球面虚拟空间构造及其实时漫游.pdfVIP

球面虚拟空间构造及实时漫游 李梦君张茂军杨冰齐越李云浩李国辉 国防科学技术大学七系多媒体教研室长沙4l0073 摘要：在基于图象渲染伍nagcBasedR如ddng)技术的虚拟现实系统申，球面虚拟空问与 拄面虚拟空同相比，具有不受上下观察范围限制等优点．特别是用于表现三维室内场景， 球面虚拟空同比柱面虚拟空问优越得多．本支提出了球面虚拟空间生成，以厦球面虚拟空 间的实时漫游算法． 关键词：球面虚拟空问 实时漫游基于图象的渲染 1引言 B∞ed 使用基于图象渲染a∞曾e R∞d两ng)技术开发虚拟现实系统是近年虚拟现实领域 vR，以 的研究热点。基于图象渲染技术开发的虚拟现实系统，如App】c公司的雠Ti矗k 及1997年我们实现的IⅣS饵ypcrⅥ咖alsy咖m)，基本上都是柱面虚拟空间。柱面虚拟空 间提供了水平方向360度环视的漫游操作，但在垂直方向上，柱面虚拟空间的视野是受限 的，因此，它无法支持垂直方向上的大范围空间覆游。柱面虚拟空间存在以上局限的原因 在于，它把照相机水平旋转拍摄的图象通过柱面透视投影变换无缝拼接在一起．生成柱面 空间全景图。由于柱面没有顶端和底靖，导致柱面虚拟空间不能进行全方位任意角度的空 间漫游。 球面虚拟空间把照相机在一个球面范围内拍摄到的图象通过球面透视投影变换无缝拼 接在一起，生成球面虚拟空间全景图，从而克服了柱面虚拟空间的不足。生成球面虚拟空 间全景图，就可以实现在球面虚拟空间中全方位任意角度的漫游，因为全景图在采集空问 景物时．也获取了空间景物在空问中的位置信息，它表现为空间景物在垒景图中的存储位 置。在球面盘拟空问中，可以实现左看／右看、俯揽／仰视、前进，后退、360度环视等一系 剜汪游攮作。 最近，在互联网上已能看到少量的球面虚拟空间生成与浏览平台(如PⅨ、目“r盯)。我 们在HVs的基础上，提出了自己的球面虚拟空间生成及其实时疆游算法。 2球面虚拟空间生成算法 生成球面虚拟空间，大致可以用两类方法实现。第一类方法借助于具有宽视角豹摄影 器材实现，比如鱼眼镜头，鱼眼镜头在垂直域具有180度左右的宽视角。固定鱼眼镜头的 位置，在水平域每隔90度或120度拍摄一张，对拍摄的一组图象进行无箍拼接，就得到一 张球面虚拟空间全景图。使用鱼眼镜头生成球面虚拟空间，具有不需要对拍摄图蕞怍球面 透视投影变换、拍摄f窗单的优点。第二类方法使用瞢通的照相机或摄相机，固定照相机或 ·l凹· 摄相机的位置，在水平域和垂直域间隔一定的角度进行拍摄，把拍摄的一组图象进行球面 透视投影变换．然后无缝拼接在一起，生成球面虚拟空间全景图?我们主要研究了第二类 方法，因为它是生成球面虚拟空间更一般的方法，既适合于自然场景生成球面虚拟空问， 同样也适合于合成场景：用合成场景生成的球面虚拟空间，可以用于虚拟演播室的三维背 景生成与实时渲染。 2．1 照相机水平视角和象素焦距的估计 照相机水平视角(hfov)和照相机象素焦距是生成球面虚拟空间需要估计的两个参数，我 们先解决它们的估计问题． 照相机水平视角决定了拍摄景物的多少，它可以由旋转照相机一圈来估计，即： 蜘v=360／n (2．11) 其中n是旋转照相机一圈时拍摄的图象张数。 我们还需要得到单位为象素的照相机焦距，。这种焦距很难由照相机所标定的光学焦 距直接计算，我们采用以下的公式近似照相机的象素焦距，： 厂=Ⅳ／(2tan(Jll加v／2))； (21．2) 2．2球面虚拟空间生成算法 在描述球面虚拟空间生成算法之前+首先解决照相机拍摄图象上象素点在照相机坐标 系下的坐标问题。如图l所示，在照相机坐标系xyz下，照相机成像在2=-／的视平面上， 图象中心是照相机光轴与视平面的交点。由图1不难看出，图象上每一个象素点(J，，)在照 相机坐标系中的坐标应为(工·矿，2，y—片／2，-I厂)。其中，咿与H分别是图象的宽度