biāo)x，那么它們正投影到柱面全景圖上橫坐標(biāo)x，也必然相等，也就是說(shuō)，柱面全景圖中的景物在垂直方向上不會(huì)發(fā)生形變。

3 展望

本文所討論的利用普通數(shù)碼相機(jī)制作全景圖的技術(shù)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)某一個(gè)區(qū)域的全景圖像的生成，瀏覽的時(shí)候真實(shí)感，交互性都比較強(qiáng)。但是在全景圖像的采集階段受普通數(shù)碼相機(jī)豎直視場(chǎng)角的限制，上方的部分圖像采集不到，導(dǎo)致最后生成的全景圖圖像不太完美。在圖像編輯階段，由于投影算法的自身缺陷，導(dǎo)致圖像有些地方有些輕微變形，在投影的算法上可以進(jìn)行深一步的研究，如何得到廣視場(chǎng)角并且沒(méi)有形變的全景圖像將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。為了達(dá)到全景圖漫游的一種更強(qiáng)烈的真實(shí)感，需要開(kāi)發(fā)出具有沉浸感、交互性、構(gòu)象性的真實(shí)感強(qiáng)的實(shí)景全景圖像。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]田軍，孟祥娟，王萍.全景圖中投影模型與算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（5）：126-132.

[3]殷潤(rùn)民，等.自適應(yīng)柱狀全景圖拼接[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，13（6）：1191-1196.

[4]郭俊美.基于圖像的柱面全景圖生成技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010：18-21.

[5]彭紅星，等.柱面全景圖生成技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（9）：208-211.

[責(zé)任編輯：丁艷]

本文圖像的獲取采用的是第一種方法。拍攝時(shí)相鄰圖像具有一定程度的重疊 （一般是30%～50%），以便于拼接而得到全景圖像。另外，拍攝時(shí)還需特別注意天氣和人員流動(dòng)的影響，這樣可能會(huì)導(dǎo)致拼接圖像產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。盡量避免選擇太陽(yáng)光強(qiáng)烈或多云的天氣（強(qiáng)烈的太陽(yáng)光可能會(huì)使某些視點(diǎn)處采集的照片因逆光現(xiàn)象而不利于后期的處理；多云陰天時(shí)各視點(diǎn)處的照片容易出現(xiàn)亮度的較大變化），以及人員流動(dòng)量較大（可能出現(xiàn)某個(gè)人在多處視點(diǎn)的照片中出現(xiàn)）等問(wèn)題。

2 柱面投影算法

柱面全景圖的正投影是指將平面照片投影到柱面形成全景圖的過(guò)程；反投影是將柱面全景圖在某個(gè)特定的觀(guān)察區(qū)域投影到柱面的切平面上供屏幕顯示的過(guò)程。有很多文獻(xiàn)都給出了正投影與反投影的變換公式。

實(shí)景圖像的柱面正投影算法是為了將多張實(shí)景圖像投影到一個(gè)圓柱面上，以柱面全景圖像的形式存儲(chǔ)。這樣一方面消除了實(shí)景圖像之間可能存在的重復(fù)景物信息，同時(shí)也得到了每張實(shí)景圖像上的像素點(diǎn)在視點(diǎn)空間中的位置信息。

數(shù)碼相機(jī)拍攝的一張實(shí)景圖像I，P（x，y）是實(shí)景圖像上的任意一個(gè)像素點(diǎn)。P在照相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：P（x-W/2，y-H/2，-f）其中，W和H分別是實(shí)景圖像I的寬度和高度。 柱面正投影示意圖如圖1所示。

照相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與像素點(diǎn)P的直線(xiàn)方程可以表示為參數(shù)方程的形式：

圖1 柱面投影示意圖

u=t（x-W/2） （1）

v=t（y-H/2） （2）

w=t（-f） （3）

其中以數(shù)碼相機(jī)的像素焦距f作為圓柱面的半徑，t是參數(shù)。圓柱面可以表示為：u2+w2=f2

聯(lián)立以上兩個(gè)方程，可以求得：

t=■ （4）

u=■ （5）

v=■ （6）

（u，v，w）是像素點(diǎn)（x，y）在圓柱面上的投影點(diǎn)Q的參數(shù)坐標(biāo)，把所有這樣的投影點(diǎn)組合在一起便得到全景圖像。但是，參數(shù)坐標(biāo)是三維的，需要把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的圖像坐標(biāo)才便于存儲(chǔ)。為了便于存儲(chǔ)，將此三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維圖像坐標(biāo)。根據(jù)以下方程，可以求得像素點(diǎn)Q的二維坐標(biāo)為（x1，y1）：

x1=f * arctan■+f * arctan■ （7）

y1=■+■ （8）

顯然同一條垂直線(xiàn)上的兩個(gè)像素點(diǎn)P1（x，y）和P2（x，y1），它們?cè)谥嫒皥D像上具有相同的橫坐標(biāo)x，那么它們正投影到柱面全景圖上橫坐標(biāo)x，也必然相等，也就是說(shuō)，柱面全景圖中的景物在垂直方向上不會(huì)發(fā)生形變。

3 展望

本文所討論的利用普通數(shù)碼相機(jī)制作全景圖的技術(shù)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)某一個(gè)區(qū)域的全景圖像的生成，瀏覽的時(shí)候真實(shí)感，交互性都比較強(qiáng)。但是在全景圖像的采集階段受普通數(shù)碼相機(jī)豎直視場(chǎng)角的限制，上方的部分圖像采集不到，導(dǎo)致最后生成的全景圖圖像不太完美。在圖像編輯階段，由于投影算法的自身缺陷，導(dǎo)致圖像有些地方有些輕微變形，在投影的算法上可以進(jìn)行深一步的研究，如何得到廣視場(chǎng)角并且沒(méi)有形變的全景圖像將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。為了達(dá)到全景圖漫游的一種更強(qiáng)烈的真實(shí)感，需要開(kāi)發(fā)出具有沉浸感、交互性、構(gòu)象性的真實(shí)感強(qiáng)的實(shí)景全景圖像。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]田軍，孟祥娟，王萍.全景圖中投影模型與算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（5）：126-132.

[3]殷潤(rùn)民，等.自適應(yīng)柱狀全景圖拼接[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，13（6）：1191-1196.

[4]郭俊美.基于圖像的柱面全景圖生成技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010：18-21.

[5]彭紅星，等.柱面全景圖生成技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（9）：208-211.

[責(zé)任編輯：丁艷]