珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)設計

何帥森

關鍵詞： 珠三角城市; 公共藝術; 三維彩色; 動態(tài)影像; 顯示系統(tǒng); 顏色特征提取

中圖分類號： TN911.73?34; TP314 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0140?04

Design of 3D color dynamic image display system for

public arts in Pearl River Delta cities

HE Shuaisen

（City College of Dongguan University of Technology， Dongguan 523430， China）

Abstract： The 3D earth based high?efficiency visualization management system of massive remote sensing images produces a large number of interference images when using the 3D earth technology to obtain remote sensing images of public art buildings in Pearl River Delta cities， and cannot display high?quality 3D color dynamic images. Therefore， a 3D color dynamic image display system is designed for public arts in Pearl River Delta cities. A 3D landscape model for public arts in Pearl River Delta cities is constructed based on the overall technical scheme of the system. On this basis， the terrain surface of public art buildings in Pearl River Delta cities is simulated by using the digital elevation model and according to the elevation data carried by the discrete?distributed planar points of public art buildings in Pearl River Delta cities. The data of public art buildings in Pearl River Delta cities is processed into geometric figures used for image drawing by means of visualized dynamic mapping. Conversion， compression， and color feature extraction are conducted for geometric figures to realize 3D color dynamic image display of public arts in Pearl River Delta cities. The experimental results show that the designed system has a good dynamic image display effect， and time consumptions of less than 0.26 s and 2.32 s for image rendering and compression respectively， which is an efficient and high?quality 3D color dynamic image display system for public arts in Pearl River Delta cities.

Keywords： Pearl River Delta city; public art; 3D color; dynamic image; display system; color feature extraction

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，珠江三角城市之間的競爭關系從過去的經(jīng)濟競爭逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘行蜗蟮母偁帲瑢⒊鞘械乃囆g文化水平作為衡量城市價值的關鍵，城市公共藝術的發(fā)展和形象精確的塑造將大幅度提升城市的品牌價值。大量城市在轉(zhuǎn)型過程中，意識到城市形象設計能夠為城市文化體系建設提供持續(xù)動力，珠三角城市公共文化通過不斷升級、不斷超越以及更加現(xiàn)代化的視覺呈現(xiàn)，產(chǎn)生城市發(fā)展的一種全新視野。城市公共藝術三維圖像動態(tài)的展示能更加直觀地使人們了解城市的形象，所以研究一種有效的珠三角城市公共文化三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)十分必要。

文獻[1]基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)，采用三維地球和數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)海量、多分辨率遙感影像的快速查詢、檢索與定位，但是獲取的遙感影像存在較多的干擾影像，無法以高分辨率顯示出清晰的三維彩色動態(tài)影像。文獻[2]采用混沌系統(tǒng)實現(xiàn)影像的動態(tài)分析和圖像顯示，但存在影像顯示用時耗時長且顯示影像質(zhì)量差的弊端。

為了解決以上問題，本文設計珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)，提升三維彩色動態(tài)影像的顯示質(zhì)量和響應水平。

1 ?珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)設計

1.1 ?系統(tǒng)總體技術方案

構(gòu)建本文珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)的總體技術方案如圖1所示。從中可以看出：通過無人機駕駛飛行器得到珠三角城市公共藝術建筑的高質(zhì)量和大范圍三維彩色動態(tài)影像[3];之后依照不同城市公共藝術建筑物的幾何特征分別采用單影像測量系統(tǒng)得到城市公共藝術建筑的具體建筑信息[4];在此基礎上融合數(shù)字化地形圖和飛行器獲取的三維彩色動態(tài)圖像，構(gòu)建如圖2所示的珠三角城市公共藝術三維景觀模型。

1.2 ?數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型是用于表示地形空間分布狀態(tài)的有限三維向量[O，P，Q]，該三維向量中的[O]和[P]為地形點的平面位置[5]，即為珠三角城市公共藝術建筑的平面位置，將對應點的高程用[Q]表示。數(shù)字高程模型是依據(jù)離散分布的珠三角城市公共藝術建筑平面點上攜帶的高程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對連續(xù)分布的珠三角城市公共藝術建筑地形表面的模擬[6]。數(shù)字高程模型的DEM數(shù)據(jù)如圖3所示。

格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)具有分割、合并操作容易和數(shù)據(jù)形式簡單的特點[7]，所以通常采用格網(wǎng)DEM來構(gòu)建比例尺較小的DEM。在珠三角城市公共藝術建筑三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)設計過程中，格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)的簡化過程是采用小格網(wǎng)高分辨率的DEM數(shù)據(jù)代替大網(wǎng)格的低分辨率DEM數(shù)據(jù)。該過程可以最大程度地降低珠三角城市公共藝術建筑的失真。

1.3 ?三維彩色動態(tài)影像顯示流程

三維彩色動態(tài)影像顯示流程基于New Map三維技術體系測量珠三角城市公共藝術建筑，其是一種GIS系統(tǒng)，是實現(xiàn)三維彩色動態(tài)影像顯示的核心技術。詳細的顯示流程如圖4所示。

由圖4可知，系統(tǒng)實現(xiàn)三維彩色動態(tài)影像的顯示需要先建立數(shù)據(jù)庫資源，構(gòu)成珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的處理過程即從大量的珠三角城市公共藝術建筑信息中提取出有效的信息，此外數(shù)據(jù)量過少也對三維彩色動態(tài)影像的顯示造成影響?？梢暬瘎討B(tài)映射即將獲取的珠三角城市公共藝術建筑數(shù)據(jù)處理為可用于繪制影像的幾何圖形。三維彩色動態(tài)影像的顯示即將上述過程產(chǎn)生的幾何圖形不斷變換、壓縮、提取顏色特征，最終得到三維彩色動態(tài)影像的屏幕顯示。

珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示時還需對三維模型進行顏色渲染，將某張珠三角城市公共藝術建筑的灰階圖像用[F（x，y）]表示，其顏色直方圖定義為：

[Histogram=（Ci，F(xiàn)i）Ci∈Colorset，0≤Fi≤1，1≤i≤nFi=1，且1≤i≤n]

式中：[（Ci，F(xiàn)i）]為該顏色點的坐標;[Ci]表示不同的顏色;顏色灰度值用Histogrom表示。系統(tǒng)依照灰階值特征的不同可實現(xiàn)三維彩色動態(tài)影像的不同灰階顏色分離。

2 ?實驗分析

2.1 ?顯示效果分析

為驗證本文構(gòu)建珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)分別與基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)[1]、基于一種新的混沌系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖像顯示系統(tǒng)[2]獲取的城市公共藝術建筑結(jié)果進行對比，3種系統(tǒng)的影像顯示結(jié)果如圖5所示。對比分析3種系統(tǒng)對珠三角城市公共藝術建筑的三維彩色動態(tài)影像顯示結(jié)果，可以看出，基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)和基于一種新的混沌系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖像顯示系統(tǒng)的顯示結(jié)果較為模糊;而本文系統(tǒng)的影像顯示效果較清晰。因此說明本文系統(tǒng)更加適用在珠三角城市公共藝術的三維彩色動態(tài)影像顯示中。

2.2 ?效率分析

三維彩色動態(tài)影像顯示質(zhì)量好壞是評價系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一項指標，但系統(tǒng)顯示出準確結(jié)果的用時結(jié)果也是評價系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關鍵指標。實驗為驗證本文系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，對3種系統(tǒng)顯示10種類型珠三角城市公共藝術建筑三維彩色動態(tài)影像的渲染用時和影像壓縮的耗時進行比較。實驗記錄3種系統(tǒng)的渲染用時如表1所示，3種系統(tǒng)壓縮影像的耗時對比如圖6所示。

分析表1數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)對不同類型珠三角城市公共藝術建筑的三維彩色動態(tài)影像渲染用時最短，渲染時間最高僅為0.26 s;基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)的渲染時間是本文系統(tǒng)渲染時間的5倍以上;基于一種新的混沌系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖像顯示系統(tǒng)的渲染時間隨著實驗的進行變化幅度較強，且用時最長。突出顯示了本文系統(tǒng)對珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像的渲染用時優(yōu)勢。

系統(tǒng)對珠三角城市公共藝術建筑三維彩色動態(tài)影像的壓縮耗時也是衡量系統(tǒng)性能好壞的關鍵指標。從圖6中可以看出，本文系統(tǒng)的影像壓縮用時最低，耗時始終低于2.32 s，且在實驗測試過程中影像壓縮用時的變化幅度較小;基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)壓縮用時較長，超出本文系統(tǒng)用時3 s以上;基于一種新的混沌系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖像顯示系統(tǒng)僅在對第4種影像的壓縮用時最短為4.35 s，其他影像的壓縮用時均較高，該系統(tǒng)的壓縮用時波動較大，穩(wěn)定性差。綜合分析以上實驗結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)的顯示結(jié)果清晰，分辨率高，且系統(tǒng)的渲染和壓縮能力強。

3 ?結(jié) ?論

基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)，呈現(xiàn)出的三維彩色動態(tài)影像存在分辨率低和質(zhì)量差的弊端。針對這一弊端，本文設計珠三角城市公共藝術三維彩色動態(tài)影像顯示系統(tǒng)，采用單影像測量系統(tǒng)獲取精準的珠三角城市公共藝術建筑信息，得到的影像資料較為精準。實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能高質(zhì)量地顯示出珠三角城市公共藝術建筑的三維彩色動態(tài)影像，其影像顏色渲染和壓縮時間較短，最長的三維彩色動態(tài)影像渲染時間不超過0.26 s，且系統(tǒng)壓縮影像的時間變化幅度小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較優(yōu)。

參考文獻

[1] 李盛陽，于海軍，韓潔，等.基于三維地球的海量遙感影像高效可視化管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].遙感技術與應用，2016，31（1）：170?176.

LI Shengyang， YU Haijun， HAN Jie， et al. Design and implementation of efficient visualization management system for massive remote sensing images based on three?dimensional globe [J]. Remote sensing technology and application， 2016， 31（1）： 170?176.

[2] 王劃，盛瀟澍，昝鵬.基于一種新的混沌系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖像顯示[J].電測與儀表，2017，54（3）：67?71.

WANG Hua， SHENG Xiaoshu， ZAN Peng. Dynamic analysis and image display based on a new chaotic system [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2017， 54（3）： 67?71.

[3] 張星星，曾輝.珠江三角洲城市群三維生態(tài)足跡動態(tài)變化及驅(qū)動力分析[J].環(huán)境科學學報，2017，37（2）：771?778.

ZHANG Xingxing， ZENG Hui. Dynamic of three dimensional ecological footprints in the Pearl River Delta and its driving factors [J]. Acta scientiae circumstantiae， 2017， 37（2）： 771?778.

[4] 王詩軍，李鈺婷，李淳德.脊柱側(cè)彎內(nèi)固定系統(tǒng)置入及三維重建技術的應用[J].中國組織工程研究，2016，20（4）：583?588.

WANG Shijun， LI Yuting， LI Chunde. Scoliosis fixation system implantation and the application of three?dimensional reconstruction technique [J]. Chinese journal of tissue engineering research， 2016， 20（4）： 583?588.

[5] 俞立平，潘兵.使用單彩色相機的單相機三維數(shù)字圖像相關方法[J].實驗力學，2017，32（5）：687?698.

YU Liping， PAN Bing. Single?camera three?dimensional digital image correlation using a single color camera [J]. Journal of experimental mechanics， 2017， 32（5）： 687?698.

[6] 曾超，高洪躍，劉吉成，等.動態(tài)全息三維顯示研究最新進展[J].物理學報，2015，64（12）：47?54.

ZENG Chao， GAO Hongyue， LIU Jicheng， et al. Latest developments of dynamic holographic three?dimensional display [J]. Acta physica sinica， 2015， 64（12）： 47?54.

[7] 孫麗.三維動態(tài)圖像重構(gòu)特征移動誤差消除方法研究[J].計算機仿真，2015，32（9）：413?416.

SUN Li. A movement error elimination method of three?dimensional dynamic image reconstruction characteristics [J]. Computer simulation， 2015， 32（9）： 413?416.

[8] 陳琳，李潔.基于虛擬現(xiàn)實技術的三維影像智能顯示系統(tǒng)嵌入式設計[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（8）：100?102.

CHEN Lin， LI Jie. Design of 3D image embedded intelligent display system based on virtual reality technology [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（8）： 100?102.

[9] 何磊，梁發(fā)云，楊金遠，等.基于FPGA的裸眼3D圖像顯示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子器件，2018，41（5）：144?148.

HE Lei， LIANG Fayun， YANG Jinyuan， et al. Design and implementation of naked?eye 3D image display system based on FPGA [J]. Chinese journal of electron devices， 2018， 41（5）： 144?148.

[10] 王民，王靜，張立材，等.基于混合色彩空間的分塊顏色特征提取算法[J].激光與光電子學進展，2018（1）：252?258.

WANG Min， WANG Jing， ZHANG Licai， et al. Block color feature extraction algorithm based on mixed color space [J]. Laser & optoelectronics progress， 2018（1）： 252?258.