基于OSG仿真平臺(tái)的《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》課程教學(xué)方法探索

劉佶鑫

摘要：《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》作為信息與信號(hào)處理學(xué)科的本科專業(yè)課程之一，由于涉及到音頻、圖像、圖形等諸多不同領(lǐng)域的復(fù)雜專業(yè)背景知識(shí)，因此其講授難點(diǎn)較大。特別是視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)的核心技術(shù)計(jì)算機(jī)視覺雙目測(cè)程方法，通過傳統(tǒng)的課堂講授難以使學(xué)生理解和掌握。為此，本文引入OSG仿真平臺(tái)提出針對(duì)上述難點(diǎn)的教學(xué)研究思路，以仿真實(shí)驗(yàn)作為理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，起到改善教學(xué)效果和提高學(xué)生能力的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字媒體技術(shù)；計(jì)算機(jī)視覺雙目測(cè)程；OSG；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0174-02

一、引言

《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》作為信息與信號(hào)處理學(xué)科的本科專業(yè)課程之一，其講授過程涉及到信號(hào)處理相關(guān)的諸多方面，特別是在視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，由于二維/三維空間運(yùn)動(dòng)描述的理論難度大、相關(guān)概念抽象不易理解，因此憑借傳統(tǒng)的課堂講授很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍不高。為解決這一教學(xué)問題，引入合適的空間運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)不僅能在一定程度上較好的改善教學(xué)效果，而且對(duì)于學(xué)生技術(shù)實(shí)踐能力的提高也有較大的益處。

在虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真、目標(biāo)可視化等領(lǐng)域，圖形場景已逐漸成為一種高效簡便的數(shù)據(jù)表達(dá)和結(jié)構(gòu)管理方式，其中OSG（OpenSceneGraph）平臺(tái)就是使用場景圖形的一種渲染引擎。OSG近年來已成為相關(guān)研究領(lǐng)域關(guān)注的重要三維引擎之一[1，2]。采用OSG能勝任大多數(shù)的應(yīng)用需求[3-5]，因此讓學(xué)生更多的了解和接觸這類平臺(tái)和技術(shù)，有利于學(xué)生今后的職業(yè)發(fā)展。

本文針對(duì)《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》課程講授過程中，在視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等環(huán)節(jié)存在的教學(xué)難點(diǎn)，以O(shè)SG仿真平臺(tái)來設(shè)計(jì)一些簡單易懂的仿真實(shí)驗(yàn)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)提高他們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的技術(shù)技能，從而達(dá)到改善本課程教學(xué)效果的目的。

二、OSG三維仿真平臺(tái)簡介

OSG圖形系統(tǒng)是一個(gè)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL和C++環(huán)境的三維開源場景圖程序開發(fā)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形系統(tǒng)的開發(fā)[6]。OSG中的物體是以場景圖形對(duì)象來表達(dá)的，這便于描述物體在二維或三維空間中的邏輯關(guān)系和空間變換。在《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》中研究的三維運(yùn)動(dòng)是指OSG物體對(duì)象在三維空間的剛體運(yùn)動(dòng)，即三維笛卡爾坐標(biāo)系下的平移和旋轉(zhuǎn)。在OSG的空間變換中，物體的三維空間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)可以分解為一系列平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣的連乘。

三、教學(xué)實(shí)例

在視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)過程中比較難以理解的知識(shí)點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)視覺雙目測(cè)程方法，而該方法是圖像二維視覺信息與物理三維空間信息建立聯(lián)系的關(guān)鍵。如圖1所示雙目立體成像的原理[7]，設(shè)左右兩個(gè)相機(jī)完全相同，各自坐標(biāo)系統(tǒng)的光軸（Z軸）平行，原點(diǎn)位置不同，同時(shí)世界坐標(biāo)系與左鏡頭的坐標(biāo)系重合，左鏡頭的像平面與其XY坐標(biāo)系重合，兩鏡頭焦距均為f，兩鏡頭中心點(diǎn)連接成的基線（Base line）距離為B，空間某點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)（X，Y，Z）在左右兩成像平面的投射坐標(biāo)分別為PL（xl，yl）和PR（xr，yr）?，F(xiàn)在問題可以表示為，已知f、B、PL、PR，求P。式（1）到式（4）即為求取P點(diǎn)坐標(biāo)的過程。

-X=■（Z-f）？搖 （1）

B-X=■（Z-f）？搖 （2）

Z=f（1-■），d=B+x■+x■？搖 （3）

y■=y■=f■，z■=z■=f？搖 （4）

本文討論的重點(diǎn)是OSG平臺(tái)下針對(duì)教學(xué)的計(jì)算機(jī)視覺雙目測(cè)程方法實(shí)現(xiàn)，這里主要用到了osgdem和VPB的相關(guān)功能。osgdem是OSG的一個(gè)實(shí)用程序，而VPB（VirtualPlanetBuilder）是一個(gè)基于OSG的地形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理工具箱。利用VPB生成三維模型并建立OSG場景圖層后，要實(shí)現(xiàn)物體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)行為再現(xiàn)就要考慮幾何體節(jié)點(diǎn)和攝像機(jī)節(jié)點(diǎn)的漫游設(shè)計(jì)問題。OSG漫游技術(shù)需要用到兩類坐標(biāo)系，即世界坐標(biāo)系和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系。常見的坐標(biāo)變換有平移、縮放和旋轉(zhuǎn)。攝像機(jī)的漫游是通過世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換來實(shí)現(xiàn)的。

p′=Mp

p=X Y Z 1■ （5）

p′=X′ Y′ Z′ 1■？搖

M■=1 0 0 D■0 1 0 D■0 0 1 D■0 0 0 1，M■=S■ 0 0 00 S■ 0 00 0 S■ 00 0 0 1 （6）

M■=1 ？搖？搖？搖？搖0 ？搖？搖0 ？搖？搖 00 cosα sinα 00 -sinα cosα 00 0 ？搖？搖0 ？搖？搖 1

M■= cosγ sinγ 0 0-sinγ cosγ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 （7）

M■=cosβ 0 -sinβ 0？搖？搖？搖0？搖 ？搖1？搖 ？搖？搖？搖0 ？搖？搖 0sinβ 0 cosβ？搖 0？搖？搖？搖0？搖 ？搖0？搖 ？搖？搖？搖0？搖 ？搖？搖1

設(shè)攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系上的坐標(biāo)變換的矢量表達(dá)如式（5）。式（6）表示平移和縮放變換，式（7）表示XYZ軸旋轉(zhuǎn)變換。攝像機(jī)在空間中的任何漫游行為都可以分解成一個(gè)坐標(biāo)變換序列，以變換矩陣級(jí)聯(lián)方式表達(dá)。圖2是將原始三維場景高程數(shù)據(jù)可視化與雙目機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺測(cè)程系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

由此可見，學(xué)生通過OSG仿真平臺(tái)的應(yīng)用可以更清楚地掌握計(jì)算機(jī)視覺雙目測(cè)程方法的原理，并且通過簡單的世界坐標(biāo)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的設(shè)置可以直觀地了解理論與實(shí)際結(jié)合過程中的具體實(shí)現(xiàn)和相互影響。

四、結(jié)語

針對(duì)本科生在學(xué)習(xí)《數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用》過程中，對(duì)計(jì)算機(jī)視覺雙目測(cè)程方法等視覺信息處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)概念和技術(shù)較難理解的現(xiàn)狀，本文通過引入OSG平臺(tái)提出了較為簡單直觀的仿真系統(tǒng)構(gòu)建形式，既能彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂講授對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)局限性，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力，對(duì)學(xué)生今后的求職工作或從事科研都有一定的益處。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯濤，等.面向Internet的奧林匹克公園虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，13（3）：547-551.

[2]陳世紅，王海.林木場景漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2009，14（6）：1212-1216.

[3]張伍，等.巡視探測(cè)器立體圖像匹配技術(shù)研究及應(yīng)用[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（1）：241-244.

[4]David Holmes III et al. Visualization in Image-Guided Interventions[G] // Image-Guided Interventions. New York：Springer Science + Business Media，LLC，2008：45-80.

[5]P. Wang et al. Virtual reality simulation of surgery with haptic feedback based on the boundary element method[J]. Computers and Strctures，2007，（85）：331-339.

[6]Paul Martz. OpenSceneGraph Quick Start Guide[M]. Louisville： Skew Matrix Software LLC，2007.

[7]章毓晉.圖像工程[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.endprint