基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)設(shè)計

楊曙光

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

室內(nèi)空間布局作為高層視覺圖像布局分析領(lǐng)域內(nèi)具有高難度的研究熱點之一，通過室內(nèi)空間陳列的材料、采光與顏色實施綜合搭配的設(shè)計過程[1?2]，準確分析室內(nèi)空間布局，為智能家居、機器人導(dǎo)航等領(lǐng)域的研究提供高精度三維立體空間結(jié)構(gòu)信息[3]。而三維立體空間常常與虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)相關(guān)，該技術(shù)是一種能夠建立并感受虛擬世界的多傳感器結(jié)合以及多媒體組合的計算機技術(shù)[4]，通過計算機模擬構(gòu)建虛擬世界的三維空間，為使用者提供多感官體驗。

隨著VR 技術(shù)與場景仿真技術(shù)的研究與成熟，綜合圖像色彩渲染的室內(nèi)空間布局三維仿真技術(shù)呈現(xiàn)出極具優(yōu)勢的應(yīng)用前景[5]。由此設(shè)計基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)，在3ds MAX 與相關(guān)標準編輯系統(tǒng)內(nèi)進行室內(nèi)空間布局三維模擬成像研究，并構(gòu)建室內(nèi)空間布局仿真模型。

1 室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)利用顏色特征分析方法及光線追蹤方法進行室內(nèi)空間布局的智能判斷，生成室內(nèi)空間布局的三維模型，通過VR 技術(shù)進行三維立體的智能成像。圖1 為基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊、平面圖像預(yù)處理模塊以及VR 三維模擬成像模塊共同組成[6]?？臻g布局平面圖像采集模塊利用魚眼相機及相關(guān)電子學(xué)單元采集室內(nèi)空間布局平面圖像，經(jīng)由平面圖像預(yù)處理模塊進行分辨率調(diào)整與模板拼接等預(yù)處理后[7]，傳輸至VR 三維模擬成像模塊內(nèi)。

VR 三維模擬成像模塊采集室內(nèi)空間布局陳列的視覺特征，包括顏色信息、坐標信息及采光角度等，以SoftImage 和Light Wave 3D 等軟件為基礎(chǔ)，構(gòu)建室內(nèi)空間布局幾何模型，再現(xiàn)室內(nèi)空間布局的材質(zhì)效果、顏色搭配以及光纖追蹤等效果。

1.2 室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊設(shè)計

魚眼相機同關(guān)聯(lián)電子學(xué)單元共同組成室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊，該模塊選取一體化設(shè)計模式[8]，其數(shù)據(jù)采集與緩存如圖2 所示。

4 部魚眼相機并行運行下，室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊采用CMOS APS 傳感器，其具有高分辨率、高集成度、高靈敏度等特征。各魚眼相機采集的室內(nèi)空間布局圖像通過實時在線拼接以及動態(tài)視頻壓縮等處理后緩 存至SRAM 內(nèi)[9]。

圖2 室內(nèi)空間布局平面圖像采集模塊數(shù)據(jù)采集與緩存

1.3 VR 三維模擬成像模塊

1.3.1 室內(nèi)空間布局視覺信息采集

室內(nèi)空間布局視覺特征采集的主要功能是為明確魚眼相機獲取的室內(nèi)空間布局平面圖像與三維點間的相應(yīng)關(guān)系[10]，獲取相應(yīng)的顏色信息（包括自身顏色與光線照射），基于三維視覺進行室內(nèi)空間標定。

1）光影效果

光影效果是通過物體與反射鏡面間位置的變換產(chǎn)生的一種光線明暗效應(yīng)。在光影變換過程中，傳感器平面與反射鏡面間的相關(guān)性為：

式中：δ和p分別為匹配系數(shù)和室內(nèi)空間坐標；Y″和E″分別為反射鏡面與傳感器平面；T為空間點與反射鏡面間的距離；j( ? )和d( ? )分別為室內(nèi)空間布局陳列的視覺視差函數(shù)和光線變換線性重組方程；h″為成像平面內(nèi)任意點與平面中心點間的距離；P和M分別為空間點中心坐標與射影圖像矩陣。

式（2）為魚眼相機成像平面與室內(nèi)空間布局平面間的相關(guān)性：

在式（1）內(nèi)引入式（2），即可獲?。?/p>

由于魚眼相機的雙曲面存在兩側(cè)對稱特性[11]，利用式（3）描述函數(shù)f，得到：

式內(nèi)ɑn為室內(nèi)空間視點的入射角。

利用魚眼相機獲取室內(nèi)空間布局平面圖像時受器件質(zhì)量等外界因素影響有較大概率出現(xiàn)偏差[12]，需將含有偏差的非理想成像模型轉(zhuǎn)換為式（5），滿足成像模型需求。

2）顏色分析

標定室內(nèi)空間過程中，基于魚眼相機360°獲取的室內(nèi)空間布局全景二維圖像，構(gòu)建三維室內(nèi)空間點與二維成像像素間的相關(guān)性，并求解。

確定室內(nèi)空間相關(guān)參數(shù)后，構(gòu)建二維成像圖像平面像素點同圖像入射點間的相關(guān)性，公式描述如下：

室內(nèi)空間標定條件下，初步獲取空間內(nèi)點的三維坐標，提取室內(nèi)空間三維景象內(nèi)的顏色信息與坐標信息，公式描述如下：

式內(nèi)g描述空間點與坐標原點間的遠近。

1.3.2 3D 幾何建模尺度信息參量

三維幾何建模主要是基于視覺特征采集結(jié)果，在3ds MAX 軟件內(nèi)構(gòu)建室內(nèi)空間布局陳列的三維模型[13]?？臻g布局陳列形狀特征提取表達式如下：

以圖像屬性特征為基礎(chǔ)的室內(nèi)空間陳列光學(xué)成像三維配準，通過渲染獲取具有高級別質(zhì)感的成像效果[14]，完成室內(nèi)空間陳列的色彩、光線、形態(tài)以及圖案之間的三維配準。選取分離面裁剪法生成室內(nèi)空間陳列的多層級細節(jié)，依照屬性值判斷顏色配準精度，判斷函數(shù)表達式如下：

式中：l和L分別描述全息投影像素值和室內(nèi)空間分布輪廓總長度

利用式（11）得到3D 幾何建模尺度信息參量，通過該參量可為三維模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)，以此生成三維模擬形象。

2 實驗分析

為了驗證本文設(shè)計的基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)使用性能，以某寫字樓為實驗對象，實驗對象底部為商業(yè)空間，中上部則為辦公空間與居住空間。采用本文系統(tǒng)對實驗對象中的三類室內(nèi)空間布局進行三維模擬成像仿真，結(jié)果如下。

2.1 實驗環(huán)境

實驗過程中，本文系統(tǒng)研發(fā)平臺如表1 所示。

表1 系統(tǒng)研發(fā)平臺

作為接口程序的OpenGL 內(nèi)包含簡單的點、線繪制函數(shù)和復(fù)雜的曲線曲面繪制函數(shù)等，供室內(nèi)空間布局建模使用。Direct 3D 是Direct X 多媒體編程接口的重要組成部分，是一個用于3D 繪圖的編程接口，可隱藏不同三維加速硬件相異性。

2.2 三維模擬成像結(jié)果

在上述實驗環(huán)境中，采用本文系統(tǒng)分別對實驗對象的室內(nèi)辦公空間、居住空間和商業(yè)空間進行空間布局三維模擬成像，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)空間布局三維模擬成像結(jié)果

由圖3 可知，采用本文系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)室內(nèi)空間布局進行三維模擬成像，且成像效果較好，具有較明顯的視覺沖擊力，顏色和光線的設(shè)計與使用自然協(xié)調(diào)，可美化視覺效果。高實用性的空間布局與協(xié)調(diào)自然的顏色和光線設(shè)計說明本文模型應(yīng)用性能較好。

2.3 室內(nèi)空間布局標定實驗

對實驗對象進行空間標定，選取實驗對象中的居住空間，將魚眼相機放置在不同的4 個方位中，針對空間布局中某任意位置的一項陳列物品計算其攝影矩陣元素，反復(fù)計算若干次，取其均值。表2 為攝影矩陣元素實驗數(shù)據(jù)。

由表2 得到，矩陣元素的穩(wěn)定性較高。采用本文系統(tǒng)分別標定4 個不同位置下實驗對象中陳列物品的空間方位，結(jié)果如表3 所示。

由表3 中描述不同攝影位置下實驗對象內(nèi)陳列物品在空間內(nèi)的X坐標與Y坐標數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)對于室內(nèi)空間布局的標定與其他兩個對比系統(tǒng)相比定位精度較高，說明本文系統(tǒng)具有可靠性。

表2 矩陣實驗數(shù)據(jù)

表3 空間定位實驗結(jié)果

2.4 性能對比

根據(jù)表3 內(nèi)三個系統(tǒng)實際模擬出的實驗對象空間布局三維圖像，對比不同系統(tǒng)模擬效果的時間開銷與信息飽和度等相關(guān)參數(shù)，對比結(jié)果如表4 所示。

表4 性能對比測試結(jié)果

由表4 可得，采用本文系統(tǒng)進行室內(nèi)空間布局三維模擬成像的信息飽和度與歸一化均方根誤差遠優(yōu)于其他兩個系統(tǒng)，而時間開銷對比結(jié)果也存在一定優(yōu)勢，說明本文系統(tǒng)特征描述能力較高，可獲得較好的視覺效果，且具有一定效率優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

本文研究室內(nèi)空間布局模擬成像問題，設(shè)計基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間布局三維模擬成像系統(tǒng)，其中，VR三維模擬成像模塊基于室內(nèi)空間布局視覺特征構(gòu)建室內(nèi)空間布局3D 幾何模型，呈現(xiàn)室內(nèi)空間布局模擬成像結(jié)果。實驗結(jié)果顯示，利用本文系統(tǒng)進行室內(nèi)空間布局三維模擬成像，室內(nèi)空間布局的標定精度高，特征描述能力較強，可獲得較好的視覺效果，且具有一定效率優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。