發(fā)布時(shí)間：2019-03-06所屬分類(lèi)：文史論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：隨著全景圖技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，古建筑文物全景圖生成方法備受關(guān)注并得到研究和發(fā)展。本文從全景圖照相設(shè)備、全景圖生成工具和全景圖拼接算法三方面來(lái)對(duì)目前古建筑文物全景圖生成方法進(jìn)行概述、比較和分析，最后得出相關(guān)結(jié)論并給出展望，希望為
摘要：隨著全景圖技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，古建筑文物全景圖生成方法備受關(guān)注并得到研究和發(fā)展。本文從全景圖照相設(shè)備、全景圖生成工具和全景圖拼接算法三方面來(lái)對(duì)目前古建筑文物全景圖生成方法進(jìn)行概述、比較和分析，最后得出相關(guān)結(jié)論并給出展望，希望為從事古建筑文物全景圖生成、圖像處理方面的設(shè)計(jì)人員和研究人員提供一定的參考。
關(guān)鍵詞：全景圖,古建筑文物,工具軟件,圖像配準(zhǔn),圖像融合
古建筑文物是指建國(guó)之前的民用建筑和公共建筑，歷經(jīng)歲月長(zhǎng)河卻依然完整或局部完整地保留著原貌。由于它們代表了那個(gè)時(shí)代的建筑技術(shù)水平、建筑材料水平以及建筑美術(shù)水平，因此古建筑文物本身是一種綜合性藝術(shù)，能在有限的空間里給人以美的享受，目前在一些古鎮(zhèn)還能欣賞到它們。
同時(shí)，古建筑文物作為中華民族五千年歷史的見(jiàn)證者，它們不僅僅是歷史，同時(shí)也是文化。伴隨社會(huì)的進(jìn)步以及人類(lèi)文明程度的提高，古建筑文物越來(lái)越受到人們關(guān)注和重視，越來(lái)越多的學(xué)者和古建筑愛(ài)好者從事這方面研究，并取得了一些成果[1]。
近年來(lái)，全景圖生成方法作為一種具有代表性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正備受關(guān)注，其因通過(guò)廣角的表現(xiàn)手段，加上其它形式(如視頻、繪圖等)盡可能多地表現(xiàn)出真實(shí)環(huán)境而廣泛應(yīng)用在虛擬場(chǎng)景展示、醫(yī)學(xué)圖像處理及博物館漫游等，其同樣應(yīng)用于古建筑文物。據(jù)查閱最新文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)目前生成古建筑文物全景圖的方法主要有三種：第一種是使用全景圖照相設(shè)備直接拍攝得到，第二種是將普通相機(jī)拍攝的多張圖像通過(guò)工具軟件合成一副全景圖，第三種是使用圖像拼接相關(guān)算法將多張圖像融合為一張全景圖。以下從這三方面來(lái)展開(kāi)綜述。
1使用全景圖照相設(shè)備
目前市場(chǎng)上的全景照相設(shè)備越來(lái)越多，不僅有專(zhuān)業(yè)的全景相機(jī)，而且還有支持全景圖拍攝的數(shù)碼相機(jī)，即使相機(jī)沒(méi)有廣角鏡頭，也可以拍攝出視野比較開(kāi)闊的照片，而且大多智能手機(jī)也具有全景拍攝的功能。一般來(lái)講，使用專(zhuān)業(yè)全景相機(jī)來(lái)拍攝古建筑文物全景圖比較方便，生成速度快，而且效果較好。
但專(zhuān)業(yè)全景相機(jī)價(jià)格較貴，拍攝技術(shù)要求高，所以只有少數(shù)專(zhuān)業(yè)攝影師使用該方法。利用普通相機(jī)或手機(jī)拍攝古建筑文物全景圖則比較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，大多數(shù)非專(zhuān)業(yè)人員都能使用，但其生成的古建筑文物全景圖質(zhì)量不佳，譬如畫(huà)面不夠清晰、色彩表現(xiàn)不好等。通過(guò)比較可見(jiàn)，使用全景照相設(shè)備可以快速生成所需要的古建筑文物全景圖，其生成過(guò)程不需要復(fù)雜的建模，速度快，能及時(shí)滿足用戶(hù)需求，但專(zhuān)用相機(jī)昂貴，不宜普遍采用，普通相機(jī)便宜，但效果較差。
綜上，目前的全景圖照相設(shè)備各有其優(yōu)缺點(diǎn)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。一般情況是先使用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝一系列約40%重疊的古建筑文物圖片，然后使用全景圖制作工具軟件或圖像拼接相關(guān)技術(shù)將這些相鄰間有一定重疊的圖片生成一張質(zhì)量較高的全景圖[2]。下面將重點(diǎn)介紹這兩種全景圖生成方法。
2使用全景圖制作工具
目前，常用的古建筑文物全景圖制作工具有PTGui、Hugin、ArcSoftPanoramaMaker、PanoramaStudio、造景師、KolorPanotourPro、TeorexPhotoStitcher以及AdobePhotoshop等。以下主要介紹PTGui、ArcSoftPanoramaMaker和造景師這三種常用的工具軟件。
2.1PTGuiPTGui(即PanoramaToolsGraphicalUserInterface)是全景拼接工具
PanoramaTools的一個(gè)用戶(hù)界面軟件，它為全景圖制作工具提供友好的可視化界面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多張圖像的自動(dòng)拼接，從而制作出質(zhì)量較高的全景圖。PTGui基本工作過(guò)程為圖片載入、特征點(diǎn)定位、圖片配準(zhǔn)、圖片融合和全景圖生成。其工作流程有三步，即首先通過(guò)單擊加載圖像按鈕自動(dòng)導(dǎo)入一組原始圖片;然后單擊對(duì)準(zhǔn)圖像按鈕自動(dòng)對(duì)齊圖片的控制點(diǎn)，并以控制點(diǎn)的形式自動(dòng)縫合和優(yōu)化融合圖片;最后單擊創(chuàng)建全景圖按鈕便生成所需要的全景圖[3]。
該全景圖制作軟件不僅功能豐富，而且用戶(hù)可以自行修改和添加控制點(diǎn)來(lái)提高拼接的精度。拼接后的全景圖明暗度均一，且沒(méi)有明顯的拼接痕跡，其簡(jiǎn)便性已使其成為目前古建筑文物全景圖制作的首選工具。
2.2ArcSoftPanoramaMaker
ArcSoftPanoramaMaker是一個(gè)目前流行的全景圖制作軟件，它能快捷地將一組有一定重疊度的圖片自動(dòng)拼接成一副高質(zhì)量的全景圖[4]。ArcSoftPanoramaMaker為專(zhuān)業(yè)攝影人員提供了貼心的手動(dòng)微調(diào)選項(xiàng)，能夠調(diào)整和編輯最后生成的圖像，譬如修改拼接點(diǎn)、拼接位置以及圖像的亮度、對(duì)比度等等。其最大特色是支持自動(dòng)、橫向、360°、平鋪、縱向五種專(zhuān)業(yè)的全景圖拼接方式，而且每種方式都可以手動(dòng)調(diào)整匹配點(diǎn)和融合區(qū)域，進(jìn)而制作出讓人滿意的全景圖。同時(shí)，它還支持3D預(yù)覽，主要包括PageFlip、LineInterleave、Checkerboard、Anaglyph等3D預(yù)覽效果，并且可以保存為*.MPO3D圖片格式。因此，該軟件是制作精美古建筑文物全景圖的最佳選擇。
2.3造景師
造景師企業(yè)版是一款行業(yè)領(lǐng)先的三維全景拼接軟件，制作人員僅需花費(fèi)3-5分鐘即可輕松拼接出一幅完美的360°球型Flash全景圖，同時(shí)支持全屏模式、右鍵批量拼接、HDR圖像合成等功能，深受設(shè)計(jì)人員的喜愛(ài)。造景師能輸出水平和垂直視角都可以達(dá)到360°的球形全景圖，120°-180°的單魚(yú)眼全景圖，六個(gè)面組成的立方體全景圖，水平一圈360°柱形全景圖等。它不僅可以拼接全景圖，還可以發(fā)布Flash全景和HTML5全景，用戶(hù)可以在電腦上或者手機(jī)上360°觀看全景。
它還具有批量處理功能，即一次導(dǎo)入多組魚(yú)眼圖，軟件便自動(dòng)分組拼接，在工作之余、無(wú)人看管的情況下自動(dòng)批量拼接、批量發(fā)布、批量圖片轉(zhuǎn)換。而且可以使用移除三角架功能去除全景圖中的三角架，無(wú)需使用PS處理，大大提高了全景圖生成效率[5]。因此，它是國(guó)內(nèi)古建筑文物全景圖制作人員經(jīng)常使用的工具。
綜上，使用全景圖制作工具來(lái)生成古建筑文物全景圖簡(jiǎn)便快捷，制作過(guò)程容易，操作簡(jiǎn)單、工作量較小，用時(shí)較短，實(shí)現(xiàn)成本和技術(shù)門(mén)檻較低，只需熟悉計(jì)算機(jī)工具使用的人員都能采用此方法來(lái)快速生成全景圖。但由于全景圖是將球面映射到平面，其本身具有一定的變形，特別是天空和地面變形較大，所以通過(guò)這些工具軟件來(lái)自動(dòng)生成的古建筑文物全景圖有一定的扭曲和不協(xié)調(diào)，還需要通過(guò)其它工具(如Photoshop)來(lái)進(jìn)行修改和完善，但該方法的簡(jiǎn)便快捷性已使其成為非專(zhuān)業(yè)人員制作古建筑文物常使用的方法。
3使用全景圖拼接相關(guān)算法
由于采用普通相機(jī)獲取寬視野的全景圖分辨率較低，而全景相機(jī)、廣角鏡頭等不僅價(jià)格昂貴，而且所得到的全景圖失真較嚴(yán)重，并且使用全景圖制作工具所生成的全景圖存在一定的畸變，還需要其他軟件來(lái)修復(fù)完成，因此為了在不降低圖像分辨率的條件下得到高質(zhì)量的全景圖，利用數(shù)字圖像處理相關(guān)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)全景圖拼接被提出并快速地發(fā)展起來(lái)[6]。依據(jù)全景圖生成的基本過(guò)程，可以得出圖像配準(zhǔn)和圖像融合是全景圖拼接的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，下面主要對(duì)這兩方面所涉及的常用算法進(jìn)行綜述。
3.1圖像配準(zhǔn)
圖像配準(zhǔn)是全景圖拼接的核心技術(shù)，它在一定程度上決定了全景圖拼接的質(zhì)量。圖像配準(zhǔn)的基本思路是采用一定的匹配策略找出待拼接圖像中的特征點(diǎn)或模板在參考圖像中的對(duì)應(yīng)位置，進(jìn)而確定兩幅圖像之間的變換關(guān)系。先前的圖像配準(zhǔn)方法主要采用點(diǎn)匹配法，這類(lèi)方法速度慢、精度低、質(zhì)量差，甚至還需要人工選擇初始匹配點(diǎn)，自然不適應(yīng)大量古建筑文物圖片的配準(zhǔn)。據(jù)查閱，目前的圖像配準(zhǔn)方法有基于灰度信息的圖像配準(zhǔn)、基于特征的圖像配準(zhǔn)和基于相位相關(guān)的圖像配準(zhǔn)這三種類(lèi)型[7]。
其中，基于灰度信息的圖像配準(zhǔn)基本過(guò)程是首先提取圖像中的目標(biāo)區(qū)域作為模板，然后以相似性定量的規(guī)則在待拼接圖像中搜索其最佳區(qū)域，其具體方法有互信息法、區(qū)域和局部信息結(jié)合法等[8]。該類(lèi)配準(zhǔn)方法很難解決圖像之間非剛性變換。基于特征的圖像配準(zhǔn)基本原理是利用圖像的特征來(lái)估計(jì)圖像之間的變換，這些特征主要包括圖像的形狀、邊緣、區(qū)域、輪廓、紋理、角等，其具體算法有控制點(diǎn)配準(zhǔn)算法、自動(dòng)角點(diǎn)檢測(cè)配準(zhǔn)算法、基于輪廓特征的配準(zhǔn)算法、SIFT算法、SURF算法及Harris-SIFT算法等[9]。
該類(lèi)配準(zhǔn)方法對(duì)前期的圖像特征提取要求較高。基于相位相關(guān)的圖像配準(zhǔn)基本思路是先把圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻率域，接著以特定的模板計(jì)算圖像之間的相對(duì)位移然后再進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，其具體方法有基于多尺度分析法、基于快速傅里葉變換法等[10]。該類(lèi)配準(zhǔn)方法計(jì)算量較大，耗時(shí)較長(zhǎng)，當(dāng)圖像之間存在非剛體變換時(shí)，效果較差。目前，古建筑文物常用的配準(zhǔn)方法是基于特征的圖像配準(zhǔn)。
3.2圖像融合
圖像融合是全景圖拼接最后的關(guān)鍵步驟，其作用是將拼接圖像的重合區(qū)域進(jìn)行融合處理，并生成平滑無(wú)縫的高質(zhì)量的全景圖。它通過(guò)消除圖像的亮度差異、拼接縫隙和鬼影等，來(lái)保證所拼接的全景圖質(zhì)量，提高全景圖的視覺(jué)效果。早期的圖像融合技術(shù)主要有加權(quán)平均法、漸入漸出法等，由于這類(lèi)方法僅僅對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單融合，所以融合質(zhì)量較差。據(jù)查閱，目前在全景圖拼接中的圖像融合有像素級(jí)圖像融合、特征級(jí)圖像融合和決策級(jí)圖像融合三種層次。
其中，像素級(jí)圖像融合是指在嚴(yán)格配準(zhǔn)條件下對(duì)各種傳感器輸出的原始信號(hào)進(jìn)行綜合處理的過(guò)程，它是目前全景圖拼接常采用的圖像融合方式。其主要的算法有加權(quán)平均融合算法、多分辨率融合算法以及泊松融合算法等[11]。該類(lèi)融合保留圖像原始信息較多，生成的全景圖精度較高，但所需時(shí)間較長(zhǎng)。特征級(jí)圖像融合是指對(duì)不同傳感器的多源信息先進(jìn)行特征提取，然后對(duì)來(lái)源于多個(gè)傳感器的多個(gè)特征信息進(jìn)行綜合處理的過(guò)程。其目前常用的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、貝葉斯估計(jì)法、聚類(lèi)分析法等[12，13]。
該類(lèi)融合實(shí)時(shí)性有所提高，但丟掉較多圖像細(xì)節(jié)信息，所生成的全景圖精度較弱。決策級(jí)圖像融合是指對(duì)每個(gè)源圖像進(jìn)行特征提取、識(shí)別和分類(lèi)后，再根據(jù)某種特定的決策把不同的待融合圖像進(jìn)行融合，最后將以上所得的決策類(lèi)型聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行最終判決。其當(dāng)前流行的方法有基于Bayes推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)推理以及支持向量機(jī)等[14，15]。
該類(lèi)融合計(jì)算量最小，但圖像原始信息損失較多，導(dǎo)致融合所得到的全景圖不很清晰。一般來(lái)講，對(duì)古建筑文物圖像融合通常采用加權(quán)平均融合法。綜上，使用全景圖相關(guān)的拼接算法來(lái)生成的古建筑文物全景圖質(zhì)量較好，圖像分辨率較高，但其生成過(guò)程較復(fù)雜，不僅涉及到許多圖像處理的相關(guān)理論知識(shí)和技術(shù)，而且所涉及的算法復(fù)雜度大，計(jì)算量也大，實(shí)時(shí)性較差。采用該方法將大量的古建筑文物圖片生成全景圖不僅對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高，而且生成過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)，速度較慢，自然不能及時(shí)滿足用戶(hù)需求。由于該方法投資的人力、物力、財(cái)力以及精力較多，因此只有從事全景圖像處理研究的科研人員才會(huì)使用。
4總結(jié)與展望
近年來(lái)，全景圖像的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)古建筑文物全景圖生成方法的研究越來(lái)越多。本文從全景圖照相設(shè)備、全景圖生成工具和全景圖拼接算法三方面綜述了全景圖生成的主要方法，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
總地來(lái)講，使用全景相機(jī)來(lái)拍攝古建筑文物全景圖速度快，全景圖質(zhì)量好，但專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求高，而且全景相機(jī)昂貴，所以日常用較少;使用全景圖工具來(lái)制作古建筑文物全景圖方便快捷，技術(shù)要求低，全景圖質(zhì)量較好，雖然采集圖片耗時(shí)較多，所生成的全景圖有一定畸變，但由于其簡(jiǎn)單容易性所以比較常用;使用全景圖相關(guān)拼接算法來(lái)生成的古建筑文物全景圖精度高，質(zhì)量好，但算法過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，目前只有從事這方面研究的科研人員才會(huì)使用。由此可見(jiàn)，目前生成古建筑文物全景圖的方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
一般情況下，專(zhuān)業(yè)攝影人員采用全景相機(jī)來(lái)拍攝古建筑文物全景圖，而大多數(shù)人員則先使用普通相機(jī)拍攝多張古建筑文物圖片，然后通過(guò)全景圖制作工具將它們合成為全景圖，科研人員則使用全景圖相關(guān)的拼接算法來(lái)生成古建筑文物全景圖。
但是，現(xiàn)有的這些方法還未實(shí)現(xiàn)古建筑文物全景圖生成的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和全自動(dòng)性，因此對(duì)實(shí)時(shí)全景圖生成、全自動(dòng)全景圖制作以及彩色全景圖拼接研究是未來(lái)的研究方向。而且由于古建筑文物全景圖涉及到的原始圖片數(shù)量大，其拼接技術(shù)應(yīng)該重點(diǎn)放在提高算法的運(yùn)算速度、拼接精度和魯棒性等方面。
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