全景视频技术在环境艺术设计中的应用研究

夏礼超

【摘 要】全景视频技术能够在任何一个方向进行视频观看，摆脱了原有的观看角度的束缚，给人以真切的感官体验。如今，全景视频是大众普遍欢迎，大范围使用的一种媒体形式，极大地改善了人们的生活。环境艺术设计是数字建筑设计的重要组成部分，在特定的范围之中实施对艺术景观的构建和创造。

【关键词】全景视屏技术;环境艺术设计;应用

一、景视频技术在环境艺术设计的信息采集与处理

全景视频技术对于信息的采集相较于传统的视频拍摄，最大的区别在于采用多个镜头从各个角度对事物拍摄，此种方式能够为用户提供全方位的信息，并且只需要调节视频便能够调取事物的整体风貌。针对上述全景视频技术特征，设计环境艺术设计中的信息采集与处理过程，如图1所示。

全景视频技术在环境艺术设计中的应用所要开展的第一项工作便是信息的采集工作，在信息采集的过程中普遍运用3个及以上摄像机，将其按照一定的角度拼接起来，如图2所示。

图2中，每个相机都是相互独立的，自主完成信息的采集和保存，在这个环节和传统的视频技术的流程是一致的，在信息采集之后通过电子信息技术等一系列现代化技术进行处理，获得全方位无死角的视频。本文对各个摄像头输入的原始视频帧进行特征提取。如图2所示，背景存储区变换可以用3×3立体图样来表示，该图样描述了相同空间上不同帧之间的平移、旋转、仿射等关系。因此，规定以中间摄像头所捕获的参考帧为参考视频，利用背景变换图样将其余摄像头所捕获的帧投影到同一个背景中。由于3×3立体图样表达的是物体不同坐标系的位置关系，故只有参数间的比例关系有意义，因此，该立体图样实际上只有8个自由度。进一步推导可知，只要有3对坐标值即可确定该立体图样。采集所需的投影立体图样，首先需要在相邻帧的重叠区域内分别找出特征点，然后对其进行匹配得到一系列对应点。对应点数要求至少有6对，多于6对时求取最小公共阴影，在原始帧中提取足够多匹配的特征点，最终生成全景视频即为采集视频数据。

采集信息的处理，该项工作实施的第一步是将采集到的视频拼接起来，全景视频拼接技术能在保持视频的时间同步一致的基础上将各个相机拍摄的视频进行连接，并充分地保障视频的稳定性以及质量。在这个过程中，可以充分借助于杰图全景视频大师等专业性的软件进行实现，在提升视频色彩水平和整体质量的同时，能够大幅度地增强视频拼接效率。第二步是实现与用户的交接，在环境艺术设计中，通过计算机技术的媒介作用，实现用户和视频之间的交流和沟通，给予一种设身处地的真实感觉。

这个过程的实现详细阐述如下：首先，通过计算机软件将视频描绘的整个环境的虚拟状态搭建起来;其次，经过传感器等实现视频和用户之间的相互交流，在此之中，用户可以根据自己的感受以及技术经验改变视频中呈现的具体场景，实现环境艺术设计中的合理布局与构建。所以，全景视频技术在信息的采集与处理中充分地运用了视频的合成技术、视频显示技术、三维建模技术等，借助于计算机软、硬件的媒介作用，实现视频和用户之间的沟通，以及用户在艺术设计的参与过程，进而能够适应于大众对于环境艺术设计更加严格的要求。

二、获取尺度空间极值

在环境艺术设计中存在的突出性问题在于难以实现室内外景物具体的固定位置以及所要呈现的详细形态。全景视频技术在环境艺术设计中能够全方位地采集到不同视角下景物的外围数据，只要对景物尺度空间极值进行求取便可以解决上述问题。

首先将上述单元采集到的数据放置在同一空间图样中，然后建立一个三维空间模型。借助于3dsMax，SketchUp软件共同绘制，根据全景视频确定景物的具体位置，搭建具体的模型，对环境艺术中涉及要素进行选定和调节，获得适应于需求和满足美观的实际视频图。在此基础上，设定多个摄像头的活动空间和轨迹，对镜头的焦距等实施调节，对制作出来的总体效果进行完善。对于小的细节进行模糊化处理，假设摄像头的三维运动方程式如下：

式中：ax，ay分别为参考帧的水平与垂直分辨率;θx和θy分别为摄像头采集帧的水平与垂直分辨率;V为帧率;v为采集信息角速度动速度的分量;Tmax，Tmin分别为公共区域的最大和最小空间尺度参数。

将式（1）转换为一阶微分方程组如下：

式中为摄像头可旋转角度。给定参考帧的初始采集条件，即可求出S，N等空间尺度特性参数。至此，实现环境艺术设计中目标尺度空间极值的获取。

三、投影平面配准

通过获取尺度空间极值过程确保全景视频实时输出视频标准定位，再通过算法获取最佳投影矩阵的相关参数可实现视频帧间配准。简化实施过程，采用高效的方法投影以及融合差异摄像头的全部视频帧。实施过程中依据原始化过程获取的配准参数，向相同平面中投影差异摄像头的全部帧，完成配准，该过程表示如下：

式中：原始化过程获取的最佳投影矩阵的8参数用ui（i=0，1，2，…，7）描述，投影帧内的像素点左边用（x，y）描述，向参考帧内投影的像素点坐标用（x′，y′）描述。

配准后的图像幀形状以及大小存在不规则性以及随机性，为了提高配准后图像效果，需要先设置一个大背景图像空间，利用该背景图配准全部图像帧。配准过程中采用的参考坐标为中间摄像头的帧坐标，依据该参考坐标塑造背景图像，也就是向背景图像中间填入中间摄像头的帧，其他相邻摄像头的帧分别进行投影变换W1以及W2后，分别在背景图像中同参考帧进行配准，同时，在配准过程中需要对差异帧间的混合范围利用双线性融合以及非线性融合技术实施融合处理。

结语

本文针对环境艺术设计存在的问题，将其与全景视频技术充分调动结合起来，产生了全景视频技术的主要技术特征以及在实际使用中需要注意的问题和采用的方法。将全景视频技术在环境艺术设计中应用的原理和方式进行了详细的描述，并对其优势进行了论述，经过对比实验验证了本文所论述的方式具备效率高、成本低等优点。

参考文献

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