全景视频技术在环境艺术设计中的应用研究

李瑾瑞

摘  要： 全景环境艺术设计中，由于景象空间定位的问题，造成设计效果出现阴影或者景象重叠，为此提出基于全景视频技术的环境艺术设计方法。引入全景视频技术，对设计物体景象进行多角度数据采集，利用采集数据绘制三维空间模型，对三维空间模型求解一阶微分方程，获取物体景象尺度空间定位极值，根据尺度空间上下定位极值实现全景视频图像配准和融合，完成物体全景环境艺术设计。实验采用对比方式，通过观察公共区域阴影叠加以及融合图像中物体的叠加结果表明，所提方法能够有效解决常规方法出现的问题，更加适用于全景环境艺术设计。

关键词： 环境艺术设计; 全景视频技术; 视频采集; 视频处理; 用户体验; 环境空间定位

中图分类号： TN02?34; TP18                     文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）11?0059?04

Research on application of panoramic video technology in environmental art design

LI Jinrui

（Jianghan University， Wuhan 430056， China）

Abstract： Due to the problem of spatial positioning of the scene， the shadows or scene overlapping appear in the design effect in the panoramic environmental art design. Therefore， an environmental art design method based on panoramic video technology is proposed. The panoramic video technology is introduced to collect multi?angle data of the designed object scene. The collected data is used to draw a three?dimensional space model. The first?order differential equation is solved for the three?dimensional space model to obtain the extreme value of object scene scale space positioning. The panoramic video image registration and fusion are achieved according to the extreme value of the up and down positioning for scale space to complete the artistic design of object panorama environment. The contrastive method was used in the experiment. By observing the superposition of shadows in the public area and the superposition of the objects in the fusion image， it is shown that the proposed method can effectively solve the problems arising in the conventional methods. Therefore， it is more suitable for the panoramic environmental art design.

Keywords： environmental art design; panoramic video technology; video collection; video processing; user experience; environmental space positioning

0  引  言

全景視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[1]。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。随着人们生活水平的逐步提升使得对于居住休闲环境的要求随之上升，传统视频只能够提供某些视角，不能全面地呈现环境全貌，难以让用户对环境中的细节问题进行掌握，浪费了时间和成本，已经不能适应于人们的需要[2]。

本文针对以上问题，将全景视频技术和环境艺术设计联系起来，对全景视频技术在环境艺术设计的应用进行了探索和研究。全景视频技术可以通过全方位的视频拍摄提供整体的环境，帮助设计者理解环境的具体情况，全景视频技术的应用为人们良好的生存环境奠定了坚实的基础，创造了十分便捷的生活条件。

本文针对信息的采集和处理，动态过程的建立，以全景视频与人的交互为主要内容进行阐述，介绍了其在环境艺术设计中存在的优势。

1  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[3]。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[4]。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[5]。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[6]。

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[7]。

2  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[8]。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，只要对景物尺度空間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[9]。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[10]。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：

[X=θx+axV-θx+ayVY=θy+ayV-θy+axVZ=Tmax-Tminv] （1）

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：

[S=（θy+ay）V+Xθx+ax?cos?N=-（θx+ax）V+Yθy+ay?sin?]   （2）

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。

3  全景视频图像配准和融合

3.1  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：

[x=u0x+u1y+u2u6x+u7y+1y=u3x+u4y+u5u6x+u7y+1]  （3）

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。

配准后的图像帧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。

3.2  混合范围融合

3.2.1  双线性加权融合

图像融合是指对多个源像素值实施加权后获取唯一的目标像素值，例如，存在混合范围的两帧分别是[Q1]和[Q2]，加权函数是[a（x，y）]，则融合帧混合范围的像素值[Ehybrid（x，y）]可表示为：

[Ehybrid（x，y）=a（x，y）?Q1（x，y）+（1-a（x，y））?Q2（x，y）] （4）

通过双线性加权融合操作相邻帧间的混合范围像素值。通过目标像素点坐标同原始帧边界的距离塑造加权函数。设置投影后的两幅图像分别是[G]和[P]，两幅图像混合范围中的某点为[S]，那么两幅图中该点的像素值分别是[SG]和[SP]，运算点[S]距离两幅图四边的最小距离[JG]和[JP]，获取融合图中点[S]的像素值[SBlend]如下：

[SBlend=JGJG+JP?SG+1-JGJG+JPSP] （5）

式（5）运算的融合像素值充分分析了相邻帧的价值度，通常条件下能够完成单一像素范围到混合范围平滑的图像融合，但是当图像存在视差问题时，需要融合两帧混合范围场景，内容差异较高，导致上述融合过程存在鬼影问题，使得混合范围出现重影以及模糊问题，此时应采用非线性融合方法实现图像像素融合。

3.2.2  非线性融合

如果观测点出现波动时，观测相同物体同附近物体的相对距离存在较大的波动问题，形成视差。特别是物体同摄像头间的距离特别小时，会形成严重的视差问题。此时，采用非线性的模板融合方法解决鬼影问题，构建风险加权模板函数：

[b（x，y）=1，     min（x，y，x-R，y-Z）>Msin（π?（min（x，y，x-R，y-Z）M-      0.5））+12，        otherwise                       ] （6）

式中：[R]和[Z]分别表示原始帧的宽和高;[M]表示非线性过渡范围的宽度。帧中心范围中的[a]值保持稳定，当其接近边界一定范围后，则进入宽度是[M]的过渡范围中，以非线性的方式快速递减，并通过[M]值调控递减的速率。采用[M]值对相邻帧像素融合过程中各自的权重和加权的区域进行调整，[M]值越高，相邻帧间的过渡范围越宽，过渡更平滑，反之亦然。该非线性融合过程能够对混合范围边界的过渡速率和范围进行实时调整，解决鬼影问题， 增强了图像的融合效果。

4  仿真实验

为了测试全景视频技术的环境艺术设计方法的有效性，采用相关实验测试使用该方法对设计物体的阴影幅度偏差以及图像融合结果。

4.1  实验内容

选择基于视频序列的环境艺术设计方法进行对比实验。实验共分两部分进行，仿真实验部分通过数据软件直观对比阴影面积的大小，实际测试部分则通过对比融合效果，判断两种方法的优劣。实验过程中采用特殊摄像头进行数据采集，如图3所示，并给出相关实验参数如表1所示。

4.2  仿真实验结果

两种环境艺术设计方法的仿真实验结果如图4所示。其中，图4a）为对比方法的定位幅度偏差，图4b）为本文方法的定位幅度偏差。由于实验最大程度地刨除了设计过程中的各项影响因素，分析图4可知，图4a）组公共阴影部分较大，图4b）组的公共阴影较小，这表明对比方法未能定位出物体本体位置，造成阴影叠加的现象，而本文设计方法更佳。

4.3  图像融合实验

以某一街景为实验对象，依然采用上述两种方法作为对比，实验过程中保证摄像机数量相同，在相同时间内进行实验，实验结果如图5～图7所示。

观察上述实验结果可以看出，在本文方法下图像融合结果与真实全景影像相差不多，但是常规方法下图像融合结果存在一定的重叠，因此本文方法更加适用在全景下的环境艺术设计中。

5  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。

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