全景視頻技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李瑾瑞

摘? 要： 全景環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中，由于景象空間定位的問(wèn)題，造成設(shè)計(jì)效果出現(xiàn)陰影或者景象重疊，為此提出基于全景視頻技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法。引入全景視頻技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)物體景象進(jìn)行多角度數(shù)據(jù)采集，利用采集數(shù)據(jù)繪制三維空間模型，對(duì)三維空間模型求解一階微分方程，獲取物體景象尺度空間定位極值，根據(jù)尺度空間上下定位極值實(shí)現(xiàn)全景視頻圖像配準(zhǔn)和融合，完成物體全景環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比方式，通過(guò)觀察公共區(qū)域陰影疊加以及融合圖像中物體的疊加結(jié)果表明，所提方法能夠有效解決常規(guī)方法出現(xiàn)的問(wèn)題，更加適用于全景環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì); 全景視頻技術(shù); 視頻采集; 視頻處理; 用戶體驗(yàn); 環(huán)境空間定位

中圖分類號(hào)： TN02?34; TP18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）11?0059?04

Research on application of panoramic video technology in environmental art design

LI Jinrui

（Jianghan University， Wuhan 430056， China）

Abstract： Due to the problem of spatial positioning of the scene， the shadows or scene overlapping appear in the design effect in the panoramic environmental art design. Therefore， an environmental art design method based on panoramic video technology is proposed. The panoramic video technology is introduced to collect multi?angle data of the designed object scene. The collected data is used to draw a three?dimensional space model. The first?order differential equation is solved for the three?dimensional space model to obtain the extreme value of object scene scale space positioning. The panoramic video image registration and fusion are achieved according to the extreme value of the up and down positioning for scale space to complete the artistic design of object panorama environment. The contrastive method was used in the experiment. By observing the superposition of shadows in the public area and the superposition of the objects in the fusion image， it is shown that the proposed method can effectively solve the problems arising in the conventional methods. Therefore， it is more suitable for the panoramic environmental art design.

Keywords： environmental art design; panoramic video technology; video collection; video processing; user experience; environmental space positioning

0? 引? 言

全景視頻技術(shù)能夠在任何一個(gè)方向進(jìn)行視頻觀看，擺脫了原有的觀看角度的束縛，給人以真切的感官體驗(yàn)[1]。如今，全景視頻是大眾普遍歡迎，大范圍使用的一種媒體形式，極大地改善了人們的生活。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)是數(shù)字建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，在特定的范圍之中實(shí)施對(duì)藝術(shù)景觀的構(gòu)建和創(chuàng)造。隨著人們生活水平的逐步提升使得對(duì)于居住休閑環(huán)境的要求隨之上升，傳統(tǒng)視頻只能夠提供某些視角，不能全面地呈現(xiàn)環(huán)境全貌，難以讓用戶對(duì)環(huán)境中的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行掌握，浪費(fèi)了時(shí)間和成本，已經(jīng)不能適應(yīng)于人們的需要[2]。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，將全景視頻技術(shù)和環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)全景視頻技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用進(jìn)行了探索和研究。全景視頻技術(shù)可以通過(guò)全方位的視頻拍攝提供整體的環(huán)境，幫助設(shè)計(jì)者理解環(huán)境的具體情況，全景視頻技術(shù)的應(yīng)用為人們良好的生存環(huán)境奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了十分便捷的生活條件。

本文針對(duì)信息的采集和處理，動(dòng)態(tài)過(guò)程的建立，以全景視頻與人的交互為主要內(nèi)容進(jìn)行闡述，介紹了其在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中存在的優(yōu)勢(shì)。

1? 景視頻技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的信息采集與處理

全景視頻技術(shù)對(duì)于信息的采集相較于傳統(tǒng)的視頻拍攝，最大的區(qū)別在于采用多個(gè)鏡頭從各個(gè)角度對(duì)事物拍攝，此種方式能夠?yàn)橛脩籼峁┤轿坏男畔?，并且只需要調(diào)節(jié)視頻便能夠調(diào)取事物的整體風(fēng)貌[3]。針對(duì)上述全景視頻技術(shù)特征，設(shè)計(jì)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中的信息采集與處理過(guò)程，如圖1所示。

全景視頻技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用所要開展的第一項(xiàng)工作便是信息的采集工作，在信息采集的過(guò)程中普遍運(yùn)用3個(gè)及以上攝像機(jī)，將其按照一定的角度拼接起來(lái)，如圖2所示。

圖2中，每個(gè)相機(jī)都是相互獨(dú)立的，自主完成信息的采集和保存，在這個(gè)環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)的視頻技術(shù)的流程是一致的，在信息采集之后通過(guò)電子信息技術(shù)等一系列現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行處理，獲得全方位無(wú)死角的視頻[4]。本文對(duì)各個(gè)攝像頭輸入的原始視頻幀進(jìn)行特征提取。如圖2所示，背景存儲(chǔ)區(qū)變換可以用3×3立體圖樣來(lái)表示，該圖樣描述了相同空間上不同幀之間的平移、旋轉(zhuǎn)、仿射等關(guān)系。因此，規(guī)定以中間攝像頭所捕獲的參考幀為參考視頻，利用背景變換圖樣將其余攝像頭所捕獲的幀投影到同一個(gè)背景中。由于3×3立體圖樣表達(dá)的是物體不同坐標(biāo)系的位置關(guān)系，故只有參數(shù)間的比例關(guān)系有意義，因此，該立體圖樣實(shí)際上只有8個(gè)自由度。進(jìn)一步推導(dǎo)可知，只要有3對(duì)坐標(biāo)值即可確定該立體圖樣。采集所需的投影立體圖樣，首先需要在相鄰幀的重疊區(qū)域內(nèi)分別找出特征點(diǎn)，然后對(duì)其進(jìn)行匹配得到一系列對(duì)應(yīng)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)要求至少有6對(duì)，多于6對(duì)時(shí)求取最小公共陰影，在原始幀中提取足夠多匹配的特征點(diǎn)，最終生成全景視頻即為采集視頻數(shù)據(jù)。

采集信息的處理，該項(xiàng)工作實(shí)施的第一步是將采集到的視頻拼接起來(lái)，全景視頻拼接技術(shù)能在保持視頻的時(shí)間同步一致的基礎(chǔ)上將各個(gè)相機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行連接，并充分地保障視頻的穩(wěn)定性以及質(zhì)量。在這個(gè)過(guò)程中，可以充分借助于杰圖全景視頻大師等專業(yè)性的軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在提升視頻色彩水平和整體質(zhì)量的同時(shí)，能夠大幅度地增強(qiáng)視頻拼接效率[5]。第二步是實(shí)現(xiàn)與用戶的交接，在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的媒介作用，實(shí)現(xiàn)用戶和視頻之間的交流和溝通，給予一種設(shè)身處地的真實(shí)感覺[6]。

這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)詳細(xì)闡述如下：首先，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將視頻描繪的整個(gè)環(huán)境的虛擬狀態(tài)搭建起來(lái);其次，經(jīng)過(guò)傳感器等實(shí)現(xiàn)視頻和用戶之間的相互交流，在此之中，用戶可以根據(jù)自己的感受以及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)改變視頻中呈現(xiàn)的具體場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中的合理布局與構(gòu)建。所以，全景視頻技術(shù)在信息的采集與處理中充分地運(yùn)用了視頻的合成技術(shù)、視頻顯示技術(shù)、三維建模技術(shù)等，借助于計(jì)算機(jī)軟、硬件的媒介作用，實(shí)現(xiàn)視頻和用戶之間的溝通，以及用戶在藝術(shù)設(shè)計(jì)的參與過(guò)程，進(jìn)而能夠適應(yīng)于大眾對(duì)于環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格的要求[7]。

2? 獲取尺度空間極值

在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中存在的突出性問(wèn)題在于難以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外景物具體的固定位置以及所要呈現(xiàn)的詳細(xì)形態(tài)[8]。全景視頻技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中能夠全方位地采集到不同視角下景物的外圍數(shù)據(jù)，只要對(duì)景物尺度空間極值進(jìn)行求取便可以解決上述問(wèn)題。

首先將上述單元采集到的數(shù)據(jù)放置在同一空間圖樣中，然后建立一個(gè)三維空間模型[9]。借助于3dsMax，SketchUp軟件共同繪制，根據(jù)全景視頻確定景物的具體位置，搭建具體的模型，對(duì)環(huán)境藝術(shù)中涉及要素進(jìn)行選定和調(diào)節(jié)，獲得適應(yīng)于需求和滿足美觀的實(shí)際視頻圖[10]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定多個(gè)攝像頭的活動(dòng)空間和軌跡，對(duì)鏡頭的焦距等實(shí)施調(diào)節(jié)，對(duì)制作出來(lái)的總體效果進(jìn)行完善。對(duì)于小的細(xì)節(jié)進(jìn)行模糊化處理，假設(shè)攝像頭的三維運(yùn)動(dòng)方程式如下：

[X=θx+axV-θx+ayVY=θy+ayV-θy+axVZ=Tmax-Tminv] （1）

式中：[ax]，[ay]分別為參考幀的水平與垂直分辨率;[θx]和[θy]分別為攝像頭采集幀的水平與垂直分辨率;[V]為幀率;[v]為采集信息角速度動(dòng)速度的分量;[Tmax]，[Tmin]分別為公共區(qū)域的最大和最小空間尺度參數(shù)。

將式（1）轉(zhuǎn)換為一階微分方程組如下：

[S=（θy+ay）V+Xθx+ax?cos?N=-（θx+ax）V+Yθy+ay?sin?]? ?（2）

式中[?]為攝像頭可旋轉(zhuǎn)角度。給定參考幀的初始采集條件，即可求出[S]，[N]等空間尺度特性參數(shù)。至此，實(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中目標(biāo)尺度空間極值的獲取。

3? 全景視頻圖像配準(zhǔn)和融合

3.1? 投影平面配準(zhǔn)

通過(guò)獲取尺度空間極值過(guò)程確保全景視頻實(shí)時(shí)輸出視頻標(biāo)準(zhǔn)定位，再通過(guò)算法獲取最佳投影矩陣的相關(guān)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)視頻幀間配準(zhǔn)。簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程，采用高效的方法投影以及融合差異攝像頭的全部視頻幀。實(shí)施過(guò)程中依據(jù)原始化過(guò)程獲取的配準(zhǔn)參數(shù)，向相同平面中投影差異攝像頭的全部幀，完成配準(zhǔn)，該過(guò)程表示如下：

[x=u0x+u1y+u2u6x+u7y+1y=u3x+u4y+u5u6x+u7y+1]? （3）

式中：原始化過(guò)程獲取的最佳投影矩陣的8參數(shù)用[ui（i=0，1，2，…，7）]描述，投影幀內(nèi)的像素點(diǎn)左邊用[（x，y）]描述，向參考幀內(nèi)投影的像素點(diǎn)坐標(biāo)用[（x，y）]描述。

配準(zhǔn)后的圖像幀形狀以及大小存在不規(guī)則性以及隨機(jī)性，為了提高配準(zhǔn)后圖像效果，需要先設(shè)置一個(gè)大背景圖像空間，利用該背景圖配準(zhǔn)全部圖像幀。配準(zhǔn)過(guò)程中采用的參考坐標(biāo)為中間攝像頭的幀坐標(biāo)，依據(jù)該參考坐標(biāo)塑造背景圖像，也就是向背景圖像中間填入中間攝像頭的幀，其他相鄰攝像頭的幀分別進(jìn)行投影變換[W1]以及[W2]后，分別在背景圖像中同參考幀進(jìn)行配準(zhǔn)，同時(shí)，在配準(zhǔn)過(guò)程中需要對(duì)差異幀間的混合范圍利用雙線性融合以及非線性融合技術(shù)實(shí)施融合處理。

3.2? 混合范圍融合

3.2.1? 雙線性加權(quán)融合

圖像融合是指對(duì)多個(gè)源像素值實(shí)施加權(quán)后獲取唯一的目標(biāo)像素值，例如，存在混合范圍的兩幀分別是[Q1]和[Q2]，加權(quán)函數(shù)是[a（x，y）]，則融合幀混合范圍的像素值[Ehybrid（x，y）]可表示為：

[Ehybrid（x，y）=a（x，y）?Q1（x，y）+（1-a（x，y））?Q2（x，y）] （4）

通過(guò)雙線性加權(quán)融合操作相鄰幀間的混合范圍像素值。通過(guò)目標(biāo)像素點(diǎn)坐標(biāo)同原始幀邊界的距離塑造加權(quán)函數(shù)。設(shè)置投影后的兩幅圖像分別是[G]和[P]，兩幅圖像混合范圍中的某點(diǎn)為[S]，那么兩幅圖中該點(diǎn)的像素值分別是[SG]和[SP]，運(yùn)算點(diǎn)[S]距離兩幅圖四邊的最小距離[JG]和[JP]，獲取融合圖中點(diǎn)[S]的像素值[SBlend]如下：

[SBlend=JGJG+JP?SG+1-JGJG+JPSP] （5）

式（5）運(yùn)算的融合像素值充分分析了相鄰幀的價(jià)值度，通常條件下能夠完成單一像素范圍到混合范圍平滑的圖像融合，但是當(dāng)圖像存在視差問(wèn)題時(shí)，需要融合兩幀混合范圍場(chǎng)景，內(nèi)容差異較高，導(dǎo)致上述融合過(guò)程存在鬼影問(wèn)題，使得混合范圍出現(xiàn)重影以及模糊問(wèn)題，此時(shí)應(yīng)采用非線性融合方法實(shí)現(xiàn)圖像像素融合。

3.2.2? 非線性融合

如果觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，觀測(cè)相同物體同附近物體的相對(duì)距離存在較大的波動(dòng)問(wèn)題，形成視差。特別是物體同攝像頭間的距離特別小時(shí)，會(huì)形成嚴(yán)重的視差問(wèn)題。此時(shí)，采用非線性的模板融合方法解決鬼影問(wèn)題，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)加權(quán)模板函數(shù)：

[b（x，y）=1，? ? ?min（x，y，x-R，y-Z）>Msin（π?（min（x，y，x-R，y-Z）M-? ? ? 0.5））+12，? ? ? ? otherwise? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?] （6）

式中：[R]和[Z]分別表示原始幀的寬和高;[M]表示非線性過(guò)渡范圍的寬度。幀中心范圍中的[a]值保持穩(wěn)定，當(dāng)其接近邊界一定范圍后，則進(jìn)入寬度是[M]的過(guò)渡范圍中，以非線性的方式快速遞減，并通過(guò)[M]值調(diào)控遞減的速率。采用[M]值對(duì)相鄰幀像素融合過(guò)程中各自的權(quán)重和加權(quán)的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，[M]值越高，相鄰幀間的過(guò)渡范圍越寬，過(guò)渡更平滑，反之亦然。該非線性融合過(guò)程能夠?qū)旌戏秶吔绲倪^(guò)渡速率和范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，解決鬼影問(wèn)題， 增強(qiáng)了圖像的融合效果。

4? 仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試全景視頻技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性，采用相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用該方法對(duì)設(shè)計(jì)物體的陰影幅度偏差以及圖像融合結(jié)果。

4.1? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

選擇基于視頻序列的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共分兩部分進(jìn)行，仿真實(shí)驗(yàn)部分通過(guò)數(shù)據(jù)軟件直觀對(duì)比陰影面積的大小，實(shí)際測(cè)試部分則通過(guò)對(duì)比融合效果，判斷兩種方法的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用特殊攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示，并給出相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

4.2? 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩種環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4a）為對(duì)比方法的定位幅度偏差，圖4b）為本文方法的定位幅度偏差。由于實(shí)驗(yàn)最大程度地刨除了設(shè)計(jì)過(guò)程中的各項(xiàng)影響因素，分析圖4可知，圖4a）組公共陰影部分較大，圖4b）組的公共陰影較小，這表明對(duì)比方法未能定位出物體本體位置，造成陰影疊加的現(xiàn)象，而本文設(shè)計(jì)方法更佳。

4.3? 圖像融合實(shí)驗(yàn)

以某一街景為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，依然采用上述兩種方法作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證攝像機(jī)數(shù)量相同，在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示。

觀察上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在本文方法下圖像融合結(jié)果與真實(shí)全景影像相差不多，但是常規(guī)方法下圖像融合結(jié)果存在一定的重疊，因此本文方法更加適用在全景下的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文針對(duì)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，將其與全景視頻技術(shù)充分調(diào)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生了全景視頻技術(shù)的主要技術(shù)特征以及在實(shí)際使用中需要注意的問(wèn)題和采用的方法。將全景視頻技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的原理和方式進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了論述，經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所論述的方式具備效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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