導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)技術(shù)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

1 雙目立體視覺(jué)概述

雙目立體視覺(jué)又稱(chēng)雙目視覺(jué)技術(shù)，是目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。雙目立體視覺(jué)控制系統(tǒng)的組成因其采用的原理和應(yīng)用功能的不同，組成也都各不相同。

雙目立體視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)原理是基于人眼的視網(wǎng)膜看物體的特性，從兩個(gè)不同的方向來(lái)觀看同一個(gè)物體的不同角度，從而實(shí)現(xiàn)清楚的了解到物體的圖像的目的。雙目立體視覺(jué)從不同的角度獲得物體的投影信息，并根據(jù)匹配的結(jié)果，獲取同一個(gè)物體不同偏差位置的信息。最后在依據(jù)三角測(cè)量技術(shù)，根據(jù)已經(jīng)獲得的這些偏差信息從而獲得這些不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離信息，并最終獲得這些實(shí)際物體的具體坐標(biāo)位置信息。

視差測(cè)距技術(shù)告訴我們，要清楚的觀察到一個(gè)物體的全貌，需要兩個(gè)觀察物從不同的方向，或者固定一個(gè)觀察物，移動(dòng)另外一個(gè)觀察物的方式，以達(dá)到拍攝同一個(gè)物體的目的。根據(jù)同一個(gè)物體在兩個(gè)觀察物當(dāng)中的位置偏差，從而確定該物體的三維信息。一般來(lái)說(shuō)，雙目立體視覺(jué)的組成包括：圖像獲取設(shè)備、圖像預(yù)處理設(shè)備、攝像機(jī)標(biāo)定設(shè)備、立體匹配設(shè)備、根據(jù)二維信息實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)設(shè)備等五個(gè)重要設(shè)備。

2 雙目立體視覺(jué)技術(shù)的原理

立體畫(huà)又可以稱(chēng)之為三維立體畫(huà)，是一種人們可以從三維立體圖中獲取二維平面圖信息的技術(shù)。三維立體圖表面看似毫無(wú)規(guī)則，但是假如通過(guò)一些特殊的技術(shù)或者通過(guò)合理的觀察手段和觀察設(shè)備，就可以看到一組秩序井然的美妙圖片。

三維立體圖是一組重復(fù)的二維圖片有序的堆積積累而成，因此可以呈現(xiàn)出立體效果。人體觀察物體的原理大致如下：當(dāng)人類(lèi)通過(guò)左右眼觀察所在的空間平面的時(shí)候，這些平面圖都只是一些毫無(wú)秩序的圖片。而當(dāng)左右眼重新聚焦或者在觀察畫(huà)面的時(shí)候呈現(xiàn)一定的層次感，則人類(lèi)的左右眼觀察到的一組重復(fù)案在經(jīng)過(guò)人體識(shí)別以后，這些畫(huà)面之間將存在一定的距離差異，從而在腦中生成立體感。

雙目立體視覺(jué)技術(shù)正是基于以上的原理，從兩個(gè)不同的方向去觀察物體，并獲得目標(biāo)圖像的信息，并經(jīng)過(guò)一定的處理獲得三維重建的物體立體信息的技術(shù)。

雙目立體視覺(jué)在計(jì)算機(jī)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)三維重建的大致流程

如下。

1）攝像機(jī)定位，并通過(guò)單片機(jī)計(jì)算得到要獲取圖像信息需要的外部的參數(shù)的大概值，并根據(jù)這些參數(shù)值設(shè)定攝像機(jī)。

2）用設(shè)定參數(shù)的攝像機(jī)拍攝目標(biāo)場(chǎng)景的畫(huà)面，并采集這些畫(huà)面的二維圖的信息。

3）通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙目匹配，并判定采集畫(huà)面中的二維圖像中的不同點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4）在第三步中若得到兩組二維圖像的關(guān)系是稠密的時(shí)候，則生成三維視差圖。如果不是則進(jìn)一步采集圖片信息。

5）根據(jù)得到的視差圖最終實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的三維圖形的重建。

3 雙目立體匹配技術(shù)的研究難點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展方向

盡管目前有很多學(xué)者都投身到雙目立體匹配技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)當(dāng)中，直至目前為止也解決了很多關(guān)于視覺(jué)理論當(dāng)中存在的很多缺陷問(wèn)題。但是視覺(jué)問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜且難以解決的問(wèn)題，特別是在雙目立體匹配問(wèn)題方面更是困難重重。立體匹配技術(shù)的難點(diǎn)已經(jīng)成為限制將雙目技術(shù)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)技術(shù)當(dāng)中的重要瓶頸。

立體匹配的主要手段就是找到計(jì)算機(jī)采集到兩幅和多副圖片的中像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)這些像素關(guān)系判定并生成三維重建圖。但是二維圖像的匹配存在層層困難，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）由于視角的問(wèn)題或者觀察物體存在遮擋問(wèn)題，導(dǎo)致采集回來(lái)的圖片信息存在盲點(diǎn)，這樣子更難找到圖片的匹配區(qū)域。

2）場(chǎng)景中的一些深度不連續(xù)的區(qū)域大都處在場(chǎng)景當(dāng)中的邊界位置，這些位置容易出現(xiàn)像素不高，邊界不清晰等問(wèn)題，這些問(wèn)題也給圖像匹配帶了很多困擾。

3）場(chǎng)景當(dāng)中的低紋理的圖片匹配特征和匹配關(guān)系較少，而且該位置的每個(gè)像素點(diǎn)極為相似。假如只是通過(guò)簡(jiǎn)單的像素相似性檢測(cè)的話，會(huì)檢測(cè)到很多匹配結(jié)果，而這些匹配結(jié)果當(dāng)中有一大部分是錯(cuò)誤的。這樣子的結(jié)果勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致最終的圖像匹配正確率極為低下。

從以上的分析，我們可以看出立體匹配技術(shù)存在很多技術(shù)上的難點(diǎn)，這些都在很大程度上限制雙目立體匹配技術(shù)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用發(fā)展。如何才能設(shè)計(jì)出有效、準(zhǔn)確、快速、通用性強(qiáng)的立體匹配算法將會(huì)是以后雙目立體匹配計(jì)算發(fā)展的重要方向。也只有通過(guò)設(shè)計(jì)出一套行之有效的立體匹配算法才能使得雙目立體匹配技術(shù)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

人們通過(guò)眼睛可以感受到外界事物的存在，可以清楚的了解到事物的立體信息，分辨出觀察物的廣度和深度，以及物體的遠(yuǎn)近。因此人類(lèi)視覺(jué)感知系統(tǒng)就是一個(gè)雙目的立體感知系統(tǒng)。本文講述的計(jì)算機(jī)中的雙目立體匹配技術(shù)正是基于人眼視覺(jué)觀察物體的原理，通過(guò)雙目立體視覺(jué)原理，對(duì)計(jì)算機(jī)采集獲得兩幅二維圖像的信息進(jìn)行分析，并結(jié)合計(jì)算機(jī)的分析，最終獲得同人類(lèi)眼睛一樣觀察到物體三維表面信息的目的。雙目立體匹配技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美結(jié)合幫助人們可以更加輕易的獲得物體的信息。希望在不久的將來(lái)，可以將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)的視網(wǎng)膜當(dāng)中，以幫助一些視網(wǎng)膜存在問(wèn)題的人們，讓他們重新感受到光明，感受世間的溫暖。

參考文獻(xiàn)

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篇2

關(guān)鍵詞：立體視覺(jué)；圖像分割；陰影抑制；三維重建

1 概述

立體視覺(jué)的交通場(chǎng)景理解系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要解決交通對(duì)象（行人、汽車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)等）的三維信息模型化；低層處理，即先把圖像數(shù)字符號(hào)化和特征c的提取過(guò)程，主要包括圖像的分割和描述；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)匹配，主要技術(shù)有基于時(shí)空梯度的方法、基于相關(guān)的方法、頻率域法等；模型匹配與識(shí)別；交通對(duì)象的陰影檢測(cè)；系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，由于三維重構(gòu)計(jì)算量較大，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等六大問(wèn)題。其中對(duì)三維重建、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)匹配和模型匹配與識(shí)別是立體視覺(jué)的交通場(chǎng)景理解系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要研究方向。

從計(jì)算機(jī)視覺(jué)的角度進(jìn)行分類(lèi)，基于模型交通流量檢測(cè)技術(shù)的方法可以分類(lèi)為：基于區(qū)域跟蹤的方法；基于動(dòng)態(tài)輪廓的目標(biāo)跟蹤方法；基于特征的跟蹤方法；基于3D模型（立體視覺(jué)）的車(chē)輛跟蹤識(shí)別方法。

2 立體視覺(jué)的三維重建研究方法

基于立體視覺(jué)的三維重建是指通過(guò)對(duì)二維圖像的處理，利用立體視覺(jué)的原理獲取場(chǎng)景中目標(biāo)的三維信息。雙目立體視覺(jué)是直接模擬人類(lèi)雙眼來(lái)處理景物的一種新型研究方法，由于其靈活性較高，可以測(cè)量多種條件下景物的三維信息。

2.1 圖像自適應(yīng)閾值分割法

圖像自適應(yīng)閾值分割法無(wú)論參數(shù)的選取為何種特征值，都能準(zhǔn)確快速的捕捉待處理的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。采用自適應(yīng)閾值分割方法對(duì)獲得的交通對(duì)象的視頻圖像進(jìn)行處理，把交通目標(biāo)特征層經(jīng)行分類(lèi)處理，提高了類(lèi)判別能力。同時(shí)，閾值來(lái)源較為廣泛和準(zhǔn)確，因此，不僅具有較好的識(shí)別率還具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。在背景存在微小運(yùn)動(dòng)和環(huán)境亮度突變的情形下也具有很好的魯棒性。徐文聰?shù)热酥饕獜淖赃m應(yīng)閾值分割的方法對(duì)運(yùn)動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)和流量統(tǒng)計(jì)。

在徐文聰研究中，閾值的取值為圖像的形態(tài)值，結(jié)合車(chē)道線和標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，利用Dtsu算法提取候選車(chē)燈連通域信息。張虹波、孫明玉研究中，閾值的取值為圖像的灰度值。張虹波利用圖像差分方法獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。提取虛擬檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛圖像，進(jìn)行圖像的數(shù)字化和濾除噪聲等預(yù)處理，對(duì)視頻圖像提取背景模型，得到車(chē)流量信息。孫明玉提出基于新型自適應(yīng)閾值的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取算法。孫明玉[4]提出基于新型自適應(yīng)閾值的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取算法。首先，根據(jù)運(yùn)動(dòng)屬性，分成兩個(gè)聚類(lèi)，一是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，二是背景。對(duì)提取的圖像按像素灰度進(jìn)行分類(lèi)，以聚類(lèi)間的方根-算術(shù)均值距離最大值作為分割閾選擇的準(zhǔn)則，實(shí)時(shí)更新提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二值化閾值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確完整提取。

2.2 基于側(cè)影輪廓的三維重建方法

基于側(cè)影輪廓的三維建模是一種新的建模方法，也稱(chēng)為可見(jiàn)外殼 （Visual Hull）生成方法。側(cè)影輪廓法是利用攝像機(jī)拍攝的不同角度的圖像進(jìn)行立體重建，具有良好的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一致性，同時(shí)提取的特征點(diǎn)較少，易于計(jì)算，有較好的魯棒性。

阮孟貴、章毓晉利用攝像機(jī)在各個(gè)相異的角度獲取的多幅圖像完成三維重建。主要利用反射投影的交叉輪廓進(jìn)行匹配，重建物體表面。伍燕萍用Marching Cubes算法，把獲取的多幅圖像進(jìn)行側(cè)影輪廓重建，生成物體的可見(jiàn)外殼。曹煜利用平面鏡反射原理，對(duì)圖像輪廓線之間極的線幾何關(guān)系進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的三維重建。

2.3 基于序列圖像的三維重建方法

序列圖像法主要是利用數(shù)字圖像處理的方法對(duì)圖像二值化，便于計(jì)算機(jī)處理。通過(guò)對(duì)提取的特征點(diǎn)之間進(jìn)行相似度的匹配，利用矩陣分析進(jìn)行三維重建。此類(lèi)方法關(guān)鍵在于正確三維數(shù)據(jù)的獲取，利用計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件進(jìn)行圖像掃描、圖像預(yù)處理、建立數(shù)據(jù)模型，怎樣辨別噪聲是此方法的難點(diǎn)。雖然序列圖像法存在一定的噪聲污染，但由于其設(shè)備簡(jiǎn)單，在交通場(chǎng)景中運(yùn)用面較廣。

劉同敏利用提取的圖像序列作為測(cè)量矩陣的參數(shù)，提出了一種基于匹配相似度的最小二乘法三維重建方法。譚論正提出了基于PCA的交通場(chǎng)景點(diǎn)的重建方法。利用最小二乘法求場(chǎng)景點(diǎn)的三維軌跡，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和背景模型的三維重建。孫麗娟通過(guò)透視投影重建算法中引入了迭代算法。利用矩陣擾動(dòng)理論，分析圖像噪聲對(duì)不同特征點(diǎn)重構(gòu)的影響，得出圖像數(shù)量越多重建精度越高的結(jié)論。彭科舉提出了尺度不變特征變換特征和角點(diǎn)特征相結(jié)合的三維重建算法。

2.4 混合高斯模型進(jìn)行背景建模

隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)快速發(fā)展，基于視頻的智能交通控制系統(tǒng)在交通控制中占主要作用。在交通對(duì)象的監(jiān)測(cè)中，高斯背景模型在建立對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的提取有著至關(guān)重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，視頻圖像提取的特征值背景顏色和像素的灰度值符合高斯分布。由于像素在時(shí)間域上的分布信息符合高斯分布，利用其構(gòu)造其背景模型能解決光線突變等問(wèn)題帶來(lái)的影響，能夠適應(yīng)于戶(hù)外復(fù)雜光線的環(huán)境。此方法建模后模型的魯棒性強(qiáng)，準(zhǔn)確率高。目前，高斯背景建模在交通智能控制系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

劉亞利等人提出了基于邊緣特征的混合高斯背景建模方法。此方法加快了高斯模型的收斂速度，有較強(qiáng)的光變性。同時(shí)利用像素在時(shí)間域及空間域上的分布信信息，王永忠等人提出了一種基于自適應(yīng)混合高斯模型的時(shí)空背景建模方法。監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)庫(kù)不僅僅有時(shí)間上的信息，還有空間位移信息。王永忠提出的時(shí)空背景建模方法利用時(shí)間和空間上的像素分布信息，不僅提高了建模精度還解決了傳統(tǒng)的混合高斯背景建模方法對(duì)不平穩(wěn)場(chǎng)景建模失效的這一缺點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于立體視覺(jué)的三維建模技術(shù)研究是一個(gè)非常有意義的研究課題，在交通參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的研究中，我們要結(jié)合相關(guān)的計(jì)算機(jī)圖像采集和處理技術(shù)，充分利用道路已有的資源，并將其采集的資源圖形化、數(shù)字化。雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)目前的單視點(diǎn)平面監(jiān)控系統(tǒng)缺點(diǎn)進(jìn)行很好的彌補(bǔ)。利用雙目立體視覺(jué)對(duì)交通對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，對(duì)獲得圖像數(shù)據(jù)分析，完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維空間定位和追蹤。結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、電子信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)交通加強(qiáng)智能化建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)道路交通監(jiān)控的信息化和自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)

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篇3

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要：準(zhǔn)確的定位是實(shí)現(xiàn)果蔬自動(dòng)化采摘的前提，本文以新疆特色葡萄為對(duì)象，利用自行設(shè)計(jì)搭建的葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行田間實(shí)驗(yàn)，當(dāng)雙目攝像機(jī)與葡萄的距離為400 ~ 950 mm時(shí)，誤差分布范圍為0.15 ~ 11.50 mm。通過(guò)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，以期為葡萄自動(dòng)化采摘精確定位奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 ：自動(dòng)化；葡萄；定位；誤差

我國(guó)葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2013年葡萄總產(chǎn)量高達(dá)1 055萬(wàn)t，其中新疆葡萄總產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量19.8%，成為我國(guó)葡萄產(chǎn)量最大的省區(qū)[1]。由于葡萄采摘作業(yè)繁瑣，地區(qū)機(jī)械化落后，采摘作業(yè)的自動(dòng)化程度不高，多年來(lái)新疆葡萄采摘基本上都是手工進(jìn)行。待到金秋9月葡萄成熟時(shí)節(jié)，大量外來(lái)務(wù)工人員匯聚新疆采摘葡萄，采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、果實(shí)收獲季節(jié)性強(qiáng)、效率低。廣大果樹(shù)種植戶(hù)開(kāi)始期盼能實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)化智能化采摘，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少支出費(fèi)用以增加收益。

農(nóng)產(chǎn)品收獲機(jī)械從研發(fā)至今已廣泛使用[2]，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化自動(dòng)化采收，逐步取代人力，減輕了人們田間繁重的勞作。近年來(lái)，學(xué)者針對(duì)蘋(píng)果[3]、番茄[4]、草莓[5]等果蔬采摘機(jī)器人已進(jìn)行深入的研究。本文針對(duì)自然場(chǎng)景中的新疆特色葡萄，通過(guò)葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行定位試驗(yàn)，以為實(shí)現(xiàn)田間葡萄精確定位奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究對(duì)象及條件

新疆葡萄收獲旺季是每年8 ~ 10月份，本實(shí)驗(yàn)以自然場(chǎng)景中的新疆特色葡萄品種維多利亞為研究對(duì)象，于2014年8月在新疆石河子市葡萄研究所試驗(yàn)田中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：天氣晴朗，太陽(yáng)直射溫度39 ℃，地表濕度40%，順光條件下葡萄表面平均光照強(qiáng)度為660 Lux，逆光條件下為202 Lux。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了便于進(jìn)行田間葡萄定位的研究實(shí)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)并搭建了葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖1所示）。選用維視數(shù)字圖像公司2臺(tái)IEEE1394a接口型號(hào)為MV - VS078FC的攝像機(jī)，配以MV - E1394PCI - E1394獨(dú)立雙通道數(shù)字采集卡，數(shù)據(jù)可高速傳輸至計(jì)算機(jī)。激光測(cè)距儀為GHLM - 07B動(dòng)態(tài)激光測(cè)距傳感器。軟件環(huán)境為CCAS 雙目測(cè)量測(cè)試開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)定

雙目攝像機(jī)標(biāo)定利用CCAS 雙目測(cè)量測(cè)試開(kāi)發(fā)平臺(tái)的張正友平板標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定板選用鋁合金材料的AFT - CT430高精度雙目視覺(jué)標(biāo)定板。標(biāo)定時(shí)將標(biāo)定板整體垂直置于視角范圍內(nèi)，將旋轉(zhuǎn)角度控制在20°左右，分別以X軸向上向下、以Y軸向左向右旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)標(biāo)定板上每個(gè)特征圓的圓心，校正標(biāo)定圖像并通過(guò)計(jì)算獲取左右攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。雙目相機(jī)五對(duì)標(biāo)定圖像如圖2所示。

雙目相機(jī)內(nèi)外部參數(shù)如表1所示，其中左右相機(jī)在u 軸和v 軸的有效焦距分別為fx，fy，不垂直因子均為0。

1.2.2 葡萄定位田間試驗(yàn)

本文針對(duì)自然場(chǎng)景中的葡萄，利用自行設(shè)計(jì)的葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行田間葡萄定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以不同高度、不同角度并貼以標(biāo)定點(diǎn)的葡萄串為對(duì)象，通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)與葡萄果實(shí)之間的實(shí)際距離檢測(cè)葡萄串上的標(biāo)定點(diǎn)，進(jìn)而獲得標(biāo)定點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求分別設(shè)計(jì)直徑為5 mm、8 mm的圓形標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用CCAS 雙目測(cè)量測(cè)試開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)啟雙目攝像機(jī)，根據(jù)場(chǎng)景觀測(cè)視角通過(guò)調(diào)節(jié)支撐雙目攝像機(jī)的云臺(tái)及滑桿進(jìn)一步調(diào)整攝像機(jī)安裝位置，并使用標(biāo)定板標(biāo)定相機(jī)，獲取同一場(chǎng)景中左右攝像機(jī)的2幅圖像（如圖3所示）。通過(guò)雙目檢測(cè)獲取圖像中葡萄果實(shí)上標(biāo)定點(diǎn)的信息，并將檢測(cè)的標(biāo)定點(diǎn)在左右2幅圖像中的成像位置進(jìn)行立體匹配，最終通過(guò)雙目測(cè)量計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)的二維像素坐標(biāo)、空間三維坐標(biāo)及2個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間的距離。

2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)利用葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)自然場(chǎng)景中不同生長(zhǎng)位置的葡萄串進(jìn)行定位，同時(shí)利用卷尺、激光測(cè)距儀分別測(cè)量待檢測(cè)葡萄串與攝像機(jī)之間的實(shí)際距離，提供對(duì)比數(shù)據(jù)，測(cè)量范圍為400 ~ 950 mm，每隔50 mm進(jìn)行1組實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果其中1組數(shù)據(jù)如表2所示，表中左右圖像中標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)為通過(guò)雙目檢測(cè)獲取的左右2幅圖像中同一標(biāo)定點(diǎn)的像素坐標(biāo)，標(biāo)定點(diǎn)三維坐標(biāo)中Z為深度信息，即葡萄串與攝像機(jī)實(shí)際距離。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)60組葡萄定位實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，繪制距離誤差分布圖（如圖4所示），當(dāng)葡萄果實(shí)與攝像機(jī)實(shí)際距離在400 ~ 650 mm時(shí)誤差分布較均勻，誤差平均值為3.09 mm。該葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)距離范圍內(nèi)定位時(shí)產(chǎn)生最大誤差為11.5 mm，平均誤差為4.56 mm，定位結(jié)果存在的誤差隨著距離的增大而逐漸增大。誤差產(chǎn)生的主要原因有：（1）雙目攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，如標(biāo)定板精度、標(biāo)定板旋轉(zhuǎn)角度及左右攝像機(jī)安裝位置等因素；（2）田間環(huán)境中外界因素對(duì)葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性的影響；（3）利用卷尺及激光測(cè)距儀測(cè)定實(shí)際距離時(shí)存在的誤差。

3 小結(jié)

本文將雙目立體視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于田間實(shí)驗(yàn)中，利用搭建的葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了葡萄定位的初步研究。在對(duì)雙目攝像機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上采集左右相機(jī)圖像，經(jīng)過(guò)雙目檢測(cè)、立體匹配、雙目測(cè)量獲取標(biāo)定點(diǎn)的像素坐標(biāo)及空間三維坐標(biāo)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙目攝像機(jī)與葡萄的距離為400 ~ 950 mm時(shí)，誤差分布為0.15 ~ 11.50 mm，該誤差滿足葡萄自動(dòng)化采摘對(duì)精度的要求。葡萄定位雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以測(cè)定空間距離，并且可以測(cè)量待測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)度特性，為后續(xù)葡萄采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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篇4

    1 雙目體視的技術(shù)特點(diǎn)

    雙目標(biāo)視技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下步驟:圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配和三維重建,下面依次介紹各個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)特點(diǎn)。

    1.1 圖像獲取

    雙目體視的圖像獲取是由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)(CCD)經(jīng)過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景,獲取立體圖像對(duì)。其針孔模型如圖1。假定攝像機(jī)C1與C2的角距和內(nèi)部參數(shù)都相等,兩攝像機(jī)的光軸互相平行,二維成像平面X1O1Y1和X2O2Y2重合,P1與P2分別是空間點(diǎn)P在C1與C2上的成像點(diǎn)。但一般情況下,針孔模型兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)不可能完成相同,攝像機(jī)安裝時(shí)無(wú)法看到光軸和成像平面,故實(shí)際中難以應(yīng)用。

    上海交大在理論上對(duì)會(huì)攝式雙目體視系統(tǒng)的測(cè)量精度與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系作了詳盡分析,并通過(guò)試驗(yàn)指出,對(duì)某一特定點(diǎn)進(jìn)行三角測(cè)量。該點(diǎn)測(cè)量誤差與兩CCD光軸夾角是一復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系;若兩攝像頭光軸夾角一定,則被測(cè)坐標(biāo)與攝像頭坐標(biāo)系之間距離越大,測(cè)量得到點(diǎn)距離的誤差就越大。在滿足測(cè)量范圍的前提下,應(yīng)選擇兩CCD之間夾角在50℃~80℃之間。

    1.2 攝像機(jī)的標(biāo)定

    對(duì)雙目體視而言,CCD攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)物理世界進(jìn)行重建前的基本測(cè)量工具,對(duì)它們的標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)基本而又關(guān)鍵的一步。通常先采用單攝像機(jī)的標(biāo)定方法,分別得到兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù);再通過(guò)同一世界坐標(biāo)中的一組定標(biāo)點(diǎn)來(lái)建立兩個(gè)攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。目前常用的單攝像機(jī)標(biāo)定方法主要有:

    (1)攝影測(cè)量學(xué)的傳統(tǒng)設(shè)備標(biāo)定法。利用至少17個(gè)參數(shù)描述攝像機(jī)與三維物體空間的結(jié)束關(guān)系,計(jì)算量非常大。

    (2)直接線性變換性。涉及的參數(shù)少、便于計(jì)算。

    (3)透視變換短陣法。從透視變換的角度來(lái)建立攝像機(jī)的成像模型,無(wú)需初始值,可進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

    (4)相機(jī)標(biāo)定的兩步法。首先采用透視短陣變換的方法求解線性系統(tǒng)的攝像機(jī)參數(shù),再以求得的參數(shù)為初始值,考慮畸變因素,利用最優(yōu)化方法求得非線性解,標(biāo)定精度較高。

    (5)雙平面標(biāo)定法。

    在雙攝像機(jī)標(biāo)定中,需要精確的外部參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)配置很難準(zhǔn)確,兩個(gè)攝像機(jī)的距離和視角受到限制,一般都需要至少6個(gè)以上(建議取10個(gè)以上)的已知世界坐標(biāo)點(diǎn),才能得到比較滿意的參數(shù)矩陣,所以實(shí)際測(cè)量過(guò)程不但復(fù)雜,而且效果并不一定理想,大大地限制了其應(yīng)用范圍。此外雙攝像機(jī)標(biāo)定還需考慮鏡頭的非線性校正、測(cè)量范圍和精度的問(wèn)題,目前戶(hù)外的應(yīng)用還有少。

    上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙目立體視覺(jué)攝像機(jī)標(biāo)定方法。首先對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行線性標(biāo)定,然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練建立起三維空間點(diǎn)位置補(bǔ)償?shù)亩鄬忧梆伾窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。此方法對(duì)雙目立體視覺(jué)攝像機(jī)的標(biāo)定具有較好的通用性,但是精確測(cè)量控制點(diǎn)的世界坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)是一項(xiàng)嚴(yán)格的工作。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練樣本集的獲得非常困難。

    1.3 特征點(diǎn)提取

    立體像對(duì)中需要撮的特征點(diǎn)應(yīng)滿足以下要求:與傳感器類(lèi)型及抽取特征所用技術(shù)等相適應(yīng);具有足夠的魯棒性和一致性。需要說(shuō)明的是:在進(jìn)行特征點(diǎn)像的坐標(biāo)提取前,需對(duì)獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)樵趫D像獲取過(guò)程中,存在一系列的噪聲源,通過(guò)此處理可顯著改進(jìn)圖像質(zhì)量,使圖像征點(diǎn)更加突出。

    1.4 立體匹配

    立體匹配是雙目體視中最關(guān)系、困難的一步。與普通的圖像配準(zhǔn)不同,立體像對(duì)之間的差異是由攝像時(shí)觀察點(diǎn)的不同引起的,而不是由其它如景物本身的變化、運(yùn)動(dòng)所引起的。根據(jù)匹配基元的不同,立體匹配可分為區(qū)域匹配、特征匹配和相位匹配三大類(lèi)。

    區(qū)域匹配算法的實(shí)質(zhì)是利用局部窗口之間灰度信息的相關(guān)程度,它在變化平緩且細(xì)節(jié)豐富的地方可以達(dá)到較高的精度。但該算法的匹配窗大小難以選擇,通常借助于窗口形狀技術(shù)來(lái)改善視差不連續(xù)處的匹配;其次是計(jì)算量大、速度慢,采取由粗至精分級(jí)匹配策略能大大減少搜索空間的大小,與匹配窗大小無(wú)關(guān)的互相關(guān)運(yùn)算能顯著提高運(yùn)算速度。

    特片匹配不直接依賴(lài)于灰度,具有較強(qiáng)的抗干擾性,計(jì)算量小,速度快。但也同樣存一些不足:特征在圖像中的稀疏性決定特征匹配只能得到稀疏的視差場(chǎng);特征的撮和定位過(guò)程直接影響匹配結(jié)果的精確度。改善辦法是將特征匹配的魯棒性和區(qū)域匹配的致密性充分結(jié)合,利用對(duì)高頻噪聲不敏感的模型來(lái)提取和定位特征。

    相位匹配是近二十年才發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)匹配算法。相位作為匹配基元,本身反映信號(hào)的結(jié)構(gòu)信息,對(duì)圖像的高頻噪聲有很好的抑制作用,適于并行處理,能獲得亞像素級(jí)精度的致密視差。但存在相位奇點(diǎn)和相位卷繞的問(wèn)題,需加入自適應(yīng)濾波器解決。

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關(guān)鍵詞：逆向工程 接觸式工程測(cè)量 非接觸式工程測(cè)量

Abstract: the data acquisition, the measure is in reverse engineering of the first step, reverse engineering measurement is one of the key techniques. Comprehensive contact engineering survey technology and non-contact engineering survey technology of the physical data acquisition method, is the reverse engineering survey technology of many aimed at large, complex structures with the efficiency measure object a engineering measurement methods.

Key words: the reverse engineering contact engineering measurement non-contact measurement engineering

中圖分類(lèi)號(hào)：TB22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

數(shù)據(jù)的獲取、測(cè)量是逆向工程中的第一個(gè)步驟，也是逆向工程測(cè)量最關(guān)鍵的技術(shù)之一。這種方法由接觸式工程測(cè)量技術(shù)獲取散布在被測(cè)物體上或周?chē)娜斯?biāo)記點(diǎn)群的三維坐標(biāo)，再以這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測(cè)量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測(cè)量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測(cè)量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時(shí)的累積誤差。

一、逆向工程概述

逆向工程，又稱(chēng)反求工程、反向工程，指通過(guò)各種測(cè)量手段和三維幾何建模方法，將已有實(shí)物原型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型的過(guò)程，是工程測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的綜合。近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD 技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程測(cè)量工作，但由于多種因素的限制，現(xiàn)實(shí)世界中的很多物體形狀并不能完全用 CAD 設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行描述土建論文。因而，我們提出了逆向工程的概念。這種實(shí)物數(shù)字化建模的方法如今己經(jīng)發(fā)展為 CAD/CAM 中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范疇，成為復(fù)雜工程測(cè)量的重要手段之一。

二、逆向工程測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

技術(shù)研究數(shù)據(jù)獲取是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測(cè)量設(shè)備對(duì)所測(cè)工程進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)獲取的方法大致分為兩類(lèi)：接觸式和非接觸式。

接觸式工程測(cè)量技術(shù) 接觸式工程測(cè)量技術(shù)是在機(jī)械手臂的末端安裝探頭，通過(guò)與工程表面接觸來(lái)獲取表面信息，目前最常用的接觸式測(cè)量系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)多采用機(jī)械探針等觸發(fā)式測(cè)量頭，可通過(guò)編程規(guī)劃掃描路徑進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量，每一次獲取被測(cè)形面上一點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值，測(cè)量速度都很慢。CMM 的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，對(duì)被測(cè)工程無(wú)特殊要求，測(cè)量數(shù)據(jù)密度低，測(cè)量過(guò)程需人工干預(yù)；還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行探頭損傷及探頭半徑補(bǔ)償無(wú)法測(cè)量小于測(cè)頭半徑的凹面工程，這些不足限制了它在快速反求領(lǐng)域中的應(yīng)用。

非接觸式工程測(cè)量技術(shù) ①激光線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)。激光線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)是一種基于三角測(cè)量原理的主動(dòng)式結(jié)構(gòu)光編碼工程測(cè)量技術(shù)，亦稱(chēng)為光切法，通過(guò)將一線狀激光束投射到三維物體上，利用 CCD 攝取物面上的二維變形線圖像，即可解算出相應(yīng)的三維坐標(biāo)。每個(gè)測(cè)量周期可獲取一條掃描線，物體的全輪廓測(cè)量是通過(guò)多軸可控機(jī)械運(yùn)動(dòng)輔助實(shí)現(xiàn)的。這類(lèi)設(shè)備的掃描速度可達(dá) 15000 點(diǎn)/秒，測(cè)量精度在±0.01～±0.1mm 之間，價(jià)格適中，對(duì)測(cè)量工程對(duì)象型面的光學(xué)特性要求不高。②投影光柵測(cè)量技術(shù)。投影光柵測(cè)量技術(shù)是一類(lèi)主動(dòng)式全場(chǎng)三角測(cè)量技術(shù)，通常采用普通白光將正弦光柵或矩形光柵投影于被測(cè)物面上，根據(jù) CCD 攝取變形光柵圖像，根據(jù)變形光柵圖像中條紋像素的灰度值變化，可解算出被測(cè)物面的空間坐標(biāo)，這類(lèi)測(cè)量方法具有很高的測(cè)量速度和較高的精度，而相位測(cè)量法測(cè)量精度相對(duì)較高。③計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)最具代表的是基于 X 射線的 CT 掃描機(jī)，它是以測(cè)量物體對(duì) X 射線的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理而重建斷層圖像，這種方法最早是應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，目前已經(jīng)廣泛用于工程測(cè)量領(lǐng)域，即稱(chēng)為“工程 CT”。對(duì)中空物體的無(wú)損三維測(cè)量，這種方法是目前較先進(jìn)的非接觸式檢測(cè)方法，它可對(duì)被測(cè)工程的內(nèi)部形狀、壁厚、材料，尤其是內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量，該方法同樣能夠獲得被測(cè)工程內(nèi)表面數(shù)據(jù)，且不破壞工程結(jié)構(gòu)。但它存在造價(jià)高，測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積大等缺點(diǎn)。④立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。立體視覺(jué)測(cè)量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來(lái)獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺(jué)測(cè)量方法可以對(duì)處于兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)須伺服機(jī)等掃描裝置。立體視覺(jué)測(cè)量面臨的最大困難是空間特征點(diǎn)在多幅數(shù)字圖像中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問(wèn)題。近來(lái)出現(xiàn)了將具有空間編碼的結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)工程表面，制造測(cè)量特征的方法有效解決了測(cè)量特征提取和匹配的問(wèn)題，但在測(cè)量精度與測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量上仍需改進(jìn)。

三、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代逆向工程測(cè)量技術(shù)是將接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)相融合，是實(shí)現(xiàn)被測(cè)工程整體測(cè)量和數(shù)據(jù)拼接的有效方法，其使用越來(lái)越廣泛。雖然關(guān)于攝影測(cè)量技術(shù)的研究幾乎是自照相機(jī)發(fā)明以來(lái)就開(kāi)始了，但是用于逆向測(cè)量工程的數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)仍然是一門(mén)“年輕”的技術(shù)，它繼承了“攝影測(cè)量與遙感”領(lǐng)域的許多知識(shí)和技術(shù)，同時(shí)又發(fā)展出許多自身特有的技術(shù)和方法，比如設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)。筆者認(rèn)為，研究逆向工程測(cè)量技術(shù)，對(duì)現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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[1] 張義力；逆向工程數(shù)據(jù)獲取中測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[J]；上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)；2009:12-13.

篇6

說(shuō)來(lái)尷尬，盡管我們玩的都是“3D游戲”，但在日常的3D游戲過(guò)程中，相信你絕對(duì)不會(huì)看到所謂的“立體感”的存在，盡管在這些標(biāo)榜“3D”的游戲的處理過(guò)程確實(shí)是在虛擬3D空間內(nèi)完成的，你甚至可以“感受”到畫(huà)面中景深的存在，但你絕對(duì)不可能“看到”這些景深。顯示器是一個(gè)平面，所能顯示的只能是沒(méi)有縱深的畫(huà)面。因此無(wú)論是何種3D游戲，最終都不得不通過(guò)光柵化和輸出過(guò)程將處理好的3D場(chǎng)景通過(guò)投影的方式轉(zhuǎn)化成2D畫(huà)面。換句話說(shuō)，你面前擺著的只不過(guò)是一幅畫(huà)，兩只眼睛所看到的，都是相同的一張照片而已。

并不是每個(gè)人都能夠安然接受這種天天對(duì)著一張照片的日子，只要有欲望和需求，技術(shù)的進(jìn)步總是會(huì)在商業(yè)的催促下適時(shí)的出現(xiàn)并改善我們的生活。于是，3D Vision顯示技術(shù)來(lái)了。第一代3D Vision技術(shù)由驅(qū)動(dòng)、紅外發(fā)射協(xié)調(diào)器、120Hz以上刷新率的顯示器以及快門(mén)式眼睛構(gòu)成，它通過(guò)輸出包含不同細(xì)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)左眼和右眼的不同幀畫(huà)面，同時(shí)快速交替關(guān)閉一只鏡片的方式，來(lái)達(dá)到讓雙眼在不同時(shí)間接收完全不同的畫(huà)面并最終合成具有立體感的最終視覺(jué)效果的目的。只要屏幕的刷新率和眼鏡的開(kāi)關(guān)頻率完美的配合成120Hz以上，3D Vision便可以讓每只眼睛都得到60Hz刷新率的連貫流暢畫(huà)面。

3D Vision的出現(xiàn)讓我們感受到了視覺(jué)上的景深，從而讓計(jì)算機(jī)應(yīng)用時(shí)原本平面化的視野變得立體了起來(lái)。但是第一代3D Vision存在不少局限性，為了修正這些局限性，同時(shí)為我們帶來(lái)更好的立體視覺(jué)享受，NVIDIA推出了改進(jìn)后的3D Vision 2。

相對(duì)于上代的3D Vision，3D Vision 2在特性方面著重做了如下改進(jìn)：

改進(jìn)型同步信號(hào)發(fā)射器。

全新的NVIDIA 3D Vision 2眼鏡。

3D LightBoost技術(shù)。

向下兼容第一代3D Vision。

在以上的這些新特性中，改進(jìn)型同步信號(hào)發(fā)射器主要體現(xiàn)在發(fā)射器的集成方面，NVIDIA 3D Vision 2眼鏡則是對(duì)快門(mén)式眼鏡的重新設(shè)計(jì)和更新，3D LightBoost技術(shù)同樣針對(duì)眼鏡，但該技術(shù)的針對(duì)點(diǎn)則是快門(mén)式鏡片本身。接下來(lái)，我們就來(lái)看看這些技術(shù)進(jìn)步的細(xì)節(jié)以及它們所帶來(lái)的好處吧。

在第一代的3D Vision中，發(fā)射器是一個(gè)獨(dú)立的裝置，它通過(guò)USB線纜與主機(jī)進(jìn)行連接和通訊，然后將有主機(jī)獲得的同步信號(hào)命令發(fā)射給3D Vision眼鏡，從而達(dá)到讓眼鏡的快門(mén)式鏡片開(kāi)關(guān)頻率和時(shí)機(jī)與屏幕完全同步的目的。這種獨(dú)立的發(fā)射裝置不僅存在擺放和固定的問(wèn)題，而且會(huì)增加3D Vision的整體成本。

因此，在3D Vision 2中，NVIDIA將發(fā)射裝置開(kāi)放給了顯示器廠商，讓他們可以直接在自己的產(chǎn)品中。新一代的3D Vision接收裝置不僅體積更加小巧，發(fā)射更加精準(zhǔn)，同時(shí)還降低了3D Vision套件的售價(jià)，增加了顯示器廠商產(chǎn)品的附加價(jià)值。

相對(duì)于發(fā)射裝置，NVIDIA 3D Vision 2眼鏡的改進(jìn)作用更加明顯，因?yàn)樗某霈F(xiàn)直接改善了我們對(duì)3D Vision的使用感受。NVIDIA 3D Vision2眼鏡集合了新一代3D Vision最重要的改進(jìn)包括減重、修飾形狀以及改善整體布局等等。

NVIDIA 3D Vision 2眼鏡優(yōu)化了鏡框材質(zhì)，改善了整個(gè)眼鏡的質(zhì)量和重心，不僅大大降低了眼鏡的整體重量，還可以令佩戴變得更加舒適。同時(shí)，第二代3D Vision眼鏡針對(duì)27寸顯示器進(jìn)行了視場(chǎng)尺寸優(yōu)化，這令其可視面積和視野范圍較之上代眼鏡有了超過(guò)20%的增長(zhǎng)，這可以讓我們獲得更好的視野范圍和視覺(jué)體驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)電池及充電系統(tǒng)的優(yōu)化加長(zhǎng)了第二代3D Vision眼鏡的工作時(shí)間，讓我們可以更加專(zhuān)心的投入到立體視覺(jué)的世界中。

除了視場(chǎng)范圍以及佩戴感受之外，NVIDIA通過(guò)3D LightBoost技術(shù)大幅改善了快門(mén)式鏡片的亮度。比較上代，全新的3D LightBoost技術(shù)為NVIDIA 3D Vision 2眼鏡帶來(lái)了最多一倍的亮度提升，顯著提高了環(huán)境光的透入能力，甚至可以讓玩家清楚地看到自己的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，3D鬼影現(xiàn)象因此得到了顯著的改善。

篇7

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)；建筑與城市規(guī)劃

[中圖分類(lèi)號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 李麗（1969—），女，河南開(kāi)封人。副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事建筑設(shè)計(jì)及理論研究。E-mail：。

一、引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）又稱(chēng)為“靈境技術(shù)”，人們可以用立體顯示設(shè)備、傳感器等交互設(shè)備構(gòu)造出一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，通過(guò)肢體動(dòng)作向計(jì)算機(jī)發(fā)送各種命令，并得到計(jì)算機(jī)在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種感官信息上的反饋，它是一種可以高逼真度地模擬人在自然環(huán)境中視、聽(tīng)、觸等行為的人機(jī)界面技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門(mén)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖像處理與模式識(shí)別、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及高度并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)等眾多學(xué)科的交叉技術(shù)，[1]目前已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、城鎮(zhèn)規(guī)劃、科學(xué)計(jì)算、可視化、教育、電子商務(wù)、醫(yī)學(xué)、軍事、藝術(shù)與娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域。在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種獨(dú)特的技術(shù)手段，有效地解決了人類(lèi)抽象思維與所產(chǎn)生的實(shí)體之間的聯(lián)系問(wèn)題。[2]

當(dāng)代建筑教育的培養(yǎng)模式大體可分為三種，即技能型、觀念型和素質(zhì)型。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的全新的設(shè)計(jì)表達(dá)方式，可以改變我們?cè)谠O(shè)計(jì)中對(duì)空間的認(rèn)識(shí)和對(duì)建筑程序化的理解，它也將改變我們?cè)诮ㄖc城市規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中的思維習(xí)慣和思維方式，對(duì)培養(yǎng)設(shè)計(jì)師的建筑技能、建筑觀念和建筑設(shè)計(jì)的素質(zhì)與能力都有重要作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種技術(shù)手段，可以從建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的不同方面輔助設(shè)計(jì)者的構(gòu)思。而建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程本身就是理性思維和感性思維相結(jié)合的過(guò)程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)這兩方面都有促進(jìn)作用：一方面是它減少設(shè)計(jì)中二維、三維思維轉(zhuǎn)換的限制，從而有利于設(shè)計(jì)者創(chuàng)造性思維的充分發(fā)揮，使設(shè)計(jì)者不再僅受制于圖紙、模型等，還能利用建筑物的真實(shí)性和臨場(chǎng)感為設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維提供啟示，挖掘靈感；另一方面輔助理性思維，它讓設(shè)計(jì)者沉浸式地進(jìn)入未來(lái)的建筑物中，可以幫助設(shè)計(jì)師分析、綜合其設(shè)計(jì)構(gòu)思是否科學(xué)合理，設(shè)計(jì)理念是否有規(guī)可循，設(shè)計(jì)作品是否符合用戶(hù)的需求。

二、建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)

平臺(tái)系統(tǒng)的需求分析

（一）總體需求

建筑學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性學(xué)科，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖最終將通過(guò)建筑物的建成來(lái)體現(xiàn)，而一座能夠稱(chēng)之為藝術(shù)品的建筑，是在設(shè)計(jì)者頭腦中經(jīng)歷若干失敗的構(gòu)想后完成的，因此建筑學(xué)也是一門(mén)經(jīng)驗(yàn)性學(xué)科。建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)中對(duì)于如何展示教師的設(shè)計(jì)意圖以及學(xué)生的設(shè)計(jì)思想過(guò)程一直是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，傳統(tǒng)的做法是使用實(shí)物展示來(lái)加深對(duì)抽象概念的理解，如模型。模型雖能較好地表現(xiàn)建筑物的外觀及結(jié)構(gòu)，但作為建筑的使用者——“人”來(lái)說(shuō)，卻無(wú)法在其中親身體驗(yàn)。快速構(gòu)建一個(gè)實(shí)際無(wú)法到達(dá)的、而學(xué)生可以親身體驗(yàn)的環(huán)境，從而觀測(cè)到現(xiàn)實(shí)中也無(wú)法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象在教學(xué)中就顯得尤為重要，特別是在培養(yǎng)技能型、操作型復(fù)合人才為主要教學(xué)目的的建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)中將成為一個(gè)主流方向。[3]

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以對(duì)自然環(huán)境的仿真以及實(shí)驗(yàn)人員同仿真環(huán)境的交互為基礎(chǔ)，模擬真實(shí)的建筑場(chǎng)景甚至是建筑材料物性特點(diǎn)等來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑學(xué)科中認(rèn)知以及創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。因此，要求該平臺(tái)在硬件上應(yīng)具有同實(shí)驗(yàn)人員在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等層面交互的功能，并且能達(dá)到較好的真實(shí)性及沉浸感；在軟件上應(yīng)具有開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，以方便使用者構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，控制場(chǎng)景中各種對(duì)象，特別是能夠?qū)ψ匀唤绲囊恍┏Ｒ?jiàn)物理環(huán)境進(jìn)行較為完善的仿真，如光照、氣象、重力、速度等。

（二）功能需求

對(duì)于建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1． 展示三維空間、物體

在建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)中需要展示的三維空間（物體）指的是在現(xiàn)實(shí)世界里存在著的空間或是按照自然界的客觀規(guī)律可以合理存在的空間。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)構(gòu)建因受到各種條件局限學(xué)生無(wú)法進(jìn)入的空間，使學(xué)生在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)甚至觸覺(jué)上達(dá)到身臨其境的真實(shí)感受，將大大增強(qiáng)他們對(duì)空間的概念及知識(shí)點(diǎn)的理解，克服了一些學(xué)生空間想象力不豐富或是對(duì)教師描述的空間有不同的理解的教學(xué)困難。

2． 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，特別是沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使學(xué)生進(jìn)入到虛擬的場(chǎng)景中，讓他們自己主動(dòng)去游歷這個(gè)場(chǎng)景，去感受一個(gè)優(yōu)秀城市、建筑、景觀所能夠給觀賞者帶來(lái)的感受。這樣能夠使學(xué)生對(duì)于建筑物的體量、色彩、光影，以及建筑相互間的陪襯、比較、位置的相對(duì)性、外觀以及空間的相對(duì)性和深度排列等這些知識(shí)去細(xì)細(xì)體味，較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)于“隔景”、“分景”、“借景”等以往在課堂中難以表述的設(shè)計(jì)理念的教學(xué)。

3． 開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐手段中最具有革命性的技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)普通學(xué)校在現(xiàn)有條件下，根本無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)。主要分為以下幾個(gè)方面：

自主體驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，學(xué)生通過(guò)在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“建立場(chǎng)景虛擬體驗(yàn)完善設(shè)計(jì)”這個(gè)流程來(lái)最終體驗(yàn)、完善自己的設(shè)計(jì)。

通過(guò)引入物理參數(shù)對(duì)建筑（及構(gòu)件）進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，如全年采光實(shí)驗(yàn)、高層建筑的玻璃幕墻防護(hù)沖擊波、維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流傳導(dǎo)等實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)由于在空間、時(shí)間、成本上代價(jià)太高或是具有一定的危險(xiǎn)以及其研究對(duì)象無(wú)法觀測(cè)（如熱流）等原因在以往教學(xué)中存在限制。[4]

虛擬安裝、裝配實(shí)驗(yàn)，借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)于一些施工現(xiàn)場(chǎng)的工藝過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)，使學(xué)生對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)以及施工環(huán)節(jié)的知識(shí)能夠掌握得更好，如了解古建筑的營(yíng)造或是網(wǎng)架、鋼構(gòu)的構(gòu)造、施工。

（三）性能需求分析

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能就是模擬現(xiàn)實(shí)世界，而我們感受現(xiàn)實(shí)世界的主要途徑就是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)。因此，最大限度地使實(shí)驗(yàn)者能夠在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)上再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界就是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能需求，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)分為硬件及軟件系統(tǒng)。[5]

在硬件方面，實(shí)現(xiàn)三維立體視覺(jué)以展現(xiàn)三維的現(xiàn)實(shí)世界是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本功能，目前實(shí)現(xiàn)三維立體視覺(jué)的手段主要分主動(dòng)和被動(dòng)，主動(dòng)式系統(tǒng)由于其資金投入將隨實(shí)驗(yàn)人數(shù)的增加而大幅增加，所以在人數(shù)較多的場(chǎng)合宜采用被動(dòng)式立體視覺(jué)。在視覺(jué)要素中，人雙眼不動(dòng)的水平視角為180度，但雙眼共同視看范圍為120度，實(shí)際的全景顯示產(chǎn)生水平為±100度，垂直±30度視場(chǎng)，即可有很強(qiáng)的沉浸感。[6]故三維立體視覺(jué)多采用滿足120度水平視角的設(shè)計(jì)，要求較高的可以采用180度水平視角的系統(tǒng)。為了再現(xiàn)自然環(huán)境，需要三維立體系統(tǒng)具有較高的表觀亮度，由于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室，為使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行各種操作，實(shí)驗(yàn)室照度E最小應(yīng)為10Lux，若實(shí)驗(yàn)室墻面采用深色處理反射比ρ為0.3，則環(huán)境亮度（即墻面亮度）L=ρE/π，為0.96cd/m2，根據(jù)亮度感覺(jué)曲線，三維立體視覺(jué)系統(tǒng)的亮度應(yīng)達(dá)到200cd/m2才能達(dá)到滿意的表觀亮度；[7]人眼能夠分辨256級(jí)以上的灰度，故三維立體視覺(jué)系統(tǒng)的對(duì)比度應(yīng)達(dá)到500∶1以上。為能夠流暢地展示運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，系統(tǒng)的計(jì)算速度應(yīng)達(dá)到普通攝像機(jī)的幀率，即30pfs，在聽(tīng)覺(jué)方面，系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)5.1聲道環(huán)繞聲以及達(dá)到高保真音響系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)；最后作為虛擬現(xiàn)實(shí)的交互環(huán)節(jié)，系統(tǒng)應(yīng)具有沉浸式交互設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)參與者與虛擬系統(tǒng)互動(dòng)。在軟件方面，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)能夠完成虛擬場(chǎng)景的制作、播放、漫游、互動(dòng)、光影、煙霧等特效以及物理參數(shù)的模擬。在建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)中，特別強(qiáng)調(diào)虛擬場(chǎng)景的制作，場(chǎng)景必須真實(shí)才能達(dá)到較高的臨場(chǎng)感，這就要求系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)渲染分辨率，豐富的色彩和足夠的細(xì)節(jié)展現(xiàn)。如果虛擬場(chǎng)景的制作過(guò)程過(guò)于復(fù)雜繁瑣使實(shí)驗(yàn)者把時(shí)間和精力大量耗費(fèi)于制作，則削弱了對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)思的體驗(yàn)，甚至使實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成，因此軟件系統(tǒng)應(yīng)具有較好的可操作性，易學(xué)易用，特別是應(yīng)針對(duì)建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域能夠有專(zhuān)用的組件、模塊如“光照分析”，以實(shí)現(xiàn)特定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

三、基于V R的系統(tǒng)架構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，硬件系統(tǒng)核心為三維立體顯示，由于目前高分辨率的大幅面影像顯示只能采用投影的形式，故虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三維立體視覺(jué)使用多通道被動(dòng)立體投影來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，出于增強(qiáng)立體感、減小觀看時(shí)透視變形以及節(jié)省空間的考慮，投影幕為弧形柱面系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)圖

其中，計(jì)算集群由多臺(tái)高性能圖形工作站組成，完成虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染處理、聲像輸出、用戶(hù)交互等功能，集群計(jì)算完成的圖像信息輸出到融合機(jī)，由融合機(jī)進(jìn)行曲面校正和邊緣融合處理后的左右眼圖像數(shù)據(jù)分為三個(gè)通道分別送到六臺(tái)投影機(jī)，其中左眼圖像和右眼圖像通過(guò)在投影機(jī)上安裝偏振鏡頭的方法分別被水平及垂直極化后投射到柱面環(huán)幕。實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)佩戴相應(yīng)的偏振眼鏡來(lái)再現(xiàn)左右眼不同的圖像，實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)。

（二）功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)功能主要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，軟件主要將實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 制作虛擬場(chǎng)景，如建筑構(gòu)件、單體、組團(tuán)；

2. 播放虛擬場(chǎng)景并提供用戶(hù)交互，如各種漫游、虛擬構(gòu)件裝配；

3. 在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行各種分析、測(cè)試，如日照參數(shù)分析、通視分析、天際線分析、控高分析、采光性能測(cè)試。

根據(jù)調(diào)研，目前尚無(wú)一個(gè)軟件包能實(shí)現(xiàn)上述全部功能，大多數(shù)軟件只是在場(chǎng)景制作、播放上功能較強(qiáng)，個(gè)別軟件也能進(jìn)行簡(jiǎn)單的建筑參數(shù)分析。就拿目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的中視典公司和偉景行數(shù)字城市科技有限公司的相關(guān)產(chǎn)品VRP-Digicity和CityMaker來(lái)說(shuō)，也僅限于包括場(chǎng)景制作，建筑、規(guī)劃方案數(shù)據(jù)庫(kù)管理，建筑、規(guī)劃方案比較，建筑、規(guī)劃方案實(shí)時(shí)交互調(diào)整等在內(nèi)的規(guī)劃方案分析等功能。雖然這些功能在一定程度上能夠滿足基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要（圖2即為軟件展現(xiàn)的不同風(fēng)格的建筑單體方案對(duì)比，可以看出，這種直觀的教學(xué)對(duì)于學(xué)生掌握設(shè)計(jì)思想以及實(shí)踐設(shè)計(jì)方案有很大幫助）。

圖2 規(guī)劃軟件中建筑單體方案對(duì)比

但如要開(kāi)展基礎(chǔ)類(lèi)設(shè)計(jì)課程以外的虛擬實(shí)驗(yàn)，如材料破壞性能、建筑熱流分析，就沒(méi)有現(xiàn)成的軟件平臺(tái)可以使用。目前較為通行的方法是在虛擬物理模擬系統(tǒng)的SDK平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，也可采用通用的3D引擎如Virtools、Quest3D、Unity3D等，甚至可以使用開(kāi)源的3D引擎。以上三種方式的不同在于他們依次有著更大的編程開(kāi)發(fā)工作量，當(dāng)然，也就依次有著更小的軟件費(fèi)用投入。

編程的工作量大意味著開(kāi)發(fā)者擁有更大的自由度，所以可以依據(jù)投入情況以及實(shí)驗(yàn)人員的專(zhuān)業(yè)構(gòu)成來(lái)決定采用什么樣的系統(tǒng)。

（三）軟件平臺(tái)組建實(shí)例

綜合考慮上述因素，我們采用了VRP-Digicity+Unity3D的方式來(lái)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件平臺(tái)，由VRP-Digicity來(lái)進(jìn)行建筑場(chǎng)景的建模和常見(jiàn)的各種分析實(shí)驗(yàn)，使用Unity3D來(lái)開(kāi)發(fā)一些專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)。

VRP-Digicity作為一種成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)具有較好的易用性。它能夠使用3DMax的模型來(lái)構(gòu)建場(chǎng)景，而3DMax又是在建筑表現(xiàn)領(lǐng)域中使用最為廣泛的軟件，[8]使用3DMax建立需要的建筑、景觀模型后將其導(dǎo)入VRP-Digicity，由VRP-Digicity建立場(chǎng)景物體和各項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)建筑規(guī)劃數(shù)據(jù)和三維空間形象的一致性。在該軟件包中可以對(duì)項(xiàng)目、方案、圖層和規(guī)劃元素進(jìn)行集中管理和展示，如動(dòng)態(tài)調(diào)整三維場(chǎng)景中的建筑物高度、樓層分層數(shù)和建筑高度；對(duì)建筑、道路、公共設(shè)施、綠化等方案進(jìn)行雙屏或多屏比較；選擇城市、日期、時(shí)間，演示單體或多個(gè)建筑物的陰影變化等功能。VRP-Digicity本身包含立體投影軟件模塊以及人機(jī)交互軟件模塊，因此以該軟件包配合硬件系統(tǒng)即可較為方便地實(shí)現(xiàn)建筑、規(guī)劃類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)。

圖3 建筑物受撞擊坍塌模擬實(shí)驗(yàn)視頻截圖

作為基礎(chǔ)類(lèi)設(shè)計(jì)課程以外的課程，如“結(jié)構(gòu)力學(xué)”，如果對(duì)其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，就無(wú)針對(duì)的軟件，而Unity3D具有高效的實(shí)時(shí)渲染引擎，且集成了PhysX物理引擎，并可結(jié)合Visual Studio 2008使用C#進(jìn)行腳本編程，可對(duì)虛擬空間中的物體進(jìn)行較為細(xì)膩的控制，因此可以在此平臺(tái)上自由靈活地開(kāi)發(fā)出課程需要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。圖3即為在該系統(tǒng)下虛擬仿真的建筑物受撞擊后坍塌的交互實(shí)驗(yàn)視頻截圖。以該實(shí)驗(yàn)為例，環(huán)境的構(gòu)建步驟如下：

首先由3Dmax建立建筑物的模型，該模型應(yīng)是符合Unity3D制作規(guī)范并包括以下信息：場(chǎng)景尺寸、單位，模型歸類(lèi)塌陷、命名、節(jié)點(diǎn)編輯，紋理、坐標(biāo)、紋理尺寸、紋理格式、材質(zhì)球等，完成后將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后再作一些必要的調(diào)整如設(shè)置材質(zhì)燈光等。

其次設(shè)置對(duì)象腳本，Unity3D依據(jù)對(duì)象的名稱(chēng)可以使用C#腳本語(yǔ)言對(duì)場(chǎng)景中對(duì)象進(jìn)行控制，在該實(shí)驗(yàn)中主要為撞擊球的速度、方位、數(shù)量以及人機(jī)交互部分即能夠讓實(shí)驗(yàn)人員對(duì)撞擊球進(jìn)行交互控制。

然后為PhysX物理引擎設(shè)置，依據(jù)現(xiàn)實(shí)自然界的定律，應(yīng)設(shè)置重力加速度、各種作用力、碰撞規(guī)則等，此外場(chǎng)景中各種模型根據(jù)其在現(xiàn)實(shí)中對(duì)應(yīng)的材料不同，也應(yīng)具有不同的物理屬性，如當(dāng)物體的材質(zhì)都很軟的時(shí)候，在現(xiàn)實(shí)中就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生碰撞的時(shí)候物體之間就會(huì)相互嵌入一部分，因此必須對(duì)場(chǎng)景中的所有物體創(chuàng)建材質(zhì)。創(chuàng)建的材質(zhì)定義了碰撞和物體材料的物理屬性，比如質(zhì)量、反彈系數(shù)、約束、靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力；此外還應(yīng)設(shè)置運(yùn)動(dòng)屬性，包括速度、慣性、加速度、角速度，以最大限度地模擬真實(shí)環(huán)境。

最后使用Unity3D中UnitygetReal3D插件配合硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體影像以及實(shí)驗(yàn)交互，逼真地展現(xiàn)場(chǎng)景中的虛擬過(guò)程。

四、結(jié) 語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，給建筑學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)帶來(lái)了一個(gè)嶄新的技術(shù)手段，讓學(xué)生全方位地體驗(yàn)了建筑學(xué)從材料到藝術(shù)、從形狀到空間、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的全過(guò)程。如上述的建筑坍塌實(shí)驗(yàn)，過(guò)去在普通條件下不可能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在可以在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上得以展現(xiàn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這種方式在今后實(shí)際教學(xué)中將取得良好的效果。

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篇8

橋梁工程在我國(guó)的飛速發(fā)展中占據(jù)重要的地位，而橋梁工程的安全與否也直接關(guān)系到人民群眾的生命安危。要保障橋梁的質(zhì)量，就要加大對(duì)橋梁裂縫檢測(cè)的頻率與力度。我國(guó)橋梁裂縫檢測(cè)的現(xiàn)狀是以人工為主，依靠橋梁檢測(cè)車(chē)等大型機(jī)械將橋梁檢測(cè)專(zhuān)家送到橋底進(jìn)行人工檢測(cè)與測(cè)量。人工檢測(cè)方法耗時(shí)耗力，人力安全保障不高，且主觀因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響比較大。近幾年許薛軍等[1-3]很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直嘗試著使用傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理的方法對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行測(cè)量，即用單目拍攝系統(tǒng)拍攝大量橋底以及橋周邊的圖片，對(duì)圖片進(jìn)行灰度化，平滑去噪等簡(jiǎn)單的圖像處理后提取裂縫輪廓，根據(jù)裂縫占用的像素?cái)?shù)和相機(jī)的像素率（單位像素尺寸計(jì)算出裂縫的真實(shí)尺寸。這種方法相比較人工測(cè)量方法有所進(jìn)步，方便快捷，安全可靠。不足之處是，單目圖像處理的方法僅僅是基于二維平面的一種計(jì)算方法，而攝像機(jī)拍攝平面很難嚴(yán)格地平行于橋面，即圖像上顯示的裂縫僅僅是真實(shí)的裂縫在攝像機(jī)平面的投影，這樣用圖像處理的方法計(jì)算出的裂縫尺寸會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)的橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)，將雙目拍攝系統(tǒng)拍攝的照片用基本圖像處理方法進(jìn)行預(yù)處理后，再用雙目視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。雙目視覺(jué)技術(shù)可以還原物體的空間真實(shí)尺寸，從而彌補(bǔ)了單目測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量精度方面的缺陷。

1橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)組成

橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像處理模塊、雙目立體計(jì)算模塊組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.1以無(wú)人機(jī)為載體的圖像采集模塊

無(wú)人機(jī)質(zhì)量輕，體積小，靈活輕便，拍攝角度全面，可操作性強(qiáng)。方案采用stm32單片機(jī)操控的自制四旋翼無(wú)人機(jī)，將雙目攝像頭固定在無(wú)人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)多方位拍攝橋梁底部及周邊照片。

1.2圖像處理模塊

首先，后續(xù)的對(duì)于橋梁裂縫圖片的操作是基于灰度圖像進(jìn)行的，而拍攝到的原始圖片為真彩圖像，所以需要將真彩圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖。其次，原始的橋梁裂縫圖像中會(huì)有一些雨水沖刷的痕跡或者人為的印跡，即噪聲，使真正的裂縫受到干擾，因此必須對(duì)圖片進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括去噪、平滑等，使得后面的計(jì)算結(jié)果更精確。參照文獻(xiàn)[4]并通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選用效果比較好的自定義3×3平滑濾波模板進(jìn)行去噪處理。對(duì)處理后的圖像進(jìn)行線性灰度轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。最后，選用文獻(xiàn)[5]介紹的拉普拉斯高斯（LaplacianGauss， LoG算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到最終的橋梁裂縫二值圖，使裂縫的輪廓與背景區(qū)域分割開(kāi)來(lái)。

1.3雙目立體計(jì)算模塊

計(jì)算模塊是橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)的核心部分。對(duì)預(yù)處理后的圖片進(jìn)行相關(guān)點(diǎn)匹配與空間坐標(biāo)計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出橋梁裂縫的長(zhǎng)度與寬度值。具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)第3章。

2雙目立體視覺(jué)計(jì)算

2.1雙目立體視覺(jué)模型

人之所以能看到一個(gè)三維的立體世界，是因?yàn)閮芍谎劬牟煌嵌确謩e成像，大腦根據(jù)左右雙眼的相對(duì)位置計(jì)算出物體的大小距離等信息。雙目視覺(jué)顧名思義，就是根據(jù)人的雙眼去模擬的一種計(jì)算機(jī)視覺(jué)，所以它的模型也如人的雙眼一般。雙目視覺(jué)的模型見(jiàn)圖2（為了實(shí)際應(yīng)用方便，本方案所用的模型參考文獻(xiàn)[6]，為雙目橫向平行對(duì)準(zhǔn)模式。其中，P是空間一點(diǎn)，設(shè)P在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為（X，Y，Z，1，pl（x1，y1，1和pr（x2，y2，1分別是P點(diǎn)在左、右攝像機(jī)成像平面上的像素齊次坐標(biāo)。采用橫向平行對(duì)準(zhǔn)模式（即兩個(gè)攝像機(jī)成像平面處于同一平面并與光軸垂直，光心處于同一水平線，且位于成像平面中心，焦距相等的雙目視覺(jué)模型。

圖片

圖2橫向平行模式的雙目視覺(jué)模型

假設(shè)焦距為f，兩個(gè)攝像機(jī)的基線為B，取左相機(jī)坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系OXYZ，左邊像素坐標(biāo)系為Olx1y1，右邊像素坐標(biāo)系為Orx2y2，根據(jù)透視變化三角幾何關(guān)系，參照文獻(xiàn)[7-8]可以得到以下公式：

y1=y2=fYZ（1   []

x1=fXZ（2

x2=fX-BZ（3

由式（1、（2、（3可以計(jì)算出點(diǎn)P的三維坐標(biāo)：

X=Bx1x1-x2Y=By1x1-x2Z=Bfx1-x2（4

2.2雙目相機(jī)的標(biāo)定

根據(jù)馮煥飛等[9]的研究可以總結(jié)出：雙目相機(jī)的標(biāo)定指確定三維空間點(diǎn)到二維平面點(diǎn)的映射矩陣的過(guò)程。投影矩陣是由相機(jī)經(jīng)過(guò)標(biāo)定后獲得的內(nèi)外參數(shù)決定，內(nèi)參指相機(jī)的畸變系數(shù)等參數(shù)，外參指相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)系數(shù)和平移系數(shù)。本方案選擇了經(jīng)典的Zhang[10]標(biāo)定法，采用實(shí)心圓陣列標(biāo)定板（圖3（a。三維空間點(diǎn)到二維平面點(diǎn)的映射關(guān)系為：

xy1=sNWXYZ1=s·fx0cx0fycy001·[Rt]·XYZ1（5

圖片

圖3標(biāo)定板以及特征識(shí)別結(jié)果

其中：s為比例因子；N為相機(jī)內(nèi)參矩陣，表示相機(jī)在x和y方向上的畸變系數(shù)以及單位像素尺寸；W表示相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的映射矩陣，即外參矩陣；其中R為3×3旋轉(zhuǎn)矩陣；t為3×1的平移向量。Zhang[10]標(biāo)定法選擇的是平面標(biāo)定，即標(biāo)定板處于Z=0的平面上，整理得：

[xy1]T=sN[r1r2t][XYZ1]T=

[h1h2h3][XYZ1]T=H[XYZ1]T（6

其中：H為所求三維空間坐標(biāo)到二維像素坐標(biāo)的映射矩陣。

標(biāo)定板中黑色特征點(diǎn)的二維像素坐標(biāo)可以通過(guò)圖像識(shí)別和計(jì)算得到，識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖3（b。特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以由棋盤(pán)格直接得知。根據(jù)上述理論，張正友標(biāo)定法需要得到的參數(shù)共有5個(gè)，而旋轉(zhuǎn)矩陣R還具有以下兩個(gè)性質(zhì)：rT1r2=0，r1=r2=1，所以至少拍攝3幅圖片就可以得到相機(jī)的映射矩陣H，并且可以計(jì)算出具體的攝像機(jī)內(nèi)參和外參。本方案用9組圖片來(lái)進(jìn)行雙目攝像機(jī)標(biāo)定，使標(biāo)定精度更高。

2.3圖像匹配

一個(gè)空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)是由該點(diǎn)在左右圖中的像素坐標(biāo)共同計(jì)算出來(lái)的，因此將同一點(diǎn)在左右圖中的成像精確匹配出來(lái)很重要。根據(jù)橋梁裂縫的特征和之前的圖像預(yù)處理結(jié)果（見(jiàn)圖4，研究了一種適用于橋梁裂縫二值圖的匹配方法。方法同時(shí)利用外極線約束與灰度值約束縮小搜索范圍。再選用Takashi Goda等[11-12]文獻(xiàn)[11-12]的基于灰度值匹配的圖像互相關(guān)算法——歸一化互相關(guān)（Normalized Cross Correlation， NCC進(jìn)行唯一性約束。主要匹配流程如圖5。

2.3.1對(duì)極約束

立體視覺(jué)成像系統(tǒng)的基本幾何模型被稱(chēng)為對(duì)極幾何。本質(zhì)上 ，這個(gè)幾何模型包括兩個(gè)針孔模型和一些相交的點(diǎn)，稱(chēng)作極點(diǎn)。從文獻(xiàn)[13]中，得知對(duì)極幾何有以下幾個(gè)特點(diǎn)（可參考圖2：

1每個(gè)空間中的點(diǎn)都在一個(gè)極面上，該極面與兩個(gè)圖像相交于極線。給定一張圖像中的點(diǎn)，它在另一圖像中的匹配點(diǎn)必定在對(duì)應(yīng)的極線上，這一約束被稱(chēng)作對(duì)極約束。對(duì)于本文用到的平行對(duì)準(zhǔn)模式的雙目系統(tǒng)，極線即為左右兩個(gè)成像點(diǎn)的連線。

2對(duì)極約束意味著本來(lái)應(yīng)該在二維平面上尋找的匹配點(diǎn)被簡(jiǎn)化為在極限上尋找。這不僅僅降低了計(jì)算量，也可以作為約束來(lái)降低錯(cuò)誤匹配的可能性。

2.3.2 歸一化互相關(guān)（NCC算法

NCC算法的主要思想是基于某一點(diǎn)的灰度值以及周邊像素的灰度值，在對(duì)應(yīng)的圖像中尋求與之相關(guān)系數(shù)最大的點(diǎn)。以參考點(diǎn)為中心建立一個(gè)u*v的窗口T，則對(duì)應(yīng)圖像中某一點(diǎn)與該點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為

ncc（r，c=1n·（∑u′≤u.v′≤vu′，v′=0（t（u′，v′-mt/s2t·

（（f（r+u′，c+v′-mf（r，c/s2f（r，c（7

其中：（r，c為搜索子圖的左上角頂點(diǎn)在搜索圖像中的坐標(biāo)。mt=1n∑u′≤u，v′≤vu′，v′=0t（u′，v′是模板T的平均灰度值，S2t=1n∑u′≤u，v′≤vu′，v′=0[t（u′，v′-mt]2是模板T的灰度值方差，當(dāng)前搜索窗口平均灰度值為mf=1n∑u′≤u，v′≤vu′，v′=0t（r+u′，c+v′，灰度值方差為

S2f=1n∑u′≤u，v′≤vu′，v′=0[t（r+u′，c+v′-mf]2。

從式（7中可以看出：ncc（r，c≤1，一般情況下，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，則表明待匹配點(diǎn)與當(dāng)前對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配度越高。

2.3.3裂縫匹配過(guò)程

由對(duì)極約束和NCC算法原理，可以獲得一種適用于通過(guò)圖像處理得到的橋梁裂縫二值圖的匹配方法。首先，在左邊的二值圖上選取一點(diǎn)為參考點(diǎn)，通過(guò)對(duì)極約束，可以迅速地將匹配目標(biāo)鎖定到右邊二值圖的對(duì)應(yīng)極線上。其次，由于二值圖已經(jīng)描述了裂縫邊緣，因此通過(guò)灰度值檢測(cè)可以排除黑色區(qū)域，留下灰度值為255（即白色的點(diǎn)。最后用NCC算法計(jì)算出所剩的少量候選點(diǎn)分別與參考點(diǎn)的歸一化互相關(guān)系數(shù)，從中找出絕對(duì)值最大并且不大于1的點(diǎn)，即可作為最終獲得的匹配點(diǎn)。

3裂縫尺寸計(jì)算

根據(jù)2.1節(jié)中提到的雙目立體視覺(jué)空間點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理，可以由式（4得知，每得出一組匹配像素點(diǎn)pl（x1，y1和pr（x2，y2，由相機(jī)標(biāo)定得到相機(jī)的焦距f和雙目相機(jī)的基線B，就可以求出pl和pr在空間中對(duì)應(yīng)的真實(shí)點(diǎn)P（X，Y，Z。在之前的圖像處理中，參照文獻(xiàn)[14]提出的一些研究方法，已經(jīng)將圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖并且將裂縫的輪廓提取出來(lái)。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的一些三維重建理論，只要分別對(duì)一條裂縫的寬邊（或長(zhǎng)邊左右（或上下的像素點(diǎn)進(jìn)行匹配，就可以計(jì)算出這兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z和（U，V，W。進(jìn)一步，根據(jù)三維歐氏距離公式：

d=（X-U2+（Y-V2+（Z-W2（8

計(jì)算出該處的寬度值（或長(zhǎng)度值。根據(jù)計(jì)算流程見(jiàn)圖6。

4實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)的主要目的有兩個(gè)：一是驗(yàn)證方案中提出的橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)的可行性；二是對(duì)比雙目立體視覺(jué)技術(shù)和傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)在裂縫尺寸測(cè)量方面的優(yōu)劣。在Qt平臺(tái)上用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程。用雙目拍攝系統(tǒng)實(shí)拍了兩組混凝土橋梁裂縫圖片（以下分別稱(chēng)為A組和B組，對(duì)于每一組圖片中的裂縫，采用三種不同角度去拍攝（拍攝示例見(jiàn)圖7，角度分別用序號(hào)1，2，3表示，之后用雙目立體視覺(jué)技術(shù)計(jì)算出該裂縫的長(zhǎng)度和寬度。在此說(shuō)明，根據(jù)相關(guān)橋梁規(guī)范，本文所指裂縫寬度為每段裂縫最寬處的值，裂縫長(zhǎng)度指裂縫長(zhǎng)邊兩端點(diǎn)的直線距離。為了保證單雙目攝像機(jī)的對(duì)比處于同一標(biāo)定條件和拍攝角度下，實(shí)驗(yàn)直接對(duì)每組圖片的左邊圖片和右邊圖片用二維圖像處理技術(shù)進(jìn)行裂縫尺寸計(jì)算作為單目的計(jì)算結(jié)果，并用裂縫觀測(cè)儀測(cè)量出的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)參考值。計(jì)算結(jié)果與對(duì)比見(jiàn)表1。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)深入研究基于雙目立體視覺(jué)理論的橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)，和設(shè)置嚴(yán)格的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載雙目拍攝系統(tǒng)和在Qt平臺(tái)上用C++語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)。在不同的拍攝角度下，雙目測(cè)量結(jié)果相差不大，并且對(duì)于裂縫寬度和長(zhǎng)度，雙目測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值的相對(duì)誤差分別保持在10%和1%以?xún)?nèi)，符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定。而同條件下單目測(cè)量結(jié)果隨著拍攝角度變化相差很大，證明了基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)的橋梁裂縫測(cè)量系統(tǒng)能較好地在實(shí)際中應(yīng)用，并相對(duì)傳統(tǒng)的基于圖像處理技術(shù)的單目視覺(jué)測(cè)量方法具有更高的精確度。

2由表1知，當(dāng)裂縫寬度分別為0.33mm和0.25mm時(shí)，雙目測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差分別約為3%和10%，表明裂縫的寬度越小相對(duì)誤差越大。橋梁裂縫寬度測(cè)量也是橋梁裂縫檢測(cè)領(lǐng)域一直以來(lái)的一個(gè)難點(diǎn)。

3該系統(tǒng)的測(cè)量誤差除了有儀器造成的系統(tǒng)誤差以外，還包括圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)、相機(jī)標(biāo)定環(huán)節(jié)和圖像匹配環(huán)節(jié)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。所以，要使橋梁裂縫檢測(cè)工程達(dá)到更高的精度，在這幾個(gè)方面也要進(jìn)行深入的研究，獲得更高精度的計(jì)算方法。

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篇9

    一、數(shù)字舞蹈的視覺(jué)沖擊

    藝術(shù)的發(fā)展要符合現(xiàn)代人類(lèi)的審美要求,狂歡和華麗從來(lái)都是藝術(shù)的主旋律。在現(xiàn)代人類(lèi)快節(jié)奏的生活中,想要抓住大眾的品味心理,那藝術(shù)就必須要與現(xiàn)代生活節(jié)奏相一致。舞蹈作為一種傳統(tǒng)的藝術(shù)形式,要想給人們帶來(lái)全新的視覺(jué)感受,就必須重視視覺(jué)感受的表達(dá)。對(duì)視覺(jué)感官產(chǎn)生沖擊必然會(huì)在人們的心理、生理甚至感情的表達(dá)上引發(fā)共鳴,這樣才能滿足現(xiàn)代人的審美感知。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中能夠進(jìn)行視覺(jué)傳統(tǒng)的方式有很多,例如三維立體視覺(jué)、LED屏幕以及全息顯示技術(shù),各種各樣的現(xiàn)代技術(shù)為數(shù)字舞蹈藝術(shù)的設(shè)計(jì)提供了豐富的資源,為制作出更加出色的舞蹈提供了更多更好的場(chǎng)景和更大的選擇空間,產(chǎn)生更多的視覺(jué)效果,吸引觀眾的眼球。而全息顯示技術(shù)就具有這些優(yōu)點(diǎn),全息顯示技術(shù)作為一種顯示技術(shù),能夠制造出多角度的立體效果,甚至能夠進(jìn)行360度全方位還原。將數(shù)字技術(shù)在舞蹈技術(shù)中的應(yīng)用還有很多,例如2011年美國(guó)達(dá)人秀(AGT)上由TeamiLuminate團(tuán)隊(duì)表演的一個(gè)超級(jí)有創(chuàng)意的熒光影舞蹈,利用電腦編程控制LED光影的閃爍,再加上巧妙絕倫的排舞,其視覺(jué)效果讓許多人為之震撼。這是將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到舞蹈領(lǐng)域的一次成功的嘗試。

    二、數(shù)字舞蹈的教育模式

    教育是舞蹈藝術(shù)傳承的一種重要的方式。舞蹈藝術(shù)的教育方式對(duì)舞蹈學(xué)習(xí)的質(zhì)量和理念有很大的影響。一般的舞蹈教育都是采用學(xué)習(xí)者與舞蹈教師面對(duì)面授課的方式,學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程就是完全模仿舞蹈教師的動(dòng)作和風(fēng)格,這種教育方式完全是由舞蹈教師的能力決定的。這種教學(xué)模式不僅需要舞蹈教師擁有很好的舞蹈功底,還要能夠迅速指出學(xué)習(xí)者練習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題,掌握舞蹈的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)。而數(shù)字舞蹈的教育模式與傳統(tǒng)舞蹈教育模式有很大的區(qū)別。采用數(shù)字技術(shù)中的體感技術(shù)和教學(xué)終端改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式,例如應(yīng)用數(shù)字技術(shù)能夠讓學(xué)習(xí)者在練習(xí)舞蹈過(guò)程中實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng),學(xué)習(xí)者可以利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行自主的舞蹈學(xué)習(xí)。而且可以在計(jì)算機(jī)中輸入舞蹈的標(biāo)準(zhǔn),在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下,學(xué)習(xí)者舞蹈動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)性能夠有很大的提高,還能夠讓舞蹈愛(ài)好者擁有更多學(xué)習(xí)和聯(lián)系舞蹈的機(jī)會(huì),使得學(xué)習(xí)的舞蹈動(dòng)作更加標(biāo)準(zhǔn),這也是舞蹈教學(xué)最主要的目的。21世紀(jì)是一個(gè)多媒體時(shí)代,數(shù)字化技術(shù)逐漸已經(jīng)融入到現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域。將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到舞蹈藝術(shù)中,是傳統(tǒng)舞蹈藝術(shù)向現(xiàn)代藝術(shù)轉(zhuǎn)變的需要?，F(xiàn)代數(shù)字舞蹈豐富了舞蹈的藝術(shù)種類(lèi),改變了傳統(tǒng)的舞蹈形式,滿足了現(xiàn)代人類(lèi)的審美要求,為人類(lèi)帶來(lái)了視覺(jué)的沖擊,也形成了一種全新的舞蹈教育模式,使得舞蹈愛(ài)好者擁有了更多自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。這是科學(xué)技術(shù)和傳統(tǒng)藝術(shù)的結(jié)合,創(chuàng)作出了更加優(yōu)秀的舞蹈作品。

篇10

關(guān)鍵詞：逆向工程；測(cè)量；技術(shù)

一、引言

數(shù)據(jù)的獲取、測(cè)量是逆向工程中的第一個(gè)步驟，也是逆向工程測(cè)量最關(guān)鍵的技術(shù)之一。綜合接觸式工程測(cè)量技術(shù)和非接觸式工程測(cè)量技術(shù)的實(shí)物數(shù)據(jù)獲取方法，是目前眾多逆向工程測(cè)量技術(shù)中針對(duì)大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象最具有高效性的一種工程測(cè)量方式。這種方法由接觸式工程測(cè)量技術(shù)獲取散布在被測(cè)物體上或周?chē)娜斯?biāo)記點(diǎn)群的三維坐標(biāo)，再以這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測(cè)量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測(cè)量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測(cè)量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時(shí)的累積誤差。

二、逆向工程概述

逆向工程，又稱(chēng)反求工程、反向工程，指通過(guò)各種測(cè)量手段和三維幾何建模方法，將已有實(shí)物原型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型的過(guò)程，是工程測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的綜合。近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程測(cè)量工作，但由于多種因素的限制，現(xiàn)實(shí)世界中的很多物體形狀并不能完全用CAD設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行描述。因而，我們提出了逆向工程的概念。這種實(shí)物數(shù)字化建模的方法如今己經(jīng)發(fā)展為CAD/CAM中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范疇，成為復(fù)雜工程測(cè)量的重要手段之一。

三、逆向工程測(cè)量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

數(shù)據(jù)獲取是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測(cè)量設(shè)備對(duì)所測(cè)工程進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)獲取的方法大致分為兩類(lèi)：接觸式和非接觸式。

1.接觸式工程測(cè)量技術(shù)接觸式工程測(cè)量技術(shù)是在機(jī)械手臂的末端安裝探頭，通過(guò)與工程表面接觸來(lái)獲取表面信息，目前最常用的接觸式測(cè)量系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)多采用機(jī)械探針等觸發(fā)式測(cè)量頭，可通過(guò)編程規(guī)劃掃描路徑進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量，每一次獲取被測(cè)形面上一點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值，測(cè)量速度都很慢。CMM的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，對(duì)被測(cè)工程無(wú)特殊要求，對(duì)不具有復(fù)雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被測(cè)工程，CMM是一種非常有效可靠的三維數(shù)字化手段。它的缺點(diǎn)是不能對(duì)軟物體進(jìn)行精密測(cè)量；價(jià)格昂貴，對(duì)使用環(huán)境要求高；測(cè)量速度慢，測(cè)量數(shù)據(jù)密度低，測(cè)量過(guò)程需人工干預(yù)；還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行探頭損傷及探頭半徑補(bǔ)償，無(wú)法測(cè)量小于測(cè)頭半徑的凹面工程，這些不足限制了它在快速反求領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2.非接觸式工程測(cè)量技術(shù)

2.1激光線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)。激光線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)是一種基于三角測(cè)量原理的主動(dòng)式結(jié)構(gòu)光編碼工程測(cè)量技術(shù)，亦稱(chēng)為光切法，通過(guò)將一線狀激光束投射到三維物體上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖像，即可解算出相應(yīng)的三維坐標(biāo)。每個(gè)測(cè)量周期可獲取一條掃描線，物體的全輪廓測(cè)量是通過(guò)多軸可控機(jī)械運(yùn)動(dòng)輔助實(shí)現(xiàn)的。這類(lèi)設(shè)備的掃描速度可達(dá)15000點(diǎn)/秒，測(cè)量精度在±0.01～±0.1mm之間，價(jià)格適中，對(duì)測(cè)量工程對(duì)象型面的光學(xué)特性要求不高。

2.2投影光柵測(cè)量技術(shù)。投影光柵測(cè)量技術(shù)是一類(lèi)主動(dòng)式全場(chǎng)三角測(cè)量技術(shù)，通常采用普通白光將正弦光柵或矩形光柵投影于被測(cè)物面上，根據(jù)CCD攝取變形光柵圖像，根據(jù)變形光柵圖像中條紋像素的灰度值變化，可解算出被測(cè)物面的空間坐標(biāo)，這類(lèi)測(cè)量方法具有很高的測(cè)量速度和較高的精度，是近年發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)較好的三維傳感技術(shù)。根據(jù)形變、高度關(guān)系的描述方法的不同，光柵測(cè)量可分為兩類(lèi)：直接三角法和相位測(cè)量法。直接三角法原理簡(jiǎn)單、速度快，不易受被測(cè)工程物面不連續(xù)等干擾的影響，但是其測(cè)量精度不高，不能實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量；而相位測(cè)量法測(cè)量精度相對(duì)較高。

2.3計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)最具代表的是基于X射線的CT掃描機(jī)，它是以測(cè)量物體對(duì)X射線的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理而重建斷層圖像，這種方法最早是應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，目前已經(jīng)廣泛用于工程測(cè)量領(lǐng)域，即稱(chēng)為“工程CT”。對(duì)中空物體的無(wú)損三維測(cè)量，這種方法是目前較先進(jìn)的非接觸式檢測(cè)方法，它可對(duì)被測(cè)工程的內(nèi)部形狀、壁厚、材料，尤其是內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量，該方法同樣能夠獲得被測(cè)工程內(nèi)表面數(shù)據(jù)，且不破壞工程結(jié)構(gòu)。但它存在造價(jià)高，測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積大等缺點(diǎn)。

2.4立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。立體視覺(jué)測(cè)量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來(lái)獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺(jué)測(cè)量方法可以對(duì)處于兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)須伺服機(jī)等掃描裝置。立體視覺(jué)測(cè)量面臨的最大困難是空間特征點(diǎn)在多幅數(shù)字圖像中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問(wèn)題。近來(lái)出現(xiàn)了將具有空間編碼的結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)工程表面，制造測(cè)量特征的方法有效解決了測(cè)量特征提取和匹配的問(wèn)題，但在測(cè)量精度與測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量上仍需改進(jìn)。

四.實(shí)際施工中的測(cè)量技術(shù)

綜合接觸式工程測(cè)量技術(shù)和非接觸式工程測(cè)量技術(shù)的實(shí)物數(shù)據(jù)獲取方法，是目前眾多逆向工程測(cè)量技術(shù)中針對(duì)大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象最具有高效性的一種工程測(cè)量方式。這種方法由接觸式工程測(cè)量技術(shù)獲取散布在被測(cè)物體上或周?chē)娜斯?biāo)記點(diǎn)群的三維坐標(biāo)，再以這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測(cè)量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測(cè)量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測(cè)量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時(shí)的累積誤差。

在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量方法的選用需根據(jù)被測(cè)物體的形狀特征和應(yīng)用目的決定。作為一種檢測(cè)儀器出現(xiàn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在逆向工程應(yīng)用中發(fā)展成為實(shí)物外形數(shù)字化的主要設(shè)備，但存在測(cè)量速度慢，需要進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償；因測(cè)量力過(guò)大，不能測(cè)量松軟材料樣件等缺點(diǎn)。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)非接觸式測(cè)量技術(shù)得到了迅速發(fā)展。以高響應(yīng)，高分辨率著稱(chēng)。該方法具有測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，不受環(huán)境電磁場(chǎng)干擾，工作距離大，可測(cè)量材質(zhì)松軟的樣件等優(yōu)點(diǎn)，成功地解決了接觸式測(cè)量方法所存在的問(wèn)題。在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，非接觸式測(cè)量將越來(lái)越占據(jù)主要地位，但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在精度方面仍具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)一些具有特殊的數(shù)字化要求的實(shí)物（如內(nèi)部結(jié)構(gòu)），基于 CT和 MRI的測(cè)量依然是一種不可替代的測(cè)量手段。可以說(shuō)，迄今為止，還沒(méi)有一種完全適合于快速逆向技術(shù)的快速、精確的全能測(cè)量方法.

五、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代逆向工程測(cè)量技術(shù)是將接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)相融合，是實(shí)現(xiàn)被測(cè)工程整體測(cè)量和數(shù)據(jù)拼接的有效方法，其使用越來(lái)越廣泛。雖然關(guān)于攝影測(cè)量技術(shù)的研究幾乎是自照相機(jī)發(fā)明以來(lái)就開(kāi)始了，但是用于逆向測(cè)量工程的數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)仍然是一門(mén)“年輕”的技術(shù)，它繼承了“攝影測(cè)量與遙感”領(lǐng)域的許多知識(shí)和技術(shù)，同時(shí)又發(fā)展出許多自身特有的技術(shù)和方法，比如設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)。筆者認(rèn)為，研究逆向工程測(cè)量技術(shù)，對(duì)現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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