全景圖自動拼接生成裝置

陳琳

【摘 要】隨著全景圖在各方面的廣泛運用，市場需求量擴大，近年來的科技論文中，也對全景圖生成技術多樣性、針對性、復雜性等方面有深入研究，全景圖的制作簡易程度和成本也更加被重視。論文研制一種便攜式全景圖生成裝置。利用傾斜度傳感器、GPS模塊、控制器以及放在背包里的嵌入式微處理器等協(xié)調作用，將攝像頭拍到的照片合成得到全景圖。相比傳統(tǒng)全景圖生成裝置具有便于攜帶、拍攝效果好、生成圖精美、自動定位的特點。

【關鍵詞】傾斜度傳感器；全景圖；GPS模塊；自動生成定位

0 引言

全景圖是一種能360°覆蓋周邊場景的大視角的圖像。由于全景圖具有立體的、多角度，實用性強，更具真實感，制作較為方便等特點[1]，被廣泛應用于航空衛(wèi)星、醫(yī)學圖像處理、考古研究等方面，例如對歷史保護建筑的還原，需要建立整個建筑體系的模型，這時便可運用全景圖技術完成建模[2，3]。同時與基于幾何建模的3D技術構建三維場景進行的復雜的建模和渲染以及大量的計算相比[4]，全景圖更易制作，比普通地圖更加直觀，制作的成品也更為美觀，全景圖在生活中也被廣泛應用，能方便地記錄查找某個地方及其周邊情況，也可以用來制作某個地區(qū)的全景地圖。

目前生成全景圖的方法大概分為用特殊的相機或者圖像拼接：利用專業(yè)的全景相機或者折反射系統(tǒng)一次性得到所需的全景信息，但是這樣整套的系統(tǒng)價格昂貴，操作復雜且不易攜帶[5]；利用普通數碼產品拍攝一組相鄰圖像間有重疊的圖像序列，然后使用全景拼接軟件將所有的離散圖拼接為一副廣角圖，但拍攝過程中很容易因為地面不平、手持相機不穩(wěn)等因素導致一組圖片在角度等方面出現(xiàn)問題，使全景拼接困難，生成效果較差。人們需要一種方便攜帶易于操作生成效果又好全景圖生成裝置。

針對以上問題，本文所介紹的全景圖生成裝置具有以下特點：

（1）采用背包式，將較重的電源、嵌入式微處理器和存儲器放在背包里，便于攜帶；

（2）前后左右上5個廣角鏡頭同時拍下照片，能讓四周的畫面不存在死角，方便微處理器運用現(xiàn)有的全景圖生成技術后續(xù)拼接的處理；

（3）能通過顯示屏實時觀測傾斜傳感器檢測到的傾斜角度，通過調整拍攝桿到水平位置，使拍出的照片處于最好狀態(tài)，方便拼合；

（4）由于添加了全球定位系統(tǒng)GPS導航模塊，能夠定位獲取拍攝地的經緯度，這樣對于做大型的全景圖更具有幫助。

1 全景圖生成裝置系統(tǒng)結構設計

便攜式全景圖生成裝置包括支桿、背包、全景圖生成模塊，其中，如圖1所示，全景圖生成模塊由控制器、傾斜度傳感器、LCD顯示屏、GPS模塊、拍攝按鈕、開關按鈕、存儲器、嵌入式微處理器、電源、攝像頭組成。

嵌入式微處理器：采用X31系列微型工控機，CPU采用酷睿i5，高速運行；6路USB接口高速傳輸，存儲器接入更為方便，圖片生成速度更加流暢；全鋁合金，高效散熱。節(jié)能低功耗使用時間較長。對整個系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)圖片的接收、拼接合成，用于采集攝像頭圖像，在軟件的配合下生成全景圖實現(xiàn)全景圖的生成。

控制器：選用低壓電、超低功耗的MSP430f149單片機。該單片機具有高效的查表處理方法及較高的處理速度，在8MHZ晶振工作時，指令速度可達8MIPS。較豐富的外圍模塊更加方便與其他傳感器等協(xié)調使用，實現(xiàn)對整個拍攝過程的控制，采集GPS數據，傾斜度傳感器數據，響應開關按鈕，拍攝按鈕。

傾斜度傳感器：采用MPU-6050模塊，可準確追蹤快速與慢速動作，用于檢測支桿傾角度。該模塊相當于三軸陀螺儀和三軸加速器的整合，三軸陀螺儀檢測三軸的角速度，三軸加速度傳感器檢測三個軸向運動的加速度，通過讀取傳感器測量的數據然后通過串口輸出。模塊內部配合卡爾曼濾波算法，能將姿態(tài)測量精確到0.01度，穩(wěn)定性極高。

GPS模塊：采用全球定位系統(tǒng) GPS導航模塊，可以實時獲取拍攝地點的經緯度數據，保證在任意時刻任意一點采集到該觀測點的經緯度和高度。

存儲器：主要用于存儲拍攝的全景圖文件，存儲嵌入式微處理器處理得到的完整的全景圖，采用固態(tài)硬盤，具有較高的穩(wěn)定性。

攝像頭：本裝置配有5個120°廣角攝像頭，分別分布在拍攝桿上方的前后左右以及上方。一次性全方位采集5幅畫面，這樣使拍攝點的四周不存在死角，也便于圖片拼接生成全景圖。

LCD顯示屏：用于顯示各種系統(tǒng)狀態(tài)，包括 GPS系統(tǒng)采集到的經緯度數值，傾斜度傳感器檢測到的角度值。在顯示屏顯示參數之后，然后根據顯示屏上的參數對拍攝裝置進行調整。該LCD顯示屏只有在按動開關按鈕時，才被會開啟。

拍攝按鈕：本裝置采用微動開關作為拍攝按鈕，當LCD顯示屏顯示的角度數值符合要求的時候，按動拍攝按鈕可以采集并生成全景圖。

開關按鈕：當長時間按動時，關閉和啟動系統(tǒng)；短時按動時，只關閉和打開LCD顯示器并且能休眠和換醒控制器。

電源：采用大容量鋰電池，是可充電電源，能夠反復使用，直接與嵌入式未處理相連接，為裝置提供電能。

2 全景圖生成裝置硬件結構設計

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要是包括角度平衡檢測環(huán)節(jié)、拍攝環(huán)節(jié)和圖片合成環(huán)節(jié)，整個軟件控制流程圖如圖3所示。

操作過程：檢查拍攝桿與微處理器兩處的線插頭是否正確連接，再將嵌入式微處理器處線插頭的每條連接線插入微處理器上的串口和USB接口，并將電源和嵌入式微處理器與相連，為整個裝置通電；

通電確定無誤后，長按開關按鈕，啟動系統(tǒng)，LCD顯示屏顯示啟動、控制器被喚醒；啟動過程中檢測并顯示攝像頭，GPS模塊，傾斜度傳感器，嵌入式微處理器軟件的狀態(tài)；傾斜度傳感器檢測到攝像頭的傾斜角度、GPS系統(tǒng)采集到經緯度值并顯示到LCD顯示屏上。

顯示屏有數顯示時，持有者根據在LCD顯示屏上顯示支桿的傾斜角度，用手調節(jié)支桿，當顯示的數值表示水平時，按下拍攝按鈕，即生成一幅全景圖。需注意持有者拍攝照片時應當觀察四周光線，盡量使5個攝像頭拍到圖在同一曝光度下，這樣生成的全景圖會更為美觀。當更換拍攝地點時，持有者不需關閉系統(tǒng)，只需短按開關按鈕，關閉LCD顯示屏，休眠控制器；換到新拍攝地點時，再短按開關按鈕打開LCD顯示屏和控制器。如果持有者長時不使用時，可長按開關按鈕關閉系統(tǒng)，下次需要長按才能重啟系統(tǒng)。

4 結語

隨著全景技術在各大領域的發(fā)展，為提高拍攝得到的照片的精度和加快制作速度，同時隨著全景圖更多被了解，人們已經不滿足于二維地圖和普通的3D地圖，我們需要能拍攝沒有任何角度偏差、能自動添加定位的全景圖裝置。本文設計的全景圖生成裝置是一種便于攜帶，改進了拍攝過程，也方便后續(xù)的圖片拼接，能讓全景圖更為美觀。同時能獲取拍攝地點的經緯度值，也使全景圖更為直觀。

【參考文獻】

[1]田軍，孫梅，王萍. 全景圖生成技術研究[J].科技視界，2014（11）.

[2]金淼，易愛華，朱家文，謝永健.歷史保護建筑的三維全景展示研究[J].土木建筑工程信息技術，2013（2）.

[3]梁弼，肖麗利，薛文.古建筑文物三維全景展示的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用，2014（16）.

[4]李孟奇.基于全景圖的虛擬現(xiàn)實的研究與實現(xiàn)[D].廣州：中山大學，2014.

[5]鐘民.圖像拼接與全景圖技術研究[D].2011.

[責任編輯：湯靜]