球面全景图漫游算法研究

Computer Knowledge and Technology 电脑知识
与技术本栏目责任编辑：唐一东
人工智能及识别技术第7卷第13期(2011年5月)球面全景图漫游算法研究
赵毅力
（西南林业大学计科系，云南昆明650224）
摘要：基于图像的绘制技术不仅可以弥补传统基于几何绘制技术的不足。

而且能给出更丰富的图像显示。

基于实际应用出发，提出并实现了一种球面全景图的漫游算法。

通过重投影球面全景图的可视部分到视平面上，可以生成虚拟场景在不同视线方向上的透视视图。

针对直接使用重投影不能满足实时绘制的问题，提出了基于查找表的优化策略。

关键词：球面全景图；实时绘制；重投影
中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)13-3112-02
Spherical Panorama Navigation Algorithm Research
ZHAO Yi-li (Dept.of Computer Science,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China)
Abstract:The image based modeling and rendering technique not only supplies the deficiency of the traditional geometry based rendering techniques,but also creates more realistic images.This paper presents and realizes a new spherical panorama navigation algorithm.Different perspective views of the virtual scene can be obtained by re-projecting visible portion of the panorama onto the view plane.In order to achieve real-time rendering demand,lookup table is used to accelerate panorama rendering.
Key words:spherical panorama;real-time rendering;re-projection
1概述
在基于图像绘制的虚拟现实领域中，可以使用全景图来生成具有一定视域大小、不同视线方向的视图。

所谓全景图是指从三维空间中某一个固定视点对场景进行观察而得到对场景的一种紧凑表示。

在生成场景的全景图以后，可以通过重投影来生成场景在不同视域和视线方向下的透视视图，这个过程称为全景图的绘制。

一个场景的全景图按投影方式可以分为柱面全景图、球面全景图和立方体全景图三种，每一种全景图都有自己的投影模型。

并不是每一种全景图都是对场景的完全表示，除了柱面全景图在垂直方向上具有视域的限制以外，球面全景图和立方体全景图在水平方向上和垂直方向上都具有任意的自由度。

可以使用传统计算机图形学的方法或者是基于图像的方法来进行全景图的绘制。

Chen [1]提出了基于扫描线相关性的柱面全景图的实时绘制算法。

为了得到对场景的完全采样，可以使用球面全景图或立方体全景图。

Szeliski [2]提出了使用纹理映射的方法，通过调用DirectX 函数来进行球面全景图的绘制。

Greene 在[3]中提出了使用环境映射进行立方体全景图绘制的方法。

论文对球面全景图的漫游算法进行了研究。

关于全景图的合成已经有很多可以参考文献[4-6]。

由于直接使用重投影进行全景图的绘制并不能满足实时的要求：对于一个分辨率为400x300的视平面来说，绘制的速度只有每秒5帧左右，而虚拟现实系统要求绘制的速度在每秒15帧以上。

为了达到实时绘制的目的，提出使用查找表的优化方法对绘制进行加速。

从实验的结果来看取得了满意的效果。

2球面全景图的漫游
2.1球面展开
由于球面本身并不是一个可展曲面，为了能够以一幅图像存储场景的球面全景图，可以采用参数化球面投影模型。

从球面到视平面的重投影是一个非线性的图像变形过程，这样的变换可以通过两个步骤来完成：1）映射球面上的可视部分到视平面上；2）显示视平面。

视平面坐标(x,y,z)到球面全景图坐标(μ,ν)的重投影公式为：
(1)
其中r 为球面的半径。

2.2相机运动模拟
对球面全景图进行漫游需要模拟相机在三维空间中的运动。

相机在三维空间中具有三个旋转自由度：绕x 轴的旋转，旋转角度为pitch ；绕y 轴的旋转，旋转角度为yaw ；以及绕z 轴的旋转，旋转角度为roll 。

绕x 轴和y 轴的旋转可以通过重投影来完成，绕z 轴收稿日期：2011-03-25
基金项目：云南省自然科学基金项目（2000YP20）；西南林业大学面上基金项目（200616M ）
作者简介：赵毅力（1978-），男，云南昆明人，讲师，硕士，主要研究方向为智能图像处理。

E-mail:eduf@ Tel:+86-551-56909635690964ISSN 1009-3044
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.7,No.13,May 2011,pp.3112-31133112
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术人工智能及识别技术本栏目责任编辑：唐一东第7卷第13期(2011年5月)的旋转可以通过图像旋转来完成。

在当前系统的实现中没有考虑绕z 轴的旋转。

相机在三维空间中还存在变焦运动，改变相机的焦距等价于改变相机的视域。

定义相机的焦距为f ，相机的水平视域为hfov ，视平面的宽度为w ，则有：
f=w/(2arctan(hfov)/2)
(2)
2.3重投影从球面到视平面的重投影算法为：1）根据水平和垂直旋转角度计算复合旋转矩阵；由公式（2）计算视点到视平面的距离；2）计算视平面上每一个象素经过旋转和变焦后的三维坐标：使用公式（1）计算球面全景图上对应象素的坐标；3）使用双线性插值对球面全景图进行重新采样；4）重复步骤2）-3），直到视平面上的所有象素均被处理完毕；5）显示视平面，完成新视图的绘制。

3绘制加速
直接使用球面全景图到视平面的重投影算法并不能满足实时的要求：对于一个分辨率为的视平面来说，绘制的速度只有每秒5帧左右，而虚拟现实系统要求绘制的速度在每秒15帧以上，因此需要对球面全景图到视平面的重投影算法进行优化。

通过对重投影算法进行仔细分析可以发现：在计算球面全景图上对应的象素坐标时涉及到两次反正切函数和一次平方根函数的计算。

这两部分是影响算法运行效率的因素之一。

可以把平方根函数和反正切函数的函数值事先计算好并存储在线性表中，而在实际计算平方根函数和反正切函数时只需要进行线性表的查找操作，这样的优化策略称为查找表计算。

图1(a)为昆明世博园的一幅球面全景图，图1(b)为采用重投影算法绘制的透视视图。

图1球面全景图的漫游
4结论
论文对球面全景图到视平面的重投影算法进行了详细研究。

由于直接使用球面全景图到视平面的重投影算法不能满足实时绘制的要求，所以论文在对重投影算法进行仔细分析的基础上提出了使用查找表的加速策略。

下一步的研究工作是将算法放到GPU 中进行实现，以进一步提高绘制效率。

参考文献：
[1]Chen S.QuickTime VR -an image-based approach to virtual environment navigation:Computer Graphics (SIGGRAPH'95),1995[C].Los Angeles:[s.n.],1995:29-38.
[2]Szeliski R,Shum H.Creating full view panoramic image mosaic and texture-mapped models:Computer Graphics (SIGGRAPH 97'),1997
[C].New York[s.n.],1997:251-258.
[3]Greene N.Environment Mapping and Other Applications of World Projections[J].Computer Graphics and Applications,1986,6(11):21-29.
[4]崔汉国,陈军,曹茂春.柱面全景图像拼合及漫游算法研究[J].海军工程大学学报,2004,16(1):23-25.
[5]邹北骥,阮鹏,向遥等.一种精确匹配的全景图自动拼接算法[J].计算机工程与科学,2010,32(8):60-63.
[6]王娟,师军.一种柱面全景图像自动拼接算法[J].计算机仿真,2008,25(7):213-215.3113。