全景图自动拼接生成装置

陈琳

【摘 要】随着全景图在各方面的广泛运用，市场需求量扩大，近年来的科技论文中，也对全景图生成技术多样性、针对性、复杂性等方面有深入研究，全景图的制作简易程度和成本也更加被重视。论文研制一种便携式全景图生成装置。利用倾斜度传感器、GPS模块、控制器以及放在背包里的嵌入式微处理器等协调作用，将摄像头拍到的照片合成得到全景图。相比传统全景图生成装置具有便于携带、拍摄效果好、生成图精美、自动定位的特点。

【关键词】倾斜度传感器；全景图；GPS模块；自动生成定位

0 引言

全景图是一种能360°覆盖周边场景的大视角的图像。由于全景图具有立体的、多角度，实用性强，更具真实感，制作较为方便等特点[1]，被广泛应用于航空卫星、医学图像处理、考古研究等方面，例如对历史保护建筑的还原，需要建立整个建筑体系的模型，这时便可运用全景图技术完成建模[2，3]。同时与基于几何建模的3D技术构建三维场景进行的复杂的建模和渲染以及大量的计算相比[4]，全景图更易制作，比普通地图更加直观，制作的成品也更为美观，全景图在生活中也被广泛应用，能方便地记录查找某个地方及其周边情况，也可以用来制作某个地区的全景地图。

目前生成全景图的方法大概分为用特殊的相机或者图像拼接：利用专业的全景相机或者折反射系统一次性得到所需的全景信息，但是这样整套的系统价格昂贵，操作复杂且不易携带[5]；利用普通数码产品拍摄一组相邻图像间有重叠的图像序列，然后使用全景拼接软件将所有的离散图拼接为一副广角图，但拍摄过程中很容易因为地面不平、手持相机不稳等因素导致一组图片在角度等方面出现问题，使全景拼接困难，生成效果较差。人们需要一种方便携带易于操作生成效果又好全景图生成装置。

针对以上问题，本文所介绍的全景图生成装置具有以下特点：

（1）采用背包式，将较重的电源、嵌入式微处理器和存储器放在背包里，便于携带；

（2）前后左右上5个广角镜头同时拍下照片，能让四周的画面不存在死角，方便微处理器运用现有的全景图生成技术后续拼接的处理；

（3）能通过显示屏实时观测倾斜传感器检测到的倾斜角度，通过调整拍摄杆到水平位置，使拍出的照片处于最好状态，方便拼合；

（4）由于添加了全球定位系统GPS导航模块，能够定位获取拍摄地的经纬度，这样对于做大型的全景图更具有帮助。

1 全景图生成装置系统结构设计

便携式全景图生成装置包括支杆、背包、全景图生成模块，其中，如图1所示，全景图生成模块由控制器、倾斜度传感器、LCD显示屏、GPS模块、拍摄按钮、开关按钮、存储器、嵌入式微处理器、电源、摄像头组成。

嵌入式微处理器：采用X31系列微型工控机，CPU采用酷睿i5，高速运行；6路USB接口高速传输，存储器接入更为方便，图片生成速度更加流畅；全铝合金，高效散热。节能低功耗使用时间较长。对整个系统的控制，实现图片的接收、拼接合成，用于采集摄像头图像，在软件的配合下生成全景图实现全景图的生成。

控制器：选用低压电、超低功耗的MSP430f149单片机。该单片机具有高效的查表处理方法及较高的处理速度，在8MHZ晶振工作时，指令速度可达8MIPS。较丰富的外围模块更加方便与其他传感器等协调使用，实现对整个拍摄过程的控制，采集GPS数据，倾斜度传感器数据，响应开关按钮，拍摄按钮。

倾斜度传感器：采用MPU-6050模块，可准确追踪快速与慢速动作，用于检测支杆倾角度。该模块相当于三轴陀螺仪和三轴加速器的整合，三轴陀螺仪检测三轴的角速度，三轴加速度传感器检测三个轴向运动的加速度，通过读取传感器测量的数据然后通过串口输出。模块内部配合卡尔曼滤波算法，能将姿态测量精确到0.01度，稳定性极高。

GPS模块：采用全球定位系统 GPS导航模块，可以实时获取拍摄地点的经纬度数据，保证在任意时刻任意一点采集到该观测点的经纬度和高度。

存储器：主要用于存储拍摄的全景图文件，存储嵌入式微处理器处理得到的完整的全景图，采用固态硬盘，具有较高的稳定性。

摄像头：本装置配有5个120°广角摄像头，分别分布在拍摄杆上方的前后左右以及上方。一次性全方位采集5幅画面，这样使拍摄点的四周不存在死角，也便于图片拼接生成全景图。

LCD显示屏：用于显示各种系统状态，包括 GPS系统采集到的经纬度数值，倾斜度传感器检测到的角度值。在显示屏显示参数之后，然后根据显示屏上的参数对拍摄装置进行调整。该LCD显示屏只有在按动开关按钮时，才被会开启。

拍摄按钮：本装置采用微动开关作为拍摄按钮，当LCD显示屏显示的角度数值符合要求的时候，按动拍摄按钮可以采集并生成全景图。

开关按钮：当长时间按动时，关闭和启动系统；短时按动时，只关闭和打开LCD显示器并且能休眠和换醒控制器。

电源：采用大容量锂电池，是可充电电源，能够反复使用，直接与嵌入式未处理相连接，为装置提供电能。

2 全景图生成装置硬件结构设计

3 系统软件设计

系统软件主要是包括角度平衡检测环节、拍摄环节和图片合成环节，整个软件控制流程图如图3所示。

操作过程：检查拍摄杆与微处理器两处的线插头是否正确连接，再将嵌入式微处理器处线插头的每条连接线插入微处理器上的串口和USB接口，并将电源和嵌入式微处理器与相连，为整个装置通电；

通电确定无误后，长按开关按钮，启动系统，LCD显示屏显示启动、控制器被唤醒；启动过程中检测并显示摄像头，GPS模块，倾斜度传感器，嵌入式微处理器软件的状态；倾斜度传感器检测到摄像头的倾斜角度、GPS系统采集到经纬度值并显示到LCD显示屏上。

显示屏有数显示时，持有者根据在LCD显示屏上显示支杆的倾斜角度，用手调节支杆，当显示的数值表示水平时，按下拍摄按钮，即生成一幅全景图。需注意持有者拍摄照片时应当观察四周光线，尽量使5个摄像头拍到图在同一曝光度下，这样生成的全景图会更为美观。当更换拍摄地点时，持有者不需关闭系统，只需短按开关按钮，关闭LCD显示屏，休眠控制器；换到新拍摄地点时，再短按开关按钮打开LCD显示屏和控制器。如果持有者长时不使用时，可长按开关按钮关闭系统，下次需要长按才能重启系统。

4 结语

随着全景技术在各大领域的发展，为提高拍摄得到的照片的精度和加快制作速度，同时随着全景图更多被了解，人们已经不满足于二维地图和普通的3D地图，我们需要能拍摄没有任何角度偏差、能自动添加定位的全景图装置。本文设计的全景图生成装置是一种便于携带，改进了拍摄过程，也方便后续的图片拼接，能让全景图更为美观。同时能获取拍摄地点的经纬度值，也使全景图更为直观。

【参考文献】

[1]田军，孙梅，王萍. 全景图生成技术研究[J].科技视界，2014（11）.

[2]金淼，易爱华，朱家文，谢永健.历史保护建筑的三维全景展示研究[J].土木建筑工程信息技术，2013（2）.

[3]梁弼，肖丽利，薛文.古建筑文物三维全景展示的设计与实现[J].微型机与应用，2014（16）.

[4]李孟奇.基于全景图的虚拟现实的研究与实现[D].广州：中山大学，2014.

[5]钟民.图像拼接与全景图技术研究[D].2011.

[责任编辑：汤静]