珠寶影像半球掃描儀設(shè)計(jì)

賴俊濤

(黎明職業(yè)大學(xué) 輕紡工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

珠寶影像半球掃描儀設(shè)計(jì)

賴俊濤

(黎明職業(yè)大學(xué) 輕紡工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

為了實(shí)現(xiàn)珠寶產(chǎn)品影像可在垂直與水平2個(gè)自由度方向的觀察、滿足HTML5頁(yè)面、VR影像展示要求，利用iPhone自帶攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)珠寶360°+180°進(jìn)行半球影像掃描，對(duì)標(biāo)本的多組照片進(jìn)行球面映射排序處理，并對(duì)水晶標(biāo)本進(jìn)行影像半球掃描實(shí)驗(yàn)及HTML5半球視景頁(yè)面測(cè)試。研究結(jié)果表明：影像信息預(yù)期應(yīng)用可通過(guò)HTML5 、VR、AR等技術(shù)，便捷實(shí)現(xiàn)立體影像在多種移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)展示與分享，改進(jìn)珠寶產(chǎn)品拍攝、珠寶質(zhì)檢應(yīng)用、珠寶課程教學(xué)中立體影像信息表達(dá)。

珠寶；半球掃描；球面映射排序；HTML5

隨著近年來(lái)VR(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))及AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù))飛速發(fā)展，相關(guān)軟硬件研發(fā)成為投資新熱點(diǎn)。目前，垂直于珠寶產(chǎn)品信息的HTML5、VR立體影像展現(xiàn)技術(shù)尚屬市場(chǎng)空白，針對(duì)珠寶信息采集的軟硬件技術(shù)應(yīng)用有待開(kāi)發(fā)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。本項(xiàng)目旨在為用戶能夠通過(guò)可穿戴設(shè)備或app實(shí)現(xiàn)與虛實(shí)場(chǎng)景交互，極大提升對(duì)珠寶展示認(rèn)知，增強(qiáng)感官體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為：信息采集建模、表現(xiàn)技術(shù)、人機(jī)交互及設(shè)備應(yīng)用，其中，信息采集及建模遇到工作量大、仿真模擬成本高、可信度低等問(wèn)題[1]。本文所研發(fā)的珠寶影像半球掃描儀，能有效地對(duì)寶石原石進(jìn)行球形掃描測(cè)試及HTML5頁(yè)面圖像展示觀察，力圖通過(guò)半球式掃描，打破市場(chǎng)原有珠寶柱面影像采集方式，利用照片球面映射排序與合成，形成樣品360°+180°自由瀏覽的半球面視景圖。

1 半球形圖片信息采集

虛擬現(xiàn)實(shí)所需的影像信息來(lái)自于模型數(shù)據(jù)，包括實(shí)際測(cè)量、數(shù)學(xué)生成和人工構(gòu)造[2]。由于每件珠寶產(chǎn)品具有不同的顏色、形狀、大小等特征標(biāo)定，若都進(jìn)行數(shù)學(xué)生成或人工CAD繪制3D模型并加以渲染存在極大困難。因此，通過(guò)實(shí)際測(cè)量方式，采用攝像機(jī)的預(yù)先位置與觀察角度標(biāo)定，進(jìn)行影像信息采集獲取珠寶產(chǎn)品的3D表面信息，可以有效解決信息采集成本高、工作量較大、產(chǎn)品信息真實(shí)性差等難題。

為了增強(qiáng)珠寶影像掃描儀在市場(chǎng)中的應(yīng)用、降低硬件價(jià)格，設(shè)備采用外接手機(jī)作為硬件攝像頭。目前眾多智能手機(jī)攝像頭已到達(dá)千萬(wàn)級(jí)像素，其中Apple Computer Incorporated 公司的iPhone產(chǎn)品具有3傳感器、3鏡頭的設(shè)計(jì)，能大幅度提高成像質(zhì)量，達(dá)到影像拍攝高清要求；iPhone可運(yùn)行自主開(kāi)發(fā)兼具圖片后期處理、照片排序、上傳云端等功能的App應(yīng)用軟件，界面交互性強(qiáng)、人工操作簡(jiǎn)易；其手機(jī)的位置和角度傳感器亦可對(duì)相機(jī)跟蹤起到重要的輔助作用；珠寶產(chǎn)品在標(biāo)定的穩(wěn)定工作環(huán)境下，通過(guò)iPhone手機(jī)自帶相機(jī)預(yù)先標(biāo)定坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)將多幅圖片投影到3D模型上并完成排序。

2 圖片信息處理技術(shù)

采集的珠寶半球影像信息由多幅照片組成并排序，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)交互界面展示形成360°+180°自由旋轉(zhuǎn)瀏覽功能。所測(cè)試的HTML5頁(yè)面采用照片球面映射排序后，經(jīng)過(guò)后臺(tái)程序，隨著觸屏滑動(dòng)方向連續(xù)導(dǎo)出相應(yīng)視角照片即可完成；其設(shè)備采集信息呈現(xiàn)方式后期亦可采用VR形式表現(xiàn)，采集過(guò)程中要求拍攝同一場(chǎng)景時(shí)，相似角度完成兩張不同位置照片，針對(duì)左右眼播放不同序列照片，形成物體深度感知。

2.1 照片球面映射排序

將多幅照片按照定位角度映射到一個(gè)合適的單位球面上，建立xyz直角坐標(biāo)系，每一幅照片平面均與球面相切，其接觸點(diǎn)為坐標(biāo)值，如圖1所示。

圖1 單位球坐標(biāo)模型

將所有照片按照物理順序排列，并在垂直方向上分為幾個(gè)層次，每一層按照相鄰自左向右照片組成，每一層的第一張和最后一張是同一幅照片，形成在此垂直層的360°視景圖[2]。垂直方向照片層次越多，觀察瀏覽范圍越廣、精細(xì)度越高。

在半球掃描設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)垂直方向上90°內(nèi)有m+1個(gè)檔位，水平方向上360°有n+1個(gè)檔位，其中P(t，i)表示垂直方向t圖層，水平方向i角度檔，P(0，0)代表水平平面上某一起始點(diǎn)位置，P(m，0)代表在垂直于頂部的照片位置，P(0，n)表示水平方向上與起始點(diǎn)相鄰的終點(diǎn)檔位，P(0，n+1)圖像與P(0，0)一致，如圖2所示。

圖2 半球掃描照片結(jié)構(gòu)排序

2.2 雙目視差立體圖

由于雙眼接受不同的影像使人們對(duì)物體形成3D立體感知，因此，雙目立體視覺(jué)法運(yùn)用360°環(huán)繞拍攝的單攝像頭模擬人眼采集不同角度記錄同一物品圖像(圖3)，并通過(guò)一定順序?qū)D片進(jìn)行組合，通過(guò)相關(guān)設(shè)備分別在左右眼輸出細(xì)微角度差異的圖片，形成感知物體深度差，構(gòu)成物體的3D立體感知。

圖3 360°環(huán)繞攝像頭

3 珠寶半球掃描儀

綜合考慮市場(chǎng)應(yīng)用和技術(shù)成本等因素，筆者研制了珠寶半球掃描設(shè)備原型機(jī)，具體介紹如下。

3.1 硬件構(gòu)成

設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)，外觀包括底座、托盤(pán)、底座與托盤(pán)間360°轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、180°轉(zhuǎn)動(dòng)弧形單臂擺桿，如圖4所示。底座內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，將珠寶拍攝樣本固定在托盤(pán)上，可在水平位置上實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。硬件設(shè)備上搭載低功耗藍(lán)牙模塊，手機(jī)App通過(guò)藍(lán)牙模塊與硬件設(shè)備進(jìn)行通訊、傳遞控制信息，實(shí)現(xiàn)硬件無(wú)線操作和圖像采集，如圖5所示。

圖4 珠寶半球掃描設(shè)備(專利號(hào)201620606784.7) 圖5 底座結(jié)構(gòu)示意圖(專利號(hào)201620606784.7)

單臂擺桿向上延伸至托盤(pán)上方，擺桿的自由端設(shè)有可插入iPhone卡槽的夾持裝置，360°轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上設(shè)有擺動(dòng)伺服電機(jī)使得擺桿在垂直方向上180°轉(zhuǎn)動(dòng)。利用擺桿與轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的位置移動(dòng)，使得手機(jī)在多角度進(jìn)行拍攝。

3.2 設(shè)備操作方法

(1)選擇任意一臺(tái)iPhone(IOS7.0及以上版本)，完成自主開(kāi)發(fā)的3D拍攝App的安裝；

(2)將珠寶放在載物臺(tái)上，在不顯眼處用粘膠將產(chǎn)品固定在托盤(pán)上；

(3)點(diǎn)擊App上的開(kāi)始按鈕，按提示打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙功能，將iPhone架在360°+180°轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上的攝像頭位置；

(4)App通過(guò)低功耗藍(lán)牙遙控云臺(tái)作360°+180°半球形轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)iPhone的相機(jī)功能進(jìn)行拍攝；

(5)采集結(jié)束后，照片將同步到服務(wù)器端，并形成“半球形掃描”的圖片序列，隨后服務(wù)器完成生成交互式瀏覽的HTML5半球視景頁(yè)面及對(duì)應(yīng)的鏈接二維碼；

(6)通過(guò)掃描二維碼或者打開(kāi)頁(yè)面鏈接，可在其他任何一臺(tái)手機(jī)上瀏覽此珠寶的360°+180°的HTML5頁(yè)面。

整體拍攝方法簡(jiǎn)單、放大效果明顯、細(xì)節(jié)處理優(yōu)越，便于珠寶全息信息分享。此外，HTML5頁(yè)面可承載更多相關(guān)導(dǎo)覽購(gòu)物信息，便于傳播。

4 影像半球掃描測(cè)試及HTML5頁(yè)面成像

4.1 影像半球掃描測(cè)試

在IOS SDK(Apple Computer Incorporated公司提供的開(kāi)發(fā)工具)以及Xcode開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用Objective-C(驅(qū)動(dòng)所有IOS程序應(yīng)用的語(yǔ)言)進(jìn)行匯編，開(kāi)發(fā)Gem-scan軟件操作界面。手機(jī)藍(lán)牙連接硬件，實(shí)現(xiàn)控制程序、機(jī)器自動(dòng)化運(yùn)作。

圖6 影像半球掃描測(cè)試演示

鑒于圖片信息需保持清晰、處理速度快的特點(diǎn)，因此，需在保持較好的球形視景條件下，簡(jiǎn)化拍攝工序。利用iPhone自帶800萬(wàn)像素及以上的后置攝像頭，通過(guò)深槽隔離(deep trench isolation)技術(shù)有效提升色彩還原、數(shù)字防抖和光學(xué)防抖功能，保障攝像頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中影像的清晰抓取。在水平方向上設(shè)置每隔7.5°定格拍攝，同一垂直圖層達(dá)48張圖片，在垂直方向上90°內(nèi)設(shè)置3層平面并相隔45°，如圖6所示。所采集的珠寶圖像信息與攝像頭在空間中位置一一對(duì)應(yīng)，由手機(jī)App下載圖像并傳送至云端服務(wù)器進(jìn)行圖片球形映射排序處理。

4.2 HTML5半球視景頁(yè)面測(cè)試

HTML5頁(yè)面可在手機(jī)及PC端瀏覽器、微信等軟件應(yīng)用中打開(kāi)，同時(shí)可進(jìn)行掃描二維碼信息傳播，其頁(yè)面交互性強(qiáng)、操作便捷，是良好的影像呈現(xiàn)平臺(tái)。

為了將珠寶半球掃描設(shè)備所采集的影像信息表達(dá)成半球形觀察視景，在前人工作基礎(chǔ)上[3]，在服務(wù)器后臺(tái)程序中引用Gem View軟件程序代碼，調(diào)用Gem-Scan上傳的一系列序列照片，通過(guò)程序在后臺(tái)形成相關(guān)指令，形成球面映射投影，合成相應(yīng)半球旋轉(zhuǎn)觀測(cè)的HTML5頁(yè)面，利用鼠標(biāo)或手機(jī)觸屏感應(yīng)控制珠寶影像在360°+180°的范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)瀏覽，其觀察角度與設(shè)備的采集角度一一對(duì)應(yīng)。

后臺(tái)程序基于微軟.net運(yùn)行，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2012，引用CSGL庫(kù)，使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存圖片索引信息及用戶數(shù)據(jù)，Web瀏覽器采用HTML5語(yǔ)言匯編，界面可調(diào)用了Canvas窗口創(chuàng)建圖像預(yù)覽。手機(jī)打開(kāi)HTML5頁(yè)面，通過(guò)在垂直和水平兩個(gè)自由度方向滑動(dòng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試珠寶標(biāo)本(水晶2.7 cm ×1.7 cm×1.5 cm)在HTML5頁(yè)面展示區(qū)域?qū)崿F(xiàn)觀測(cè)樣本角度隨著手指觸屏方向而旋轉(zhuǎn)變化，360°+180°半球視景觀察效果良好，如圖7所示。

圖7 向右滑動(dòng)手機(jī)屏幕

5 結(jié) 論

開(kāi)發(fā)珠寶半球掃描儀及相關(guān)軟件應(yīng)用、HTML5半球視景網(wǎng)頁(yè)；進(jìn)行寶石的影像采集及頁(yè)面觀察，在垂直與水平兩個(gè)自由度上實(shí)現(xiàn)了良好的360°+180°自由旋轉(zhuǎn)的瀏覽效果。珠寶半球掃描儀采集的影像信息具有多項(xiàng)影像表現(xiàn)途徑，通過(guò)HTML5、VR、AR等技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中適用于眾多相關(guān)珠寶工作流程中信息效驗(yàn)與改善產(chǎn)品視覺(jué)表現(xiàn)。該技術(shù)應(yīng)用方向可歸納如下：

(1)珠寶產(chǎn)品拍攝：目前在各大電子商務(wù)平臺(tái)，珠寶影像表達(dá)多為平面拍攝圖片，應(yīng)用半球立體影像呈現(xiàn)方式，可大幅提升客戶感官，更加全面、準(zhǔn)確地了解貨品信息。立體影像可通過(guò)HTML5頁(yè)面、Flash、GIF等多格式表達(dá)，鏈接至電子商務(wù)平臺(tái)。HTML5頁(yè)面方便客戶在移動(dòng)端閱覽與分享，有效提高產(chǎn)品成交率[4]。利用珠寶半球掃描儀，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化拍攝，簡(jiǎn)化拍攝溝通與修圖，在珠寶產(chǎn)品高頻更新的市場(chǎng)環(huán)境中，能有效控制拍攝與影像信息整理成本。

(2)建立數(shù)字標(biāo)本庫(kù)引導(dǎo)信息化教學(xué)：借助珠寶批發(fā)公司、博物館、高校等搭建“珠寶高校聯(lián)盟+裸石珠寶批發(fā)公司”產(chǎn)品信息標(biāo)本資源庫(kù)，地區(qū)高?？晒蚕硇ｋH網(wǎng)絡(luò)信息資源，學(xué)生可通過(guò)此技術(shù)不受時(shí)間及場(chǎng)地限制大量觀測(cè)標(biāo)本影像，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)實(shí)踐能力，完成線上教學(xué)應(yīng)用突破，提升各地高校珠寶教學(xué)質(zhì)量。

(3)AR影像視頻珠寶質(zhì)檢標(biāo)定：由于采用平面拍照拍攝常規(guī)珠寶質(zhì)檢難以完整顯示寶玉石信息，因此，市面上出現(xiàn)少量不良商家利用此拍攝弊端出現(xiàn)“套貨”現(xiàn)象(證書(shū)與外觀相似貨品一起當(dāng)作原貨品售賣，以次充好)。利用AR技術(shù)在珠寶半球視景圖中在寶玉石特征鑒定區(qū)域增加特征標(biāo)定，通過(guò)360°+180°旋轉(zhuǎn)觀察寶玉石特征，可根據(jù)色塊、寶玉石形狀做簡(jiǎn)易區(qū)分，有效提升鑒定證書(shū)價(jià)值，提升防偽門(mén)檻。

(4)珠寶影像信息保護(hù)：由于市場(chǎng)上充斥高仿知名珠寶品牌款式，通過(guò)現(xiàn)有法律監(jiān)管體系，知識(shí)產(chǎn)權(quán)無(wú)法受到有效保護(hù)。通過(guò)服務(wù)器信息提取與分類有效識(shí)別相似度過(guò)高的產(chǎn)品上傳，保護(hù)品牌獨(dú)立設(shè)計(jì)師知識(shí)產(chǎn)權(quán)，同時(shí)有助于消費(fèi)者更好地認(rèn)知產(chǎn)品特征。

[1] ZHAO Q P. A survey on virtual reality [J].Science in China(Series F:Information Sciences)， 2009(3): 348.

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[3] 余悠，李晶. 基于單攝像頭的寶石三維影像采集系統(tǒng)[J].寶石和寶石學(xué)雜志,2013，15(2):7.

[4] 魏加曉. 微信廣告的應(yīng)用研究[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013，16(8):98.

(責(zé)任編輯：黃韡 英文審校：楊德權(quán))

The Design of the Jewelry Image Hemisphere Scanner

LAI Juntao

(College of Light-Textile Engineering, Liming Vocational University, Quanzhou 362000, China)

In order to observe the images of jewelry products in vertical and horizontal angle, which is a basic display requirement of HTML5 page and VR (virtual reality) stereoscopic image, this paper puts forward a design, which could conduct a 360°+180° hemispheric scanning of the jewelry products with the camera in iPhone. The device could make hemispherical mapping sorting of multiple images of jewelry products and the crystal specimens were hemispherical scanned, HTML5 hemisphere visual page tested. Their image information is intended to be achieved easily with HTML5, VR, AR and other technologies in order that the 3-dimensional images could be shared in a variety of mobile devices and also could be improved in fields such as jewelry products photography, jewelry inspection application and jewelry course teaching.

jewel; hemispherical scanning; hemispherical mapping sorting; HTML5

1008-8075(2017)01-0065-05

10.13446/j.cnki.jlvu.20170015

2016-10-13

賴俊濤(1990-)，男，助教，主要從事珠寶營(yíng)銷與互聯(lián)網(wǎng)方面研究。

福建省教育廳課題；黎明職業(yè)大學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(LZ2015108)

TU 502.6

A