全景技术（精选十篇）
全景技术 篇1
360°全景虚拟漫游技术是二十世纪末出现的一门崭新的综合性信息技术, 它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多种信息技术。根据虚拟对象不同, 通常分为虚拟实景技术和虚拟虚景技术两种。虚拟实景技术是指虚拟现实中真实存在的场景, 如虚拟实体博物馆、展览馆、校园等。虚拟虚景技术则虚拟现实中不存在的场景, 如复原已经湮灭了的历史建筑, 如生成阿房宫、圆明园, 或构建事实不存在的景观和人物, 如影视人物与场景。虚拟现实技术的应用领域非常广泛, 目前, 主要用于博物馆、展览馆、房地产甚至校园等机构的虚拟漫游项目。制作全景网络虚拟漫游系统的传统做法是通过3Ds Max、Auto CAD、玛雅等3D软件进行三维建模、渲染设计等功能完成, 这种方法对于虚拟虚景技术具有较大的优势。但是对于较大规模的实景建模, 仅在几何建模阶段花费的时间就相当多, 而且较难达到与实际场景一模一样的逼真效果。全新数码照相机数据采集技术的成熟, 为虚拟漫游技术的发展提供了广阔的空间。
1 全景虚拟漫游技术流程
实现全景虚拟漫游包括三个环节:第一, 实景数据采集或3D建模阶段。要在一个模拟真实的环境里实现漫游目的, 就必须建立一个漫游的环境, 传统做法是通过3D软件建模生成框架再通过贴图、材质、渲染、合成、设计等技术模拟出场景。而现在流行的做法是通过数码照相机现场数据采集获取真实场景图像来实现, 对于前者在建模阶段所花费的时间和工作量是巨大的, 而后者却显得更有成效和可行;第二, 360°全景图片的生成。不管是通过什么方法获取的场景图像, 为了达到漫游的目的, 都必须是可用于漫游软件编辑的素材, 如数码相机采集的单幅图片必须借助相关软件缝合成360度的全景图片;第三、全景虚拟漫游展示平台构建。能够用于虚拟漫游展示平台设计的软件很多, 常用的有漫游大师、Pano2VR等, 借助软件将多个场景实现链接并可通过鼠标流畅地控制显示任意观察方向和变焦的场景, 最后基于Flash的整合技术, 将场景虚拟全景图系统整合到网络平台中, 达到交互性与轻松漫游功能。
2 场景数据采集技术
实现全景网络虚拟漫游系统主要包括二个技术体系:发源于二十世纪末的传统3D软件建模技术;其次是利用普通数码相机或专业全景摄影机进行图像数据采集。两种技术体系各有特点, 在虚拟实景和虚景方面各有优点和不足, 具体如下:
2.1 通过传统 3D 软件三维建模
直接利用现有的三维模型制作软件, 如Auto CAD、3DSMAX、Maya等。目前这种技术应用的时间长, 已经相当成熟, 即使要制作的场景还处于规划、尚未建成阶段, 也可以根据相关的建筑图纸, 完成虚拟场景的建模。这种方法工作量大, 而且模型建立的好坏直接影响虚拟场景的逼真度和沉浸感, 其建模方法大致如下:
首先, 运用基本的地形测量技术, 测量出基础数据, 如建筑物的长、宽、高等, 这些数据必须精确;根据测得到数据利用CAD制作出平面图, 把CAD制作好的平面图, 载入到3dmax中, 为制作仿真模型做准备。利用高清数码设备对场景各个建筑及其地形进行图像采集, 主要用于制作仿真模型时把握建筑体的形体结构、建筑体纹理, 为以后制作仿真材质与纹理提供素材。根据制作的模型图以及现场照片素材在3d max中, 利用多边形建模技术, 对建好的素模进行材质制作, 并通过贴图烘焙给模型设置光效, 完成仿真场景模型的设计。
2.2 利用普通数码相机或专业全景摄影机进行图像数据采集。
相对于传统三维建模技术而言, 利用普通数码相机或专业全景摄影机进行图像数据采集具有自动化程度高、建模速度快、场景逼真、易于实时更新等特点, 它是借助数码相机鱼眼镜头多角度拍摄现场真实数据, 并借助软件缝合成全景图片的技术。目前, 有两种采集方法, 一是普通数码相机加旋转云台进行采集;二是通过专业设计的球幕数据机进行采集。
2.2.1 普通数码相机加旋转云台数据采集
普通数码相机拍摄采集相比球幕数据机来说, 最大优势就是设备门槛低, 成本划算。拍摄时必须配备旋转云台进行定点旋转拍摄, 为了确保普通数码相机所拍出来的一组单张照片能够在缝合软件中顺利拼合成为技术瓶颈, 要解决这个问题需要考虑如下几个因素:1、镜头的焦距问题。视角太广的镜头合成后会有较明显的畸变, 影响视觉效果, 而视角太小的镜头所拍出来的图片数量增多缝合难度加大, 而且会增加图片像素, 影响电脑运行速度, 实践证明, 相对135全幅数码相机而言镜头焦距一般在16MM焦距镜头较为理想。如果采取由6张照片缝合成全景图, 一般采用14—17毫米的鱼眼镜头拍摄。2、云台的角度控制。旋转云台的使用也很关键, 必须保持水平面, 计算角度要准, 一般是水平, 向下45度角和向上45度角三个方向, 否则后期的照片就很难缝合成功, 例如使用佳能D90的数码相机加18MM镜头拍摄, 需要拍摄36张图片才能达到较佳的效果。3、全景图的缝合。普通相机拍摄完成的单张组图要借助类似PTGui Pro这样的软件进行后期缝合, 达到可用于漫游系统编辑的360度全景图片, 专业的全景球幕数据机系统一般会自带后期输出和拼接软件, 操作更加方便。
2.2.2 全景球幕数据机采集
目前, 全景虚拟漫游数据采集的最新设备是Civetta球幕数据机, 尽管该设备价格太贵, 非个人所能承受。但它在虚拟实景和数据测量方面具有强大的优势。目前, 故宫博物院、敦煌莫高窟艺术博物馆、中国美术馆、广东美术馆等单位的虚拟漫游系统均使用该设备完成。
Civetta球幕数据机这是一种镜头经过散射、色差、虚光等精确校正, 具备数据测量、全景视图生成、三维图景信息采集等强大功能的数字相机, 它通过一次作业即可记录下现场的影像及其物理数据, 是一种快速、易用、信息量大的数据采集工具。它内置14MM的鱼眼镜头, 一次拍摄可以达到30张, 配合独家设计的旋转云台, 整个拍摄过程可以通过预设程序自动完成, 从6个角度拍摄, 每个角度按包围曝光原理拍摄5张, 实现每个点达五档曝光宽容度范围, 给后期输出提供足够的细节再现可能。
Civetta球幕数据机采集步骤:
(1) 了解整个采集点的环境, 并设定好采集设备的位置。
(2) 从设定好的第一个拍摄点开始架设设备, Civetta架设高度应以人的正常视点为标准, 并拍摄色卡以便后期色彩校正, 色卡采用X-rite色卡, 对每种不同光源环境下都要采集一次色卡。
(3) 按设定好的顺序拍摄, 并记录每一个拍摄点。
(4) 冲图
将Civetta采集回来的高动态数据通过设备专用输出文件软件将全景图冲洗出来。冲图过程中通过技术处理得到高动态压缩、尺寸达到14142 X 7071的JPG格式全景图。
(5) 底座修复
补底:对全景图底部拍摄不到的部分进行修补。使用Spheron Cam软件导出底部, 底图经过Photoshop处理后再使用Spheron Cam软件进行逆处理, 再合并得到完美的全景图中。
3 虚拟漫游系统的设计与实现
前面的数据采集或建模都只是虚拟漫游系统的部分工作, 要实现完整的虚拟漫游体系, 还必须借助相关软件完成, 通过设计浏览界面、连接各个拍摄点、导览图和插入媒体等技术, 最终建设成交互性友好界面, 达到应用目的。
3.1 导入 VR 平台与界面设计
将烘焙完成的所有仿真模型或缝合的全景图片导入后期软件平台, 如VRP-Builder、漫游大师或Pano2VR, 设计好虚拟漫游浏览的界面、制作导航图、交互按钮及框架, 将校正好的全景图按顺序做特效连接, 设计通过使用键盘或鼠标作为控制输入的设备进行自由行走。其中, 键盘可以控制前进、后退、向左和向右4个方向, 鼠标可以控制向左、向右、前进、后退、旋转、拉近拉远等操作, 具体的功能实现过程包括创建行走相机及设置碰撞检测和碰撞响应, 以此保证在虚拟漫游系统中人的漫游行为更为真实。为了是漫游效果更加逼真, 在浏览途中加入视频、图片、文字、音乐、动画等媒介, 最后做成用户操作界面。可以实现人机互动的乐趣, 打破普通网页的单调与乏味。例如美术馆的虚拟漫游, 观众可以通过点击视屏画面上的按钮直接播放展品, 有一种强烈的临场感受, 体现出虚拟网络漫游的交互性、趣味性和临场感, 实现逼真的体验感。
3.2 数据发布与交付使用
完成的虚拟漫游系统通过漫游设计软件根据使用功能导出为相应的格式, 例如通过Pano2VR导出可以支持网页使用的Flash格式, 基于Flash的整合技术, 将场景虚拟全景图系统整合到目的网络平台之下, 通过点击界面下方场景缩略图即可进入该场景进行三维模拟浏览, 也可通过导览图轻松切换场景, 通过设置还可以通过百度或其他搜素引擎找到该页面实现异地浏览和阅读。还可使用漫游大师V6.0发布成Flash VR (HTML) 、exe、SWF以及运用到i Pad等苹果设备上观看的HTML5格式, 用户可以根据需求选择发布格式展示三维虚拟漫游。
4 结论
鉴于虚拟现实技术的迅速发展和应用需求, 因此, 开发新型科学实用的漫游制作技术就有了研究价值, 总的来说虚拟漫游系统建构前期的数据采集采用数码摄影的方法取代传统三维建模技术已成为主流趋势, 各种以数码摄影的采集方法经过比较, 采用新型Civetta高动态全景球幕数据机采集技术的确具有较大的技术优势, 这点从国内权威机构例如故宫博物院、中国美术馆、广东美术馆、麦积山洞窟等机构的使用就略见一斑, Civetta高动态全景球幕数据机的技术优势更利于博物馆、大型购物广场、会所及校园建筑、校内环境、校内实训室等场所的全景虚拟漫游体系的构建。
参考文献
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[5]郑响阳, 彭源.虚拟漫游技术在行业培训中的应用效果与要点分析.内蒙古农业大学学报2010年10月.
全景技术 篇2
王莎莎
【摘要】：经济快速发展、情况复杂多变、各种灾难频发已构成当今社会的显著特征。这客观上对消防领域提出了更高的要求。随着新《消防法》的颁布和实施，全民消防意识已得到了空前的提高，消防安全的地位也从根本上得到了巩固。然而，消防行业的现代化装备还不理想，对高新技术的实际应用还不够彻底，在整体匹配方面与经济社会还往往不尽人意„„
点线科技携手立得空间针对消防领域的行业特征，突破传统的消防模式，采用 “移动道路测量系统”和3600全景技术精心研发出“数字消防实景三维系统”信息管理系统，为消防系统提供一套全新、高效、实用的消防方法。
【关键词】：数字化消防
三维全景
地理信息系统(GIS)
1.1 引言
目前，我国消防部队信息化建设中使用的主要是一些GIS地图应用于各种消防部队或公安系统中，三维全景并没有和GIS地图直接相关联。只有地图没有相对应的实景，不能更直观的了解火灾事发地点的基本情况及周边环境，不能快速的部署兵力及采取急救措施，相对延缓了救援的时间，救援效果也达不到理想要求。
1.2 三维全景技术发展和应用现状
三维全景技术(Panoralna)是目前全球范围内迅速发展并逐步流行的一种视觉新技术。三维全景又称全景图像，全景图像(PanoramaS)是基于静态图像的虚拟现实技术中最具特色的概念，是空间中一个视点对周围环境的360°的视图，也可以理解为以点为中心的具有一定高度的圆柱形的平面，平面外部的景物投影在这个平面上。三维全景是用数码相机拍摄的一组照片拼接成一个全景图像，用户可以通过鼠标上下左右旋转来选择自己的视角，任意放大和缩小，如亲临现场般环视、斜视、俯瞰和仰视。
1.2.1三维全景技术的发展
三维全景(Panoranla)也称为全景环视或360°全景。三维全景的生成需要相应的硬件和软件结合。从实现的虚拟效果专业程度来分，有柱状全景与球形360°全景两种。柱状全景仅仅是对场景沿着水平方向进行环绕拍摄，然后拼合起来的全景，因此，它只能够左右水平移动浏览。球形360°全景拍摄时沿着水平与垂直两个方向进行多角度环视拍摄，经过拼接缝合后可以实现上下与左右方向360°的全视角展示，观赏者可以对图像进行放大缩小等操作经过深入的编程、量尺、还可实现场景中的热点连接、多场景之间虚拟漫游、方位导航等功能。1.2.2三维全景技术的应用现状
目前，三维全景技术广泛应用于城市街景、公安刑侦、城市建筑规划、旅游景点、宾馆酒店、房产家居、掌上世博等网络虚拟展示。三维全景技术在消防领域中的应用主要是在系统上提供消防基础设施、消防机构、重点防护单位的室内结构图或三维结构图相对应的实景浏览等全景浏览及信息详情展示。城市道路的三维全景效果展示，给消防部队提供了让消防官兵或指挥员如身临其境的感受。同时，结合消防GIS导航地图，可以在整个辖区内实现漫游(更可以扩大到整个城市)，实现边走边看，快速、真实掌握消防路线等。
1.2.3三维全景地理信息系统
三维全景GIS是结合数据库以及电子地图、三维全景等实现互联网地址可视三维全景视觉消防综合信息管理系统的研究与开发化、地图化、模拟化及实现用户的自我维护，主要采用网页嵌入显示形式，实现GIS地图和虚拟全景的结合，虚拟全景图与数据库的融合;实现实时监测动态信息，并在三维全景图中显示出准确位置;达到场景的虚拟漫游效果。
三维全景GIS实现点与面的结合及点面之间的转换，整体与部分的融合和分离，全局与局部的有机结合，完全适合遍布区域广或占地面积大的单位，实现数据与资源的共享。
1.3 GIS在消防领域的现状和趋势
消防GIS是我国国民经济高速发展的产物，随着我国国民经济的发展，城市建设日新月异，城市人口密度、建筑密度不断增大，建筑高度不断增加，给消防工作带来了更高的难度和要求。建设一套先进、科学、高效的“数字消防实景三维系统”，实现“科技强警”目标、是提高消防队伍战斗力、加快城市消防工作信息化进程的客观要求。
GIS具有把各类信息置于空间分布中进行管理和综合分析的能力，十分符合消防信息系统的多样化、大空间的管理特点，尤其是空间数据库技术(采用商业数据库系统管理空间信息)与 WebGIS技术(Internet上的地理信息系统)的应用，一方面使GIS管理海量数据成为可能，另一方面使GIS走向大众化。将这些信息化高新技术引入消防信息系统中，可以准确地处理火灾报警，合理高效地利用消防资源，提高消防部队的整体作战能力。（1）
1.3.1 消防GIS的发展现状
当前，消防GIS主要应用子城市的消防通信指挥系统，其主要功能是电子地图显示以及通过电信公司提供的来电号码、地址进行电话定位，还有就是在电子地图上查询重点防护单位的灭火预案，个别有应用GPS定位等，从而使调度指挥员能充分利用各种地理信息进行快速、准确的通信指挥。目前，各地采用的消防地理信息系统软件系统各式各样，地理信息系统的数据基本都采用矢量格式，基础数据大部分由开发公司提供，消防专用数据则由消防 部门自行采集，基础数据来源、数据格式也各不同，数据质量差别也较大。所以，在应用质量上差别也比较大。
目前，存在的主要问题是消防地理信息系统应用范围较小，仅局限于相对封闭的消防通信指挥系统，没有得到有效利用，各个地理信息系统之间无法互联，从而无法与城市其它应急服务部门和城市消防部门协同调度指挥。很多大中城市消防部门为采集数据投入相当大的力量，由于人力及水平所限，普遍数据质量不高、更新滞后或更新较少，从而随着时间推移，无法提供有效信息辅助决策指挥〔2〕。
1.3.2消防GIS的发展趋势
结合“数字城市”概念，消防地理信息系统将与其它地理信息系统实现数据交换和互相操作，数字城市主要指应用地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感(RS)(简称3S技术)、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。现在很多城市都在创建“数字城市”工程，由市政府统一提供基础地图，各个有关部门分别负责专题数据，及时更新维护，共享数据，从而大幅度提高数据的质量、数量、时效性。消防地理信息系统也要积极加入到“数字城市”工程中去。要实现110、119、120、122等应急指挥中心的联动，实现与其它地理信息系统的互连，就是要将消防地理信息系统开放。
消防地理信息系统将结合其它技术功能、结合三维可视化技术与虚拟现实技术(virtualReality)，完全再现地理环境的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界里，真正做到管理意义上的“胸有成竹”，对消防地理信息系统来讲也是极有意义的，使指挥员仿佛身临其境，能对整个灭火救援、战术布置等指挥调度方案的确定起到辅助决策作用。消防地理信息系统由于GPS(全球定位系统)技术的使用得到移动定位应用，在消防车辆上安装GPS终端和消防地理信息系统，使消防车辆能感知自身位置，并选择最佳路径到达火警点，消防通信指挥系统也能对消防车辆行车路线、路径轨迹、所处状态(如出动、到达、修理等)得到全面的监控管理，从而辅助决策指挥。无线应用协议WAI〕(WirelessApplicati。nProto一cal)是为无线设备提供Internet服务而开发的协议，有些手机和移动设备已经实现wAP协议，具有登录上网的功能，使移动用户访问开设无线接入服务的因特网站，随时地进行信息双向互动。WAPGIS是通过无线网络上Internet获得地理信息服务的。使用似PGIS，消防车辆或消防员也可随时随地获得方便、快捷、丰富的地理信息服务（3）。
1.4系统建设的意义
系统的建设，集成整合了城市主要的消防业务信息数据，完全实现了城市消防演练综合信息数据库和信息资源交换共享。也是对目前消防部队现有的办公自动化系统、消防安全重点单位信息管理系统、消防监督信息管理系统、后勤装备信息管理系统、灭火救援预案信息管理系统、多种形式消防部队管理系统、灭火救援决策辅助指挥系统、消防救援数字化预案 及训练系统和消防综合情报信息三维全景视觉消防综合信息管理系统的研究与开发系统的有力补充，完全具备平时水源熟悉、战训演练、预案制作、战时现场环境观察、临场指挥作战相结合的作用。
该系统完全建立在视觉消防三维实景和GIS系统之上，结合消防部队的相关业务开展应急预案制作、火灾模拟设定、消防车模拟部署、消防人员模拟部署、逃生路线、进攻路线模拟设定、业务信息和地理信息相互交互、119接警三台合一联动等。另外，基于消防部队的专用信息网络，严格按照国家有关规定在网络安全、操作系统安全、数据库安全、_用户接入安全和应用系统安全等方面采取各种安全保密措施，确保整个系统的安全可靠，保障了信息的高度可靠性和保密性，为各级消防单位领导的决策指挥提供辅助系统，提高消防支队防范控制和快速反应整体作战的能力。
该系统在开发过程中本着通用性，完全按照当前的通用标准规范进行开发设计，充分体现系统如下原则: 1)全局思想：第一个以系统的思想提出全部消防过程的整体解决方案，同时服务了消防部门的调度、监控、预案、训练、保障等各个环节；
2)反应快速：基于对受灾对象的多项信息掌握，接警后，出警、预案、战斗方案均可提前完成，而且能做到有的放矢；
3)数据精准：通过可量测实景影像建库后，可精确地掌握客观对象的高度距离、位置、数量等多种数据。特别对象（如消防栓）还可闪烁提示；
4)可视操作：整个系统基于实景三维影像数据，在场馆内部实现可视化操作，为救灾提供宝贵的多媒体资料。
5)信息全面：由于“数字消防”涵盖了消防所需的绝大部分信息，因此可实现全部消防资源的最佳配置和部署，使得整体指挥更直观、更灵活、更高效；
6)操作简便：界面友好，提示简单，明了易会。
1.5系统内容和框架
在系统的开发方面充分考虑到软件的易用性、可操作性、方便维护性，并同时考虑软件与硬件产品的兼容性，为软件的二次升级预留一定的标准接口，以减少相应的开发周期和开发成本。
根据现己掌握的消防部队数字化建设的需求分析，“数字消防实景三维系统”在公安部消防局“一体化信息系统”中的地位如下：
武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武 武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武武 图1 实景三维展示系统在“一体化信息系统”中的地位
2.1系统概述
该系统把三维全景与GIS地图有效的相结合，并运用在消防行业中。通过三维全景能360°的展现出真实的地理环境信息，特别是消防设施的具体位置和消防设施的主要属性信息，使消防指挥员更有理有据的进行决策指挥，也可以作为平时消防官兵的预演。消防官兵登陆系统，可以针对某一重点单位或重点路段，假想起火点，并对其起火点进行消防人员、进攻路线、逃生路线、消防车等进行合理有效的部署，进行模拟演练，经过多次的模拟练习，达到最优的消防布防，以便在有突发的真实火灾现场，能快速的调出网上预演的预案，供指挥员和消防官兵参考，最大限度的节约急救时间，降低人员和财产损失。
该系统提供119接警三合一功能，消防指挥部一旦接到火灾报警，根据事先预定好的接口数据，能快速的在GIS地图上定位，同时能快速的调出报警现场的全景图和相应的预案信 息。由于系统是基于B/S架构的，所以消防指挥员和消防官兵在行车路上的同时，就可以通过手提电脑或警务通设备等连接登陆到消防内部网络系统上，通过GIS地图和三维全景对火灾现场及周边环境进行真实的了解，可以调出相应的消防预案进行火灾评估，在行车的过程中指挥员就可以对火灾现场进行兵力的部署，节约力量部署的急救时间。系统将实现下列功能:（1）地图管理模块：实现地图的放大、缩小、加载遥感影像地图、在地图上管理消防线路、选择最佳行车路线、兴趣点分类查询、消防设施查询、消防水源查询等。
（2）重点单位管理模块：按照区域、类别查询重点单位，在地图上显示重点单位的基本情况以及预案概况。消防官兵足不出户即可实现消防重点单位“六熟悉”。
（3）实景影像管理模块：查询室外实景及室内实景影像，并在实景影像设置关联消防设施。
（4）消防设施标图模块：将消防设施标注在实景影像中，点击后即可链接至消防设施的属性报表。
（5）消防设施查询模块：在地图和实景影像中分类查询消防设施，查询结果将直接定位到地图和实景影像中。
2.2系统应用背景
目前，我国大部分省市的消防指挥中心都建设了GIS和GPS，并在此基础上建立符合本地情况的消防通信指挥辅助决策系统，取得了一定的实际应用效果。现在，把三维全景技术融合在GIS系统中，通过简单易用的人机交互界面，三维全景技术能为消防工作提供更强有力的真实数据支撑功能。因此，三维全景技术完全可以被非专业人士使用，根据GIS地图结合实景信息，完成火情分析，行动计划制定和快速行动实施。这些工具能使指挥人员迅速准确地得到相关信息，如:抢险救援防护设备，消防实力，车辆状态，行动路线等。
2.3系统建设模式
消防部队信息化建设的核心是信息资源的高度共享，要做到这点，统一的用户系统非常重要。目剪，消防部队使用的办公软件都是独自运协分块处理，各个部门之间的数据资源不能共享，就是同一个消防机构都不能完全的实现资源共享，造成财力物力的极大浪费，同时造成各系统维护困难，技术要求高等因素。系统的设计建设模式遵循“统筹规划、分步实施;联合共建、互联互通;安全可信、先进可靠;经济实用、灵活方便;统一标准、统一规范。”的指导思想。
数据处理的五个环节分别是：数据采集、数据处理、数据传输、数据应用中心、系统应用。
移动测量车
便携式测量设备
3.1系统总体规划
为了提高消防部队数字化建设的需要，提高系统的稳定运行，提高消防部队整体的作战效果，本系统完全把三维全景视觉技术应用在消防模拟演练当中，运用当今先进的三维全景拼合技术，海量的全景数据处理技术，使用先进的DOTNET技术开发，采用国际通用的开发标准规范，进行设计开发。在部局、总队、支队之间建立三级数据服务部署。结合消防现有“一体化信息系统”也是三级部署模式，搭载在此系统上，是最快速最节省也是最合理的方式。本系统的每个数据中心包含服务器硬件和数据服务软件。
在每个节点部署数据传输软件，将采集和处理的实景数据上传至上级节点，上级节点将自动接收。并能和其它子模块或其它消防系统进行对接，以便实现消防部队数据资源共享。
3.2系统总体规划的目标
本着以“预防为主，防消结合;统筹兼顾，重点突出;统一规划，分步建设的原则。“数字消防实景三维系统”的研究与开发的目的，规划以全面提升城市抗御火灾、尤其是抗御特大火灾的能力，建立能同火灾作斗争、抢险救灾、应付突发事件、具有扑救各种火灾能力、系统提供有力的数据作为参考依据，进而更有效的保障城市消防安全体系为目标。依据城市未来发展的需求，结合目前城市消防所面临的问题，整个系统划分如下:
1.实景数据采集，根据城市的发展规划及重点防护单位的分布和易燃易爆设施单位的分布情况，对重要道路及重点单位进行实景数据的采集。
2.实景数据处理，通过自动拼合软件进行数据的拼合处理，对图片进行命名批处理，生成全景图及分块图，全景图和分块图的图片存放图片服务器上，图片数据索引存储到数据库服务器上，然后登陆系统系统进行实景数据的360°播放。
3.消防设施360°实景展示，运用三维实景技术结合GIS地图，按区域类别实现全方位展示城市基础消防设施的布局、消防机构区域的划分及所处的位置、重点防护单位所处的具体位置及周边环境信息、重点单位内部结构图和实景图对应展示、易燃易爆设施单位具体位置及周围环境信息展示、消防水源及消防通道等信息的全景视觉展示。
4.数据共享，系统系统与消防部队内部软件有机结合，建立逻辑对应关系，提供标准接口，实现数据资源的共享。
3.3 总结
“数字消防实景三维系统”以实现消防设施的数字化查询和管理、消防重点单位的实景环境浏览，并为消防预案制作和消防演练提供有效的保障，最终实现消防资源的数字化建库和可视化管理。即将重点消防单位及消防自身系统全部纳入信息化、网络化、图像化、自动化、数字化管理，将消防领域所关心的任何客观对象进行网络链接，真正达到胸有成竹、了如指掌的理想效果。它区别于传统的模拟三维方式，所有图像、数据、场景等都可实现真实的再现。消防部门可以快速、准确、高效地对应各种突发、复杂的救灾任务，并信息流一体化运作，使各业务应用系统互通与共享，形成横向关联、纵向贯通的数字消防体系。参考文献
全景技术 篇3
【关键词】全景技术；演出空间；国家大剧院；展示
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.010
【Abstract】Combined with the characteristics of panoramic technology， the writer analyzed the significance and value of panoramic technology in the performance space， and taking the National Centre for the Performing Arts as an example expounded the design idea and production process of the performance space based on panoramic technology， in order to provide a reference for the relevant research.
【Key Words】panoramic technology； performance space； National Centre for the Performing Arts； display
引言
在国内文化大发展大繁荣的背景下，作为传播高雅文化艺术主要场地的演出场所，在社会生活中占据了越来越重要的位置，已形成一种新型的文化服务业态。然而，中国建设演出场所的起步较晚，演出场所运营、维护的经验也不丰富，鲜少有对演出空间展示系统的研究。针对演出场所中至关重要的“演出空间展示”问题展开研究，有助于提高文化传播工作的效率和演出艺术作品的质量，推进艺术事业的健康发展。
1 演出空间展示
1.1 演出空间展示的界定
演出艺术作为综合时间和空间的艺术，需要一个维持观演关系的空间。演出空间必定有观演者和表演者，有表演艺术的享用者和演出的创作者。对演出空间的探究，自表演存在之日起就不曾停歇；但对于演出空间的纯物理层面的展示问题研究的确不多见。
本文所研究的演出空间指，存在于较为专业的演出场所的整体空间；其空间展示仅限于纯物理层面，具体展示范围可据不同的需求予以调整。
1.2 演出空间展示的必要性
观众需要空间展示。观众参观前做功课，需要有针对性地了解剧场等演出场所，剧场对观众仍然是一个比较陌生的系统，如果能用剧场的科技迷人之处吸引更多观众走进剧场享用文化盛宴，对提高大众文化素质、满足观众的文化需求有巨大帮助。
艺术家也需要空间展示。艺术家需要了解演出空间的形态，演出空间有哪些可能性，有哪些技术参数是可以利用的，哪些是可以服务于艺术的，借助先进的舞台技术实现天马行空的艺术想象。也解决演出空间功能开发不足的情况，给艺术家带来更多的灵感，进而给观众更多更美的视听感受。
演出技术方案的具体实施者需要了解演出空间的形态，以方便演出方案的拟定，需要预估方案的执行过程中有哪些技术条件是可以利用的，哪些空间要素是阻力，需要进行方案调整的，需要预估执行过程中的难点和关键点，需要从技术层面评估演出的整体风险系数，指明风险点。
此外，演出场所的经营者也需要展示空间，以吸引更多的观众走近演出，走进空间，这样也可带来更多的增值服务。
演出空间展示可提高文化传播工作效率、提高演出作品质量、加强各专业间的交流、拓展整个领域从业者的视野，提升整个领域从业者的水平，提升演出空间的管理水平，推进文艺事业的健康发展。
2 全景技术
全景技术是基于静态图像在计算机平台上实现虚拟现实的一种技术，它是使用相机环360°拍摄一组或多组照片，进而无缝拼接成一张全景图像，并通过计算机技术实现“全方位互动式”观看真实场景的一种展示方式（见图1）。
2.1 全景技术的特点及应用
相较于文字介绍和图表说明，全景技术能更好地满足人们对交互性和真实性的要求。身临其境的“现场感”和“交互感”让全景技术广泛应用于三维电子商务、虚拟旅游、虚拟教育、在线房地产楼盘展示等。
全景技术的特点在于它突破传统三维技术的视角极限，免去三维繁琐建模渲染等工作，直接取景于真实场景，利用真实照片图像结合 JavaScript脚本语言实现实景 360°全方位展示，并可在全景展示中加入图片、视频、音频、文字等多种媒体，使观者不仅可以获得整体的认识，亦可深入其中某个场景、某个细节进行浏览观看[1]。
用户可使用IE浏览器或播放软件在电脑平台、手机等，利用鼠标等控制环视方向，可前后左右360°旋转观看，给人一种全新的真实现场感和交互体验感。
全景技术的发展是在网络技术前进的基础上，融合多种技术的结果。随着网络带宽的不断增加，全景技术在各领域的应用将不断渗透。
2.2 全景技术与其他展示技术的比较[2]（见表1）
2.2.1 制作周期较短
全景技术是通过专业的取景设备将场景以真实图片的方式保存，然后通过后期合成将多组图片高精度地拼接修复，采用兼容性极高的Flash播放技术或html5技术，通过专业的合成软件，开发出运行于不同环境的虚拟场景[3]。其核心任务是真实场景的图像采集与后期合成制作，相对于技术高难的计算机三维建模、三维场景扫描等模拟场景的制作与渲染，其开发难度与复杂程度较低，耗费时间较短。
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2.2.2 场景真实性较好
全景技术以采集现实场景图像为基础，能够对物体的细节、质感、色泽做到百分之百还原，全景漫游系统合成的独特超清晰动态影像可实现最大 10 倍率以上的超高精度放大，避免了三维建模与贴图渲染过程中产生的数据偏差与损失，以及由于程序限制在强行放大时出现图片模糊和马赛克等问题[4]。
2.2.3 系统配置较低
全景技术采用的是图形图像处理方式还原真实场景，图像文件较小，对系统环境要求较低。而三维虚拟场景是利用计算机构建客观世界的对象模型，实现形态、光照、质感等方面的逼真显示，需要高配置的软件系统作为开发环境。
2.2.4 平台兼容性好
全景技术以 FLASH 动画技术为外部扩展平台，可根据不同的展示需求定制各种辅助功能（例如添加音频解说、播放界面定制、漫游地图与导航制作等等），并依托html5技术可为iPad 用户提供高清流畅、方便快捷的在线漫游体验，平台兼容性好。建模渲染的 3D 场景受程序编码限制很难进行功能的再次拓展，且客户端需要下载单独的插件才能进行播放，平台兼容性较差。
2.2.5 经费低、人力投入少
全景技术对于设备购买与人力投入较少，可实现低成本开发展示系统。而三维建模对场景的逼真程度和精细程度要求都很高，其开发价格比较昂贵。三维扫描是目前全球领先的场景还原高新技术，具有测量速度快、精度高等优点，但所需设备昂贵，经费投入巨大。
3 基于全景技术的演出空间展示系统设计思想与制作流程
本文以国家大剧院的一个具体演出空间——戏剧场为例，详细介绍了全景技术在演出空间展示系统中的应用及整个系统的开发过程。在大数据时代背景下，此举实现了演出空间的数字化、网络化、移动化，提升了演出空间的社会服务功能，体现了科技对文化发展的促进作用。
3.1 展示方案及流程设计
以上是整个展示系统的设计思路（见图2）：前期分析包括对展示需求的收集与分析，据实际情况，结合后续工作执行条件确定展示内容，设计构建展示方案；同时为后续工作配备相关设备，拟定开发工作的执行方案。实施流程从两个维度展开：一方面据拟定方案在现场进行实地拍摄，将拍摄的全景图像作进一步的后期拼接；另一方面据需求分析，收集或制作所需的文字、图表、图片、视频、音频等多媒体资料与素材，并加以整理；进而将两方面工作融合进行全景展示系统构建。最后对空间展示系统进行测试，并据结果予以修正补充以达预期效果。
全景技术在不同领域的应用有其不同的特点，在演出空间中的应用亦有其独特之处，对于独特问题的处理体现在本次制作过程各环节中。
3.2 展示需求与展示内容
本文所选的具体演出空间实例是国家大剧院的戏剧场。该演出空间近8年来上演过国内外话剧、戏曲、舞蹈、歌剧、音乐会、庆典晚会等各门类两千多场演出活动；该空间容纳的艺术活动门类繁多，艺术呈现形式多样。因而，所供研究的各类素材非常丰富，是一个范例性极佳的演出空间。
依据近8年来该空间的演出技术资料，分析各类演出对于演出空间的具体需求，从不同角度、按演出呈现形式、按专业，分门别类提取需求共性；进而回访来访过的导演、设计师、舞台技术总执行以及技术人员，提取大家的关注点；综合分析后，确定所要开发系统的展示内容及展示方式，哪些纳入环拍，哪些作为图片、视频、音频、文字等。通过多渠道搜集展示需求，以求展示内容的丰富，层次分明。
3.3 制作流程
本案例是用单反相机、广角镜头、全景云台、三脚架、泛光灯等设备进行球形全景拍摄，用图形处理软件PS（AdobePhotoshop）处理拍摄的照片，用多功能的图片全景制作工具（Panorama Tools）PTGui Pro，将零散的图片组成一个大幅面的完整图片，创造出高质量的全景图像；再将其他文字、图表、图片、视频、音频等多媒体资料与素材整合进展示系统；最后进行测试和完善工作。
3.3.1 拍摄
全景技术是采用鱼眼镜头拍摄，视角可达180°，可使被摄体在画面中显示出非常鲜明的纵深透视效果，距离在1米以上，景深可达无限远（见图3）。
球形全景是以目标景点的某一观察点为中心，使观察者既能看到水平方向环360°的景观效果，又能看到垂直方向180°的景观效果，即形成 360°×180°的全视角效果，球形全景中加入了“天”和“地”的感觉，全景的视觉范围更加开阔[5]。对于演出空间，笔者认为球形全景更易于实现预期效果。
三维全景照片的立体感形成缘于浏览器的球型坐标，图像沿着球形坐标运动并实时变形，使所见视角内的景物时刻以透视变化体现，唤起观者日常生活中的感官体验。
拍摄图像的高质量是保证后续制作的前提，所以拍摄是整个制作过程中的关键步骤。对于“演出空间”的拍摄，最大问题即照度问题。由于所要呈现的空间内容很大一部分是为了保障演出而安装的设备设施，参与演出时不直接呈现给观众，很多是哑光的、黑色的，不易被人察觉；所以需要据拟定好的拍摄方案，对演出空间进行合理布光（见图4）。
在选好拍摄点后，用三脚架固定好全景云台，相机在水平面每间隔90°拍摄3张，垂直水平面使镜头仰面拍摄3张，共计15张。多点拍摄，选取内容囊括最多、内容层次最分明的照片组进行后续工作。
3.3.2 拼接
拍摄好的照片需要用软件进行全面处理，才能发布成可供网上浏览的3D全景文件。本展示系统主要用图形处理软件PS（Adobe Photoshop）处理拍摄的照片，用多功能的图片全景制作工具（Panorama Tools）PTGui Pro，制作全景图像。图像拼接，即将水平360°旋转拍摄的照片，拼接成一张在平面上看上去很广范围的照片，使得生成的全景展示地图能够还原当时拍摄的真实景象（见图5）。
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因为“演出空间”几乎每一个细微角度都有所需展示的内容，所以在进行图形处理时需要格外仔细；在对诸如亮度、对比度等要素进行调节时应既要注意到整体的效果，又要能清晰有效地体现诸多小体量、不显著的展示内容；尤其是对于“顶”和“底”的修补，不能像其他领域的全景制作，应充分反映上空的设备形态、设施以及建筑上的细节内容（见图6）。
3.3.3 系统制作
合成好高质量的全景图像后，再将其他文字、图表、图片、视频、音频等多媒体资料与素材整合进展示系统。为保证展示内容的层次分明，突出重点，多媒体素材选用依据各专业关注点的热度，分层级展示。最后生成网页版的展示系统，利用搜索引擎即可看到整个演出空间的展示系统，既可以在电脑上体验交互式展示系统，也可以用Pad、手机等智能终端享用该展示成果（见图7）。这种方式较其他发布方式更便捷低廉，也便于以后集成到增值服务产品。
3.3.4 测试
该项展示系统测试版完成后，一直在多方面得到应用，并收到不少回馈。
演出空间全景展示系统有助于设计师对即将工作的演出场所建立起空间概念，对作品的不断创作修改提供了极大的参考；有助于演出项目技术执行了解演出空间的细节，为修正演出项目的执行流程和方案提供了有力的支撑；有助于技术人员了解设备设施的情况，考量各个技术方案的合理性，保证了演出作品的艺术质量。减少了频繁的现场考察和反复的技术沟通，节约了许多人力和物力成本，关于艺术呈现的各种讨论会可以在线召开。改变了各方的工作方式，提高了大家的工作效率。
基于全景技术的演出空间展示系统，可促进剧场建设者、设备厂商等相关人员了解演出空间的使用情况，对设备设施的使用状况有一个直观的反馈，促进行业整体水平的提升。基于全景技术的演出空间展示系统，可为相关的教育培训工作提供直观的、当下的、现实的教案，从而加强整个领域的从业者和各专业间的交流。
4 结语
在全球网络化数字化的背景下，基于全景技术的演出空间展示系统研究成果，给演出空间展示提供一个很好的展示范例。与此同时，该系统的搭建过程，也促进了此项技术的发展。
基于全景技术的演出空间展示系统，其便利的交互性满足了众多艺术工作者的需求，为演出空间在单位时间内带来更多的表演艺术，更好的艺术呈现，提高了演出空间的使用率和上演剧目的艺术效率。
基于全景技术的演出空间展示系统，方便观众了解观演环境，有一定的导览作用；若与其他网络技术结合，还可具备演出推荐功能；也可为观众揭秘视觉呈现，为演出场所带来新的增值服务。
注：本文获得“演艺装备系统技术文化部重点实验室”开放课题“基于全景技术的演出空间展示系统研究”（艺科PAS2015-05）的资助。
参考文献：
[1] 蔡田露，高俊强. 360°全景技术与应用分析[J]. 现代测绘，2012（11）.
[2] 杨建杰. 基于全景技术的博物馆网络虚拟展示实现研究[J]. 博物馆研究，2015（1）.
[3] 王莹. 360°全景技术在网络虚拟展示的实践与应用[C]. 第十六届中国科协年会——分 16 以科学发展的新视野，努力创新科技教育内容论坛论文集，2014.
[4] 张秋莲. 360度全景展示在虚拟博物馆中的应用探索[J]. 博物馆学，2011（9）.
[5] 刘侃. 全景技术在教学领域的应用与实现[J]. 教书育人：高教论坛，2011（15）.
全景立体成像技术浅述 篇4
全景立体成像技术可为机器人导航、军事侦查、计算机视觉、虚拟现实等领域提供大视场场景的立体感知和重现功能,近年来发展快速,成为光电子学、计算机视觉和计算机图形学的研究热点。
全景成像(panoramic imaging,PI)是指利用特殊的成像装置从一个视点获取水平方向一周360°、垂直方向大到半球以上视场的多方向成像;而全景立体成像技术则是基于全景成像技术利用双目视觉原理获取全景立体信息,该立体图像对的视差反映了场景的深度信息[1]。本文就目前广泛应用的三种全景立体成像方法做一比较,更深入地介绍折反射全景成像技术的基本原理、系统构成及其关键技术等内容。
1 全景立体成像特性
全景成像是在一个视点对周围所有方向的场景成像,而立体成像需要两个或多个视点,在垂直于两视点连线的方向上获得的场景具有立体感,但在两视点连线方向上不会具有立体感[1]。
2 全景成像基本方法
目前,主要有三种实现全景成像的方法:图像拼接法、鱼眼镜头法和折反射全景成像法,这三种方法各有其优缺点和应用领域[2]。
2.1 图像拼接成像
使相机围绕其光心的垂直轴线旋转一周,进而对水平一周多个不同方向的场景成像,再将这些不同方向的场景图像进行拼接,获得一幅全景图像。该方法虽然成像分辨力高,但成像速度较慢、拼接算法复杂、不满足单一视点约束、一般只能拼接出圆柱面全景图像,而最大的不足是不能实时动态全景成像[3,4]。
另一种方法是利用面向不同方向的多个相机同步拍摄多幅图像,进而将同步采集的多幅图像进行融合拼接得到全景图像。但由于各个相机的物理特性限制,不同相机的光学中心不可能完全重合,因此该方法生成的图像也不能满足单一视点要求,且存在着成本高、系统复杂等缺点[4,5,6]。
2.2 鱼眼镜头成像
鱼眼镜头是一种超广角物镜,其焦距非常短(小于16mm),能获取接近或大于180°的全景视场[7,8]。该成像方式在获得大视场的同时会产生严重的桶形畸变且很难校正,且成像分辨率较低。高质量的鱼眼镜头通常需要采用10片以上的高质量光学材料结构,因此还具有系统复杂、造价成本昂贵等缺点。
2.3 折反射成像
折反射成像利用镜头前的反射镜扩大相机的视场从而获取实时全方位图像。这种成像方法,能够实现实时大视场成像,结构和几何计算简单,立体图像对应点匹配容易等优点,且成本较低,已成为目前研究的热点。
3 折反射全景成像
3.1 折反射全景成像基本原理
折反射全景成像是利用曲面反射镜把水平方向360°范围内物体的光线反射到成像传感器,从而一次性拍摄获得远大于普通相机视场范围的景象[9]。与图像拼接和鱼眼镜头技术相比,折反射全景成像技术能一次性实时获取360°图像,具有大于半球空间的视场、成像装置设计简单、成本低等优点。折反射全景成像系统主要由三部分组成[10]:感光元件(CCD或CMOS器件)、成像透镜(如常规成像透镜或远心透镜)和反射镜,如图1所示。由折反射全景成像系统获取的原始图像(即球形图)称为折反射全景图像,如图2的上图所示。但由于原始图像存在严重变形,不适合直接观察,需要把折反射全景图像变换为符合人眼视觉习惯的圆柱面投影图像,如图2的下图所示。
根据是否满足单视点约束,折反射全景成像系统分为单视点成像系统和非单视点成像系统。单视点成像的优势在于能将全景图变换成无畸变的平面透视图,且能保证成像系统使用一台相机一次捕获到所需要的信息,观察视角更大,一般的图像处理方法可以用来进行图像分析和处理[11]。
3.2 折反射全景成像反射镜面形式
折反射全景成像系统需要一个经过特殊加工的表面光滑的反射镜,将周围空间的光线汇集到反射镜上(分为凸面反射和凹面反射)。反射镜根据镜面线型的不同,又分为球面、双曲面、抛物面、圆锥面、椭球面等类型[12,13],如图3所示。
3.2.1 球形镜[14,15]
球形镜具有散光非常小、光学镜面设计加工简便、图像恢复软件算法简单、图像有用信息保留较多、可读性较高、柱面全景图像展开算法快速且为线性算法等优点。但不满足单一视点约束,不能转换为正常的透视图像。
3.2.2 双曲面镜[16,17]
双曲面镜散光小、可视范围广、满足单一视点约束、全景图像可以转变为正常的圆柱面图像等透视图像。相对于抛物面镜,价格较低、更具实用性,是目前首选的折反射全景成像镜面。但制作困难、系统设计过程中计算量较大、运算相对复杂,另一个较为严重的缺点是双曲面镜的焦点需要放置在摄像机的光心上,导致其设计不够灵活。
3.2.3 抛物面镜[18,19]
抛物面镜也满足单一视点约束、散光很小、视场角较大。但不满足小孔成像的基本条件,不能直接使用普通摄像机或相机成像,需要增加一个远心透镜,才能符合正射投影,也是一种比较理想的全景成像方式。但当视场角大于某一角度时,镜面的加工制作难度增大,难以达到工程实际应用精度。由于抛物面正交投影透镜的投影是直角,镜面与透镜间距离设计灵活且透镜还能消除镜面玻璃圆筒或半球的内部反射。
3.2.4 圆锥曲面镜[20,21]
圆锥曲面镜的加工制作易度仅次于球形镜。由于其垂直方向有反射,需要结合聚焦透镜以获取水平方向场景。其散光大,不能转变成正常的透视图像,且需要长焦距才能获得聚焦全景图像,还不满足单视点成像条件,但可以获得一定视场范围的全景图像,早期的全景视觉研究中,曾用于广角成像系统和视场增强方面。
3.2.5 椭球面镜
椭球面镜属于凹面镜,利用内反射原理,虽然水平方向视场与凸面镜相同,都可以达到360°,但垂直方向视场要比凸面镜小很多,所以在大范围视场信息的获取方面不占优势,研究相对也较少。
3.3 折反射成像映射原理
单视点全景成像系统,其所有入射光线的延长线都相交于同一视点,根据光路跟踪原理,对成像点进行光路跟踪和投影变换,可以建立单视点全景图像到柱面全景图像像素点间的坐标映射关系[9]。如图4所示。把图4(a)中的虚拟圆柱面沿与x轴正方向相交的一条母线展开,并以其左下角顶点为原点建立二维直角坐标系,可得图4(c)所示的柱面全景图像,图4(b)表示全景图像[9]。根据不同的反射镜面类型和参数,推算的像素坐标映射关系也不同。另外,成像系统焦距、位置以及分辨率对像素坐标映射关系也有影响。
3.4 折反射全景立体成像系统
利用两至三个折反射全景成像系统就可以实现全景立体成像。目前,使用两组折反射全景成像系统构成的立体成像系统装置结构主要有三种[22]:(1)水平方向上并列放置两组独立的全景成像装置,两组装置的轴线均垂直于水平方向,如图5(a)所示。系统结构简单,但设备间会有一定相互遮挡,进而影响该遮挡区域真实场景的成像;(2)垂直方向上同轴上下放置两组独立的全景成像设备,如图5(b)所示。虽然避免了第一种系统之间的相互遮挡,且立体图像对间存在良好的极线约束。但由于使用了两个成像设备,采集的立体图像对会引起曝光、颜色等方面的差别;(3)与第二种不同的是上下两组全景成像设备共用同一个相机,如图5(c)所示。该系统要求相机拍摄到的一个反射面中要有另一反射面的图像,即在一幅图像中同时获取两个全景图像,避免了前两种系统使用两个相机两次成像导致的缺陷,但成像分辨率不高。
使用三个折反射全景成像设备构成的全景立体成像系统装置结构如图6所示。三个折反射全景成像系统A、B、C分别放置在等边三角形的三个顶点上,每个全景成像系统水平方向的视场都是360°,均可等分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域。全景立体图像对取自A、B、C三个系统的不同视场区域。视场区域AⅠ、BⅠ、CⅠ和AⅢ、BⅢ、CⅢ分别组成了完整的左右眼全景图像,而AⅡ、BⅡ、CⅡ为相互遮档的区域。该全景立体成像数据处理相对简单,能实现对动态景物的全景立体成像,但硬件结构较复杂,成本较高[23]。
3.5 折反射全景立体成像关键环节
3.5.1 摄像机标定
摄像机标定是立体成像必不可少的步骤,用来确定摄像机的内部参数(如焦距、镜头失真系数)和外部参数(如旋转矩阵和平移矢量),以便确定成像模型。而全景成像系统由于其特殊的成像方法,导致所获得的全景图像存在严重变形。三维空间点到全景图像上二维像点之间的映射关系不仅与全景成像系统中摄像机的参数有关,还取决于反射镜面类型以及与相机的位置关系等。因此,全景成像系统的摄像机标定与普通摄像机的标定不同。己有的折反射全景成像系统摄像机标定方法有以下三种:
(1)基于三维控制点的标定方法:利用控制点的三维坐标与二维图像坐标之间的关系来恢复摄像机的内外参数,该方法可以获得很高的精度[24,25,26]。
(2)自标定方法:利用多幅场景图像对应点之间的约束关系来标定摄像机。该方法不需要使用标定块,但必须获得图像间的对应点[27]。
(3)基于几何形状的标定方法:使用多条直线投影交点的性质来恢复摄像机内部参数。此类方法优点是不需要知道用于标定的空间直线之间以及这些直线与摄像机之间的相对位置,但只能标定摄像机的内部参数,不能标定外部参数[28,29]。
前两类方法实现困难,过程烦琐,且提出一种准确的寻找对应点的匹配方法非常困难。相比而言,基于几何形状的标定方法更为简单有效,它通过分析特定几何形状在全景图中的成像来获取摄像机参数以及相机与镜面的位置关系。
3.5.2 图像处理
由于需要使用投影变换将极点变换到无穷远处,且变换矩阵不唯一,因而这些算法往往不能得到理想的校正结果,并会使图像产生重采样效应,其主要表现为校正图像畸变、物体变形以及分辨率损失等,而成像系统获取的图像由于受到种种条件限制和随机干扰,会被噪声污染,扭曲图像如何恢复处理,以及全景图像压缩,另外后期图像在进行目标识别追踪等环节时,以上这些情况都需要利用相应的图像处理方法如图像去噪增强、边缘提取、极线采样校正等算法进行图像处理,以便得到图像质量更高、信息量更大的全景图像。
4 结束语
360全景拍摄合同 篇5
甲方（委托方）：
乙方（受托方）：
签订地点：
签订时间：2017年月
日
甲乙双方经友好协商决定，由甲方组织拍摄的 摄影服务，为了保证拍摄制作工作顺利完成，特签订本合同，具体条款如下：
一、拍摄制作周期自 2017 年 月 日开始至 年 月 日完成验收。
二、拍摄以全景照片为主，具体拍摄标准如下：
1、航拍全景照片 大疆无人机 4（1）除下雨天、严重大雾天、夜晚外，天气好的情况都可以进行拍摄，拍摄高度控制在50米—150米（根据场景规模的大小调整，要能在空中看清场景规模大小为佳）。
（2）拼接无错位、曝光合适、色调正常、对焦清晰，天空需进行修补。
2、地面全景照片
设备需使用全幅单反相机4240万像素。
（1）室外除下雨天、严重大雾天、夜晚外，天气好的情况都可以进行拍摄。（2）地面的2:1全景照片的长边不低于15000像素。（3）拼接无错位，曝光合适，色调正常，对焦清晰。
三、此次合同费用为：
（名称）：共计。（航拍 元/点位，地面 元/点位。共计 点位，总计 元。）
签订合同3日内首付50%，即： 元（），验收后3日内付50%尾款，即： 元（）。
拍摄期间的交通、食宿凭发票车票报销，拍摄计划自行安排。
甲方前期会协调好拍摄单位，并根据拍摄进度随时沟通联系。以保证乙方顺利拍摄。
四、验收标准
乙方整理好所有照片数据好，以百度云账号的方式进行交付。
1、航拍、地面全景照片
需提供拼接好的2:1的全景照片。JPG格式文件及全景照片拼接方案。
2、存放取名 举例：
1级目录：20170828－图行网-贵州镇远古镇 2级目录：入口、大厅、绿化等
五、此次合同拍摄的所有照片数据所有权归甲方。
六、违约责任
1．甲方未能按双方同意的付款计划按期付款的，造成停工拖延周期，需追加的资金由甲方负责。
2．甲方由于重大方案调整或市场因素，需对拍摄内容有重大修改，需要追加的资金由甲方负责。
七、本合同一式两份，双方各执两分。本合同有未尽事宜，双方协商解决，或交与仲裁机构处理。
甲方(签章): 乙方(签章): _ 地址： 地址：_____________________________ 电话：
电话：_________________ 联系人： 联系人：
_________年____月____日
CCTV:“全景” 奥运 篇6
2008年8月8日到8月24日， 中央电视台全天收视份额高达52.19%， 占据了全国电视荧屏的半壁江山， 比2008年上半年的收视份额35.69%提高了16.5个百分点， 增长幅度高达46%。 在呈现了北京奥运会这样一场竞技体育的饕餮盛宴之后， 第30届伦敦奥运会， 中央电视台的转播又会有哪些看点和亮点？
全景奥运 展示竞赛魅力
“我们将把北京奥运会报道中成熟的做法和经验， 与伦敦奥运报道有机结合， 合理的选择赛事资源， 积极关注人物命运， 展示体育力量。 ” 中央电视台体育频道总监江和平表示， 中央电视台将在选择和安排赛事播出时， 有侧重、 有策划、 充分展示竞赛的魅力， 在转播比赛实况时， 着眼人物命运， 有悬念的讲好故事。
紧贴奥运步调与节奏， 中央电视台已经或即将推出一系列报道， 以调动起国人的奥运热情， 如从2012年元旦开始播出的《伦敦奥运会倒计时》 、 《伦敦奥运会金牌看点》 、 《伦敦行动》等形象片和节目； 倒计时100天以后， 《体育新闻》连续播出的特别节目 《人在奥运年》 ， 关注100个中国奥运军团重点人物； 而倒计时50天时， 还将增加 《伦敦2012》 版块， 报道奥运最新资讯。
伦敦奥运会期间， 中央电视台将会在北京奥运会的高起点上， 以 “回归常态， 超越常态” 的报道规模， 投入上千人的报道队伍， 包括四百多人的前方团队和几百人的后方协作， 支持CCTV-1、 5、 7等开路频道转播奥运会赛事。
按照目前的赛事安排， 伦敦奥运会302枚金牌， 中央电视台将直播其中284枚金牌的产生， 除此之外， 还将全面覆盖游泳、田径、 体操的预赛、 资格赛， 球类项目小组赛、 淘汰赛的重点场次。 江和平说道： “通过中央电视台， 观众朋友们将看到 ‘全景奥运会’ 。”
全媒体转播 3D撼动奥运
对于绝大多数不能亲临现场的观众来说， 电视直播将第一时间为大家破解悬念。 尽管存在7个小时时差， 但伦敦奥运会在夏季， 很多人会看电视到凌晨， 中央电视台在播出规划上也将全力弥补时差带来的困难， 在白天及时为观众原汁原味的呈现前一天晚上的精彩比赛。
除了常规直播报道外， 中央电视台在电视报道手段上也进行了颇多突破与创新。 2012年1月1日， 中央电视台正式开播3D电视， 同时特意购买了奥运会3D版权， 希望以3D形式对奥运会进行全面展示。 其中， 田径跟3D的结合最为出色， 届时将为大家呈现身临其境的观赏体验， 再加上与中国网络电视台、 手机平台等多屏联动， 中央电视台搭建的 “全媒体” 转播平台， 将充分利用新媒体的优势， 力争把奥运的话题和影响力辐射到最大范围。
全球聚焦 放大品牌价值
奥运会以及世界杯与其他体育赛事最大的不同是 “全球聚焦” ， 这是任何单项赛事所不具备的， 是其品牌价值所在。 而奥运会在国人中的印记和影响之深也是其他赛事无法企及的， 是企业与消费者深度接触、 放大品牌价值的黄金平台。
奥运会发展至今， 电视转播发挥着越来越重要的作用， 不仅产生了巨大的经济效益， 更重要的是， 奥运会期间， 电视使全球成了视觉上的 “地球村” 。 而厦门大学新闻传播学院副院长黄合水认为， 奥运期间， 中央电视台直播的广告资源更是难得的“稀缺资源” ， 具有很高的营销价值： “首先， 奥运会是全球最顶级的赛事， 任何品牌都想与之结缘， 但只有少数企业有机会；其次， CCTV是中国最高价值的媒体品牌， CCTV-1、 CCTV-5等五个频道在奥运会期间收视率增幅均超过100%， 更是成功品牌进行体育营销不可多得的良机。 ”
2011年底， 中央电视台公布的第一批奥运广告产品属于特殊资源， 主要满足奥运官方赞助商和一线大品牌的需求， 而此次发布的第二批产品以套装广告为主， 将满足更多企业的投放需求， 价格也有梯度， 预算从几百万到数千万的企业都可以找到合适的产品。 这一批产品， 将是2012年中央电视台奥运营销中最后一批主力广告产品。 “通过说明会， 希望大家和广告中心保持密切的沟通。 除了公布的产品之外， 如果有特别好的创意、想法， 也可以来跟我们沟通， 我们可以量身定做。 ” 央视广告中心副主任何海明说道。
【相关链接】
中央电视台伦敦奥运栏目介绍（部分）
《伦敦行动》
CCTV-5播出， 2012年开播最早、 形态最丰富、 内容最多样、周期最长的奥运特别节目， 涵盖新闻资讯、 专题节目、 奥运期间特别节目等各类节目形态， 以奥运、 体育、 旅游、 探索为主线， 并得到英国国家旅游局的大力支持。
《体育的力量》
5集纪录片， 伦敦奥运开幕前夕将在CCTV-5播出。 该片将紧扣奥运主题， 着力表现近年来中国竞技体育、 全民健身等多方面发展， 展示中国从容、 自信的形象， 同时深入挖掘中国体育健儿的拼搏精神， 特别是2008年北京奥运会后国家、 普通百姓、 运动
员等对奥林匹克运动、 体育发展的认识变化。
《早安奥林匹克》
CCTV-5早间新闻专题节目。 6点半到8点半播出，第一时间向观众全面展示运动员在奥运会上的表现，尤其是中国选手的每一个奥运瞬间。
《奥运午间报道》
CCTV—5午间新闻专题节目， 12点至13点播出， 根据时差的特点， 利用午间时段盘点梳理全天的赛事， 同时推动新一个比赛日的开始。
《全景奥运会》
奥运会期间CCTV-1午间大型专题节目。 中午13点到14点30分播出， 以新闻资讯与专题报道相结合的方式全面报道奥运会赛事、 人物、 花絮、 弘扬主旋律， 突出鲜活性、 故事性， 遵从最广大受众的收视需求。
《中国骄傲》
旋转拼接全景成像技术的应用研究 篇7
旋转拼接全景自动成像技术是当代多学科交叉的一项新技术,操作简单、检查时间短,可在数十秒内完成影像检查,其在临床诊疗、术前方案的制订以及术后评估等方面有广泛的应用前景。2014年3月起我科采用GE Discovery XR656的“IMAGE_PAST-ING”技术,其X线球管在预设的垂直方向上下自动偏转角度,2~4次曝光即可实现双下肢的成像,为临床诊疗等方面提供了可靠的客观依据,深受我院临床科室的青睐。本研究采用双盲法回顾性分析1组病例的图像质量,通过Kappa检验评价不同观察者的一致性,对比统计不同曝光次数的曝光量和曝光时间。
1 材料与方法
1.1 一般资料
回顾性分析2015年3—5月在我院行负重位双下肢检查的临床病例,随机抽取155例,其中男性80例、女性75例,年龄15~89岁,平均年龄54岁,术前检查72例、术后评价83例。
1.2 设备
美国GE公司的GE Discovery XR656数字X线摄影系统,该系统主要由高压发生器系统、可实现旋转和垂直方向同步的运动系统、自动定位及数字图像自动处理系统等组成;立位人体拼接架(带X线显影100 cm标尺)、瑞珂6850自动打印相机。
1.3 操作方法
1.3.1 摄影方法
患者均取标准解剖学姿势站立在拼接床上,两手放于扶手架上,两下肢尽量靠拢,足尖向前,足跟尽量贴紧拼接床;检查范围上缘超过髂骨上棘,下缘包括踝关节。登录患者信息,选择旋转拼接协议菜单(IMAGE_PASTING),焦片距为180 cm。进入图像采集界面,选择患者体型,采用自动曝光控制模式,根据拼接床侧边标尺输入兴趣中心值,即被查体中心到探测器的距离,此值越精确,拼接效果越好,计算机根据选定范围确定曝光次数。确认后探测器及球管自动移动到头侧,按下手动开关并保持不动,球管自动上下角度旋转、探测器自动上下移动,曝光过程中观察患者有无移动,如果发生不自主运动,松开手动开关,重新上述步骤直至完成检查,曝光完成后自动拼接全长图像。
1.3.2 曝光条件
依据患者的身高和体质量,常规中等身材成人采用双下肢正位:80 k V、320 m A,自动曝光控制(automatic exposure control,AEC)技术,焦片距均为180 cm。
1.4 图像评估方法
1.4.1 主观指标
经验丰富的主治医师及主管技师各1名,采用双盲法评价图像。图像评价分级按图像是否有异物(金属植入物除外)及移动性伪影;图像有无放大失真;各部位整体解剖结构的显示;图像是否完整、连续以及拼接线的显示情况,分为甲、乙、差3级。图像评价分级标准:图像清晰、锐利度及对比度良好,无任何伪影,拼接线无显示,完全满足诊断要求为甲级片;甲级片中有一项不符合标准,能满足诊断需求为乙级片;整体解剖结构显示不全和(或)对比度较差,但仍能满足诊断的影像为差片。
1.4.2 客观指标
通过调取原始图像,2名技师先后统计155例患者的曝光次数、曝光量以及曝光时间。将每位患者原始图像上的曝光量相加即为该患者此次检查的曝光量。最后的原始图像上显示的时间减去起始图像上显示的时间即为曝光时间。
1.5 统计学方法
应用SPSS 17软件包进行数据处理,采用Kappa检验分析观察者间对图像质量评价的一致性。采用独立样本t检验比较不同曝光次数的曝光量和曝光时间,P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 Kappa统计结果
共490段摄影图像自动拼接成155幅全景图,图像过渡自然、无接缝线显示,图像质量满意。主治医师(A)及主管技师(B)图像评价结果分析见表1,Kappa值=0.784,在α=0.05的检验标准上,2名观察者对全景图像质量的评价具有一致性,依据评价原则,一致性极好。
例
2.2 曝光量和曝光时间的比较
曝光3次(甲组)与曝光4次(乙组)相比,曝光量明显降低了约25%,同时曝光时间明显缩短了约20%(见表2)。
注:甲组为曝光3次,乙组为曝光4次;*表示与乙组比较,P<0.05
3 讨论
3.1 旋转拼接全景成像术
常规X线摄影检查由于平板探测器或影像板(imaging plate,IP)尺寸的限制,而不能在1张图像上完整显示长骨的解剖结构,从而无法进行相关角度以及力线的准确测量[1]。Yaniv等[2]于2004年提出X线图像拼接技术理论,通过对多幅图像局部重叠区域的图像配准,从而为临床医生重构出人体脊柱及长骨的全景图像。此后,各种全景成像技术相继出现:计算机X线摄影(computed radiography,CR)、数字化X线摄影(digital radiography,DR)全景成像术、窄束X线部分重叠扫描(slot scan)以及狭缝式线扫描数字X线摄影全景成像技术[3]。当前,全景图像的原始采集方式有线性拼接(linear stitching)、旋转拼接(rotational stitching)和广角拼接(wide stitching)[4]3种。我院采用的是第2种成像方式,即球管在垂直方向上下偏转角度,而平板探测器通过自动跟踪实现图像采集。摄影时,球管固定于全脊柱/长骨的中心平面,分次、连续、部分重叠地曝光,曝光时球管在垂直方向偏转投影形成仰射线及俯射线对全脊柱/长骨投照摄影,由于探测器能自动跟踪球管,探测器就随球管偏转而自动向下移动接收透过人体的X线,连续、部分重叠地采集图像。同时,计算机根据设定的人体长度计算曝光次数。图像采集完之后计算机根据纵向的标尺及横向的骨性标志立即自动拼接成一幅完整的、连续性好的全景图像。本研究中155例患者均一次性拼接成功,优片率达85%,良片率以上达95%,最短曝光时间8 s,最长曝光时间16 s,平均曝光时间10.85 s,接近Sarah等[3]报道的旋转拼接检查可在20 s内完成。此外,相对乙组,甲组的曝光量和曝光时间均降低了1/5。笔者在研究中发现,部分病例的检查范围选择过长,如果选择合适的检查范围,完全有可能减少患者的检查时间和曝光量,这对术后患者尤为重要。
3.2 旋转拼接全景成像特点
3.2.1 扫描时间短
一次连续数十秒(平均时间约11 s)曝光即可获得全脊柱/双下肢图像,大大缩短了患者等待和检查时间。这样既提高了检查工作效率,又避免了患者因不能保持同一姿势而造成的拼接误差,提高了图像拼接效率。
3.2.2 2种运动方式
GE Discovery XR656 X线系统采用其特有的锥形定位投照技术[5],全景摄影时,球管可在±20°内自动旋转2~4次,同时平板探测器自动跟踪旋转球管在水平垂直方向上下运动。尽管X线球管的旋转运动与平板探测器的水平运动方式不同,但二者可达到同步移动,使重叠图像部分完全吻合,解决接缝部位的图像失真问题,达到自动、实时、无缝拼接,保证全景像无拼接线影。
3.2.3 图像质量优秀
操作过程及相关环节简化,并且可自动处理拼接,拼接后影像图像清晰、无拼接伪影,防止拼接过程中的人为因素,同时配以先进的数字化碘化铯平板技术,确保图像质量。本研究中图像的优片率达85%左右,良片率以上达95%,这可能与术后病例较多,金属物的植入影响观察者的分析有关;也可能与样本例数少有关,未来的研究工作中笔者将进一步加大样本量。
3.2.4 图像后处理功能丰富
通过图像采集工作站的图像工具栏,除可对图像进行锐利度、对比度调节等常规后处理,更便于长骨骨骼生物学力线、对称结构平衡线以及角度等精确测量,还可以通过“Repaste”键对自动拼接图像进行重新拼接校准,使图像更加准确可靠。
3.2.5 立位负重全景成像
全脊柱MR成像技术、下肢全长CT扫描及多层螺旋CT三维重建技术虽然在检查病灶上有较大的优势[6,7,8],但均不能解决患者术前的精确测量,如负重位长骨骨骼生物学力线及对称结构平衡线等[9],无法满足术前的病情评估,而且患者体内置入的金属材料会干扰MRI成像或造成CT扫描的伪影[10,11],这也不利于术后患者的随诊复查。
综上所述,GE Discovery XR656 X线系统特有的旋转拼接全景成像技术可快速准确地完成拼接双下肢检查。此外,利用浏览工具栏可对图像进行后处理,便于进行负重骨骼客观指标的测量,可用于常规双下肢X线检查。
摘要：目的:探讨一种新的全景成像技术在双下肢检查中的应用价值。方法:回顾性分析155例旋转拼接技术的双下肢全景图,采用双盲法评价图像并进行Kappa统计分析,对比不同曝光次数的曝光量及曝光时间差异。结果:观察者间具有很好的诊断一致性,其Kappa值为0.784,全景图像满足临床诊疗及测量要求;曝光次数为3次和4次的曝光量分别为(52.90±24.39)和(79.81±43.27)m As,曝光时间分别为(10.42±1.81)和(13.08±1.63)s,差异均具有统计学意义(P<0.05)。结论:旋转拼接全景成像技术可在一张图像上完整、无缝地显示全景像,在临床工作中须慎重确定检查范围。
关键词：旋转拼接,全景图像,双下肢,曝光剂量
参考文献
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[4]金瑞,曾勇明.数字X线全景成像技术进展及临床应用[J].重庆医学,2015,44(4):553-555.
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[9]LAZENNEC J Y,ROUSSEAU M A,RANGEL A,et al.Pelvis and total hip arthroplasty acetabular component orientations in sitting and standing positions:measurements reproducibility with EOS imaging system versus conventional radiographies[J].Orthop Traumatol Surg Res,2011,97(4):373-380.
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电子警务中三维全景技术应用研究 篇8
随着信息技术在各领域应用的不断深入,近年来电子政务应用在我国得到了迅速发展。电子政务在增强政务透明度、提高政府服务质量以及服务于民主政治建设等方面发挥着越来越重要的作用。自上世纪九十年代,我国政府开始建设以“两网一站四库十二金”为基本框架的电子政务体系。在此背景下,公安行政管理机构确立科教强警的战略举措,主动和社会信息化水平接轨,正在进行一场全新的电子警务革命[1]。电子警务是公安行政管理机构运用现代信息通信技术,实现组织结构和工作流程的优化重组,构建精简高效、廉洁公开的政府运作模式,是电子政务在公安行业的具体表现形式。在公安业务工作中,70%的信息均与地理位置和空间分布有关,因此,警用地理信息(简称PGIS)建设是实现电子警务的重要保障。传统的警用地理信息主要以4D形式,即数字线划地图(DLG)、数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)和数字栅格地图(DRG)来表现[2],这些数据在表现形式上比较抽象,多以点、线、面等方式来描述物体的信息和环境概貌,很难表现人文、环境、资源等信息,对使用者来讲也缺乏临场感,无法完全满足公安应急处理、设施管理等业务应用。因此,电子警务需要更丰富的地理信息获取手段来提高辅助决策能力。三维全景技术是目前全球范围内迅速发展并逐步流行的一种视觉新技术,它以地面近景影像反映空间地物位置,包含大量地理的、环境的、经济的、社会的、人文的信息以及可供挖掘的知识,有强烈的立体感和沉浸感,能给人以身临其境的感觉[3]。相比传统的技术手段,三维全景技术是实现公安业务空间化的更好媒介,可搭建满足公安业务需要的全要素、全纹理、富信息、可视化的电子警务平台,使警用台账信息、地图与影像有机结合,更好支持公安五要素管理、突发事件决策指挥、交通设施管理等要求。本文针对三维全景技术发展过程,分析其在应用过程中涉及的关键技术,并结合公安行业行政管理需要,探讨该技术在公安行业的应用点。
二、三维全景技术特点及现状
全景技术是一种虚拟现实技术,它用真实的影像模拟人眼360°环视效果,具有“360度大视场、旋转不变性”等特点。全景技术起源于上世纪90年代末,最初的全景技术只用于展示,目的是为用户提供更大视野的照片。随着3D技术和机器视觉技术的发展,全景技术逐步与地理信息相融合,极大的拓展了全景技术的外延和内涵,形成了一种视觉新技术--三维全景技术,三维全景技术的本质是利用全景图像与二维地图相结合,提供每个地理位置的360°真实场景,并且实现全景漫游、全景搜索和全景分享等功能,从而解决了传统电子地图完整性和直观性欠缺问题。把电子地图所具有的地理位置查询功能与三维全景所提供的虚拟现实技术结合起来,给人们带来全新的真实现场感和交互的感受。
三维全景技术比起其它需要大量的三维场景建模及仿真技术投入的虚拟现实技术手段而言,它采用拼接的现实全景图像轻而易举的帮助人们实现对身临其境的虚拟漫游及交互的渴望。对于很多现实环境的三维虚拟展示,都有非常实际的应用价值。三维全景技术在虚拟现实技术中具有其他虚拟现实手段所不具备的独特的优势:(1)它所需输入的数据少,数据采集及处理不十分复杂,只需事先拍摄一系列复合要求的图像即可:(2)能够去除不必要的冗余信息,它只记录人们视觉感官最关心的视觉内容,减少了操作运行的负担;(3)它无需硬件加速就能在普通计算机上实时运行,对设备的投入和要求明显低于其他虚拟现实技术要求:(4)它不依赖于特殊的设备,如头盔显示器等,可以方便的和用户发生虚拟场景的浏览交互;(5)它能够显示高质量图像,并且处理时间与场景的复杂度无关,这是用三维场景建模手段实现虚拟现实浏览所无法匹及的。
三维全景技术具有诱人的应用前景,发达国家投入大量的人力、财力、物力对其进行深入研究。在美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量,并于2006年进入了产业化阶段,如今谷歌、微软已经拥有了全美乃至全球几十个国家的全景影像,在互联网上每天有数以亿计的用户免费访问。和一些发达国家相比,我国三维全景技术还有一定的差距,但已引起政府有关部门和研究人员的高度重视。2010年,国家测绘局根据我国情况制定了《DMI可量测的全景影像》标准(即5D数据标准),据不完全统计,国内已有14家科研机构、高等院校和企业正在开展三维全景技术方面的研究。目前,武汉、深圳、北京等城市都已成功将三维全景技术应用于城市管理中,但三维全景技术在公安行业的应用尚处于起步期,未来发展潜力巨大。
三、应用框架
一个典型的三维全景电子警务框架由基础设施层、数据层、平台层、应用层等4层组成。其中基础设施层主要包括全景采集车辆、全景摄像机,GPS接收机,移动图形工作站等基础硬件环境。数据层主要包括全景影像图库、全景影像矢量数据、全景影像属性数据以及传统的4D数据(DLG、DEM、DOM、DRG)。平台层主要提供三部分服务:数据管理服务、数据发布服务、运维管理服务。数据管理服务包括数据的提取、转换、加载;数据发布服务包括目录服务、要素服务、全景地图图片服务、全景数据查询服务、全景数据分析服务、数据访问更新服务、数据交换服务等,运维管理服务主要包括人员管理、权限管理、安全管理等。应用层主要基于平台层实现各种业务应用的整合、交互,包括等110接处警、应急指挥处置、交巡警设施管理、安保管理、案件现场勘查等应用。
四、关键技术探讨
电子警务中三维全景技术的应用涉及到全景数据采集、全景影像拼接、全景影像发布展示等环节,以下对各个环节中的核心技术分别讨论。
1、全景采集器
全景采集器的设计是保证全景图像质量的重要环节。由于全景采集器中的图像传感器成像点相距很近,而全景图像采集作业时物距较大,因此采集器的设计优先考虑全景图像的质量和拼接效果。全景采集器的基本构成包括全景摄像机、GPS接收机、时间同步器以及移动图形工作站等。为了提高移动测量的精度,在全景采集器中还需集成陀螺仪和车速传感器。实际采集时,通常将采集器安装在移动车辆顶部,车辆以30~40Km/h速度移动,采集的全景数据以Pgr格式存储,采集的一个场景由多张视频图片和一个空间坐标组成。
全景摄像机,作为全景采集的核心部件,通常采用鱼眼镜头。当前世界上研制的全景采集设备主要有Point Gray公司的Ladybug系列产品和Immersive Media公司的Dodeca 2360产品,如图2和图3所示。
其中,Ladybug3是Point Gray公司的最新全景采集产品,它集成了水平方向和顶部(5+1)共6个CCD图像传感器,能实现6幅图像的同步采集,采集效率较高,存在的缺点是相邻图像重叠区域较少,底部图像部分缺失等。Dodeca 2360全景采集器由11个镜头组成,采集图像质量高,拼接效果好,支持全景视频输出功能。缺点是没有实现与空间数据的一体化处理与发布,并且价格昂贵。
2、全景影像拼接技术
全景影像拼接就是把现场拍摄的不同角度的鱼眼图像合成一张360°视角的全景图像。全景影像使用矩形球面全景投影,拼接过程大致分为以下三步:图像畸变纠正、图像配准、图像融合三个过程。图像畸变纠正通常采用球面坐标定位校正对鱼眼图像扭曲变形进行校正。依据鱼眼镜头的成像原理,用球面的经纬线近似的表示鱼眼图像中景物的变形,在对图像准确定位的基础上,依据扭曲变形校正的图像坐标映射关系,对图像颜色信息进行重投影,完成图像畸变纠正。图像配准主要基于同名像点进行配准,从经畸变纠正后的图像上选取特征点,然后对两幅图像的对应点进行匹配,由匹配的特征点信息计算图像转换参数,从而实现图像配准。配准后的图像用多分辨率样条法进行图像融合,最终形成一张完整的全景图片。
3、全景影像展示技术
三维全景影像在电子警务中应用,主要通过公安内部网络,以“服务”的方式提供给各警种使用。全景影像发布前需根据应用情况对数据进行压缩。客户端通常采用基于Web2.0的富客户端技术,以满足使用者的交互需求和提升全景浏览的效率。在全景影像展示时,首先将拼合并经过镜像变换的全景图像纹理映射到球体,将视点置于球体中心位置,然后通过不间断的变换视点实现场景变化。当视点前进时,视角方向通常保持一致,采用图像放大与渐变技术实现图像平滑漫游效果。漫游过程中,视域范围内的地物并未发生过多改变,发生明显改变的是地物的距离感,图像过渡时的放大倍数通过实时计算相邻点的距离获得。视点发生位置变换的同时将地理位置数据同步与电子地图进行通信,实现全景浏览器与电子地图的位置匹配,从而实现全景影像的展示。
五、应用探讨
1、110接处警精确定位应用
传统的接处警报警定位方式主要有三种,固话定位、手机定位、电线杆定位,但这三种方式都有缺陷。当报警者报警后,接警人员无法在第一时间确定案发现场环境。三维实景技术不仅仅能提供城市街道及小区的影像信息,还能展现大量的POI(兴趣点)信息,同时提供POI周边物理环境信息,信息详细到街面上每一个商户、建设、单位的名称,在以往报警定位方式的基础上,可以实现报警精确定位,并且可以确认报警人描述的真伪。
2、应急指挥应用
在应急指挥行动中,利用二维地图和卫星影像可以圈定嫌犯的大概藏匿区域,同时利用全景影像进行分析,对通道进行布控,依据全景影像,快速定位到嫌犯藏匿建筑物,调用建筑物内部结构图,制定了精确抓捕计划并抓捕成功。通过查看嫌疑人周围的建筑物、通道、路口信息,提前勘察现场情况,辅助决策预案的可行性,作到决胜千里的作用。
3、安保巡逻应用
三维全景技术将全景影像的概念引入安保应用,安保指挥人员可以凭借全景“真图”如同亲临现场般深入观察环境信息,如建筑物外观、道路路口等,依据业务需要制定安保巡逻线路。三维全景技术可以根据指定巡逻的路段,采用幻灯片方式进行影像数据的浏览,也可以实现连续自动播放;可以实现任意方向的街道或社区的全景影像浏览,为路线设计、安保人员部署、预案制作与演练、监控与指挥等安保业务服务。
4、交巡警设施管理应用
交巡警设施管理中,需要对电子监控设备、交通信号设施、交通标志、护栏站桩等交通管理信息进行位置定位、属性浏览、高度测量等业务管理,传统的二维地图只能展示这些设施的鸟瞰平面图,无法对设施进行高度测量,也无法查看这些设施周边环境的具体情况,三维全景技术可以提供测量功能,便于管理者统一安排设施安装、维护等工作。
5、案件现场勘查应用
各种案件侦破最为关键的工作是对案件现场的勘查。案件现场中或多或少的存在犯罪痕迹或物证,“吃透”案件现场是破案的关键。利用三维全景技术通过旋转扫描现场一周的形式获得现场全景影像,并在该数据基础上进行测量及案情卷宗的制作。各个专业侦查员不必全部达到现场就可以结合全景影像进行案情了解、分析和侦查,通过与数据库中以全景图像的方式真实全面反映现场情景,便于不同思路的专业人员进行分析现场,便于案件现场快速网络传递,提供案情分析、专家会诊以及现场重建提供所需的三维图像及数据,提高案件侦破效率。
六、结语
随着海量数据的高速运算解决,让三维全景技术和地理信息系统相结合成为可能,三维全景技术可实现地理信息数据的可视、可读、可写、可画、可量、可链接、可挖掘等一系列功能,在“人”、“地”、“物”、“事”和“组织”等公安五要素管理、突发事件决策指挥、交巡警设施管理、案发现场勘查等各方面都有着其他技术手段不可比拟的优势。在欧美、日本等发达国家,随着物联网技术、三维全景技术和云计算的集成应用正日益成为电子警务中应用的热点。可以预测,未来三维全景技术和地理信息系统将走向融合,并成为电子警务的主流技术。
参考文献
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基于视频的立体全景无拼接生成技术 篇9
在虚拟现实的应用中, 基于图像的绘制 (IBR, Imagebased Rendering) 是较为方便的一种生成方法, 它不要求为场景建立几何和光度模型, 并且在绘制效率和效果方面有很大优势, 所以在全球范围内迅速发展并逐步流行。
在众多的基于图像绘制方法中, 全景 (Panorama) 是其中一种流行的方法, 并被高度商业化运用。立体全景相较于传统全景而言, 更具有沉浸感。立体全景提供了360度的双眼视觉 (Binocular Vision) , 一般而言, 它由两幅全景图像构成, 一副供左眼观看, 一副供右眼观看[1]。
然而, 两幅全景图要匹配好也存在相当多的问题。主要问题在于立体全景的捕捉方式采用圆投影 (Circular Projection) , 这种方式是一种多视点图像投影 (Multiple Viewpoint Image Projection) [2], 而多视点投影的特性使得物体的相对位置会放生改变。因此, 准确的重叠部分是无法找到的, 即是说, 使用传统的拼接技术是无法匹配这两幅图像的。在传统的全景中, 上述问题可以通过各种方式去处理, 但在立体全景中, 这些方法会破坏立体感。
文献[3]针对该问题提出了一个新颖的二维全视函数——叶轮匹配。此算法所要求的图像捕获手段要求简单, 适合非专业人士拍摄。其创新性在于完全抛弃了拼接的思路。
本文在文献[3]的基础上提出了使用视频的方法去替代原文中照相的方法。这是因为原方法中, 拍摄的照片越多, 最后的全景才会越流畅, 但照片拍摄的太多会很费力, 并且图片数量很难超过360张 (每旋转1度拍1张) 。视频恰到好处的解决了这个问题。然而, 虽然视频的每一帧都可看作一张相片, 但在实际应用中, 仍然存在许多原文没有涉及到的问题, 本文针对这些问题一一分析求解。
本文组织如下:第一章介绍了捕获图像数据的方法;第二章介绍图像配准。第三章主要分析了所捕获的数据, 提出了剔除无效帧的算法;第四章讨论立体配对的问题, 并给出了完整的算法;第五章介绍了一些相应的实验结果;第六章是结论。
1 图像获取手段
图像的获取手段设计的比较简单, 适合非专业人士拍摄。只需要一台摄像机, 或是带录像功能的照相机, 拍摄的时候按照一个方向 (顺时针) 旋转, 角速度尽量恒定不变, 水平方向尽量平稳, 起伏不要过大。
对于视频的格式, 长宽比应该尽量大, 因此16:9比4:3的更加合适。当然, 视频越清晰越好。这些要求对最终结果的质量都有着正面的作用。
2 图像配准
在本方法中, 相邻照片的水平位移有着重要的作用, 取得视频数据后的第一步便是求得这些水平位移。使用照相的方式下, 由于旋转的角度比较大, 两张相邻的照片有着明显的水平位移, 这时可以很容易地取得两张照片的水平位移。但是, 通过视频捕获到的图像相邻两帧的水平位移很小, 有的靠肉眼都已经难以分辨, 如图2, 并且数量至少上千, 这样的情况下, 想要通过手工或半自动的方式去获取这些帧的水平位移是一件不可能的任务。因此, 必须要有准确的配准算法才能计算出相邻两帧的位移。
图像配准 (Image registration) 的定义是:将不同时间、不同传感器 (成像设备) 或不同条件下 (天候、照度、摄像位置和角度等) 获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程。我们的应用需求是对不同角度拍摄的两幅图像进行匹配。
总的来说, 基于特征的配准方法有很多, 但其基本步骤类似[4], 主要由以下四步组成:
特征检测:一般通过手动或是自动的方式去选择一些显著而又截然不同的对象, 如:边界、线状物交叉点、区域轮廓、角等。为了进一步的处理, 可以使用控制点表示该对象。控制点的选择应注意:一是分布尽量均匀;二是在相应图像上有明显的识别标志;三是要有一定的数量保证。
特征匹配:在这一步, 采用一定的配准算法, 建立两幅图像之间检测到的特征的联系。另外, 各种特征描述子和相似性测量方法、以及这些特种的空间关系也在这一步有所使用。
变换模型估计:通过已经匹配好的特征, 确定映射函数的类型以及计算其映射函数的参数。
图像变换和重采样:根据控制点的图像坐标, 建立图像间的映射关系;通过灰度变换, 对空间变换后的待配准图像的灰度重新赋值。
3 有效帧的筛选
在拍摄视频的时候, 即使拍摄的人员基本功扎实, 拍摄的时候无抖动, 转动的速度均衡, 最终拍出来的视频也是有些地方水平位移增量多, 有些地方增量小, 有些地方增量甚至为负。为提升用户体验, 本文提出了剔除无效帧的方法。使得最终的结果比较平滑。
3.1 无效视频的判断
不按拍摄方法拍摄出来的视频, 显然都是无效的, 这里不予讨论。现在关注的是, 由于拍摄的时候是拍摄者按照感觉去旋转的, 当旋转到了最后的时候, 仅仅凭借感觉去判断是否拍过了第一帧的内容。因此, 如果拍摄出来的视频的最后一帧未越过第一帧, 并且相隔距离较远的时候。一般来说, 这段视频就报废了。
另外, 若当拍摄时有某出不小心抖动过大, 造成旋转角度偏大, 这样会造成删除掉的帧比例很高。这样的视频也不是很理想, 也应该判定为无效视频。
3.2 无效帧的判断
无效帧的存在形式有两种, 一种是当旋转镜头转过了第一帧的画面后面的所有帧, 这些帧都是不需要的;另一种是旋转过程中水平位移过小的帧。这些帧可以造成在全景体验时过快或过慢的旋转不均匀的感觉。
3.2.1 尾帧的判断
定义1尾帧:尾帧不是视频的最后一帧, 尾帧一般是指位置先于第一帧, 与第一帧相连则所有帧可形成一个环。如图3所示。
对于第一种形式的无效帧, 判断的唯一方法就是找到尾帧。视频的最后一帧往往是旋转超过一周后再拍摄下来的画面, 导致尾帧的前后帧的表现与普通帧无异, 因此直接找到我们需要的尾帧并不容易。
为此, 引入了一个算法。该算法基于二分查找法的思路, 使得平均查找效率远远高于逐帧比对。其思想是尽快的确定出一对正好在尾帧左右两边的帧, 然后使用二分查找法寻找尾帧。由于一般拍完一周后, 继续拍摄的范围不超过1/4, 因此整个视频多余部分的期望可以看作最后的1/5部分。
该算法平均情况下的时间效率为。
3.2.2 无效帧的剔除
在消去尾帧后面的所有帧后, 剩余的帧已经可以拼接成一个环形了。消除第二种形式的无效帧的目的是要使得最后的结果显得平滑。由于问题的限制, 很明显无法去掉水平位移过大的帧, 因此只能考虑去掉水平位移过小的帧。这样需要再次求出全局最大位移——Max Tr。然后可按算法2去剔除水平位移过小的帧。
算法2无效帧的剔除 (顺时针旋转)
1) 找到最大位移所对应的帧p。
2) 将帧p存入集合Frames:{p}?Frames。
3) 取集合Frames里最近存入的元素r, 以r作为起点, 取r后的帧s:
按照该算法处理后, 可得到一组水平位移增量较为平滑的帧。
4 立体配对
因为最终要呈现给用户的是具有三维立体效果的全景图, 就意味着需要找到对应左右眼观看的数据。因此, 在得到可以用来配对的这组帧后, 便可以进行配对的工作了。
根据文献[3]介绍的原理, 如图4, 对一副图从中点进行左右分割后:左边部分的图像可看作右眼的投影;右边部分的图像可看作左眼的投影。这样, 本来使用单一镜头通过旋转拍摄下来的图片, 分割后的两部分正好可视作两个镜头旋转拍摄下来的图片。因此, 这意味着一副图片左边的部分, 可以和另外一副图右边的部分匹配, 并且产生立体感。
立体感建立原理图示: (a) 拍摄到的图像; (b) (c) 从中线分割成左右两部分; (d) (e) (f) (g) 分割后的部分可当作左右眼的投影
基于如上阐述, 进而提出了以下算法, 假定所有帧的宽度相等, 记作:
算法3左右眼帧的匹配。
该算法对文献[3]提出的算法做出了改进, 文献[3]的方法需要求出帧f后所有的帧到帧f的距离, 做了许多无用功。而本算法直接求出离帧f中线最近的帧, 如图5。本方法的时间效率上有了明显提升, 当然, 算法的本质思想是一样的。
5 实验
为了测试本文所提出的基于视频的立体全景无拼接生成技术, 首先进行的实验是:将文献[3]中所用到的一组环拍照片压缩成视频input.avi, 其基本信息如表1所示:
该视频input.avi是由72张照片压缩而成, 这些照片为jpeg格式, 总共大小为12MB。经过本文的方法处理input.avi后, 得到output.avi。其信息如表2所示:
视频output.avi的大小为4MB, 较压缩前的照片的大小12MB而言, 压缩比很大, 并且视频里的帧仍然拥有较为良好的立体感, 如图6所示:
另外, 为了测试本文提出的方法, 还使用了正常拍摄的一段环拍视频直接作为输入, 该视频信息如表3所示:
使用本文的方法, 该实验最后得到的输出视频信息如下:
总体而言, 效果上逊于前一个实验, 有少数帧的立体感不强, 但大部分仍具有较好的立体感。出现这种情况的原因这是由于自动配准的算法精度不够高, 或是有的帧在配准时误差较大, 因此算法在匹配的时候没有找到最好的结果。图7是该视频的其中一帧:
6 结论
本文给出了一种基于视频的无拼接立体全景生成方法, 该方法简化了图像的捕捉方法, 使得非专业人士也可以轻松捕获所需数据。通过实验, 说明本方法表现良好, 配准结果的好坏对最终结果有着至关重要的影响。因此, 本方法需要一个精确度较高的自动配准算法与之配套。
当然, 本方法还存在许多缺陷。实际上, 使用本方法生成的全景并不能流畅地自由旋转, 而是通过一帧一帧的播放模拟旋转的过程。另外, 不能支持垂直方向的旋转, 这也是今后进一步的研究工作。
摘要：全景目前被高度商业化, 随着计算机技术的进步, 人们对全景的期望越来越高。本文给出了一种新颖的全景生成技术。生成的全景具有强烈的立体沉浸感。该方法与其他传统方法相比, 无需去考虑如何从数据中恢复各种各样的几何和光度场景模型。因此, 具有低成本, 效率高的优势。另外, 对比于之前提出的基于照片的方式, 本文技术生成的全景更加细腻, 转动更加流畅。
关键词：无拼接,基于图像绘制,立体全景
参考文献
[1]Peleg, S., Ben-Ezra, M..1999.Stereo panorama with a single camera.In cvpr, the IEEE Computer Society, IEEE, 1395.
[2]Heung-Yeung Shum等.A virtual reality system using the concentric mosaic:construction, rendering, and data compression[J].Multimedia, IEEE Transactions on 7, 1, 85-95.
[3]Chen Zhang, Jinyuan Jia.Image based stereoscopic rendering with non-mosaic impeller matching[J].VRCAI’11, 2011:541-544.
全景技术 篇10
一、银行数据挖掘与知识发现技术的背景
当前, 数据、信息正以几何级数形式不断增长。据统计, 全世界的信息量每一年增加约一倍, 数据库越建越多、规模越来越大, 使人类生活在信息社会之中。由于传统数据库的检索查询已不能满足社会的需求, 加之传统的统计分析技术的落后, 那些能分析、发现多种模式的智能处理技术尚不成熟, 其结果在数据产生与数据理解之间出现了越来越大的距离。存储在磁介质中的数据, 人们看不见、摸不着, 长期存放在数据库中对系统既是沉重的负担, 也会造成危害。结果会使汇集在大型数据库中的数据深埋成了“数据矿藏”, 而难以访问。随着数据库的规模日益扩大, 人们希望有更先进、更为有效的手段对各种“数据矿藏 (信息资源) ”进行开采, 从中挖掘出“黄金”——有用的信息和知识。银行数据挖掘与知识发现技术就是在这样的应用需求背景下产生并迅速发展起来的。数据与信息、知识之间的鸿沟要求系统地开发数据挖掘工具, 以便将深埋的“数据矿藏”中的数据转变成知识“金块”。
如何从现有的数据库的大量数据中抽取有用的信息、发现知识, 以指导人们有效地利用数据库中的数据并为正确决策提供依据, 这就是银行数据挖掘与知识发现技术所要研究的课题。数据挖掘就是一种从大型数据库或数据仓库中提取隐藏预测性信息的新技术。在拥有了大量原始数据之后, 如何有效地使用数据挖掘工具, 利用数据仓库技术将分散的信息变成集中的信息, 使孤立的信息变成相互联系的信息, 使无价值的数据变成有价值的信息, 从而实现企业经营资源的优化配置, 减少决策的盲目性, 这是大集中之后一个非常重要的主攻方向。尤其是在客户信息整合、风险信息预警、决策信息提供等几个方面, 数据挖掘更是显得尤为重要。比如在银行领域, 用分类的方法可以把银行现有和将来的客户按照不同的标准分成不同的类。那么银行可以根据每个类各自的特殊性为其制订个性化的业务或者服务, 从而对银行的经营策略有很大的益处。一个典型的例子就是可以根据已有的大量资料建立分类系统把信用卡用户分成低、中、高风险不同的客户群, 进一步还可以根据已建立的分类系统对信用卡的申请者进行分类, 从而决定是否对其授予信用卡, 或是授予何种类型的信用卡。
二、银行数据挖掘与知识发现的任务及其研究层次
银行数据挖掘与知识发现 (DM&KD) 是指从银行大型数据库或数据仓库中发现并提取隐藏在其中的有用信息的一种技术, 以帮助决策者寻找数据间的潜在关联、发现被忽略的因素和隐藏在数据库中的规律或知识。通常, 这些信息、因素和知识对预测趋势和决策行为是至关重要的。DM&KD的任务有相关分析、聚类、概念描述、偏差检测和预测等。根据当前的技术水平和各银行的实际情况, 对DM&KD的研究, 按数据挖掘的深度, 可将其分为两个层次:在较浅层次上, 利用现有数据库管理系统的查询/检索、分类/统计、报表功能与多维分析、统计分析方法相结合, 进行所谓的在线分析处理OLAP, 从而得出可供决策参考的统计分析数据;在较深层次上, 要求从数据库或大量数据记录中发现隐含的、前所未知的知识, 并对现有的数据进行归纳、分析和推理, 为决策提供支持。前者主要是在数据库管理系统功能基础上的OLAP, 就是所谓“验证驱动”的DM&KD技术途径;后者则着眼于发现大量数据记录中潜在的有用信息或新的知识, 属于所谓“发现驱动”的DM&KD技术途径。就其实质而言, 这种途径与各种机器学习方法密切相关:如观察/发现学习、类比学习、根据实例学习等归纳或分析学习方法。严格讲, OLAP产生于DM&KD这一新概念之前及发展初期, 不属于银行数据挖掘与知识发现的范畴, 但就决策支持而言, 二者起到相辅相成的作用。DM&KD的任务可分为分类、聚类、总结规则挖掘、关联规则挖掘、时间序列分析、偏差分析等。
(一) 分类 (Classification)
分类分析旨在为从已训练数据的特征和分类结果中找到适合该类的一个合理的描述或模型, 生成一个分类函数或分类模型。该模型能把数据库中的数据项映射到给定类别中的某一个, 然后再用这些分类的描述或模型来对未知的新数据进行分类。既可以用此模型分析已有的数据, 也可以用它来预测未来的数据。
(二) 聚集 (Clustering)
聚集又称为无指导的分类, 其主要任务为实事求是地按被处理的对象的特征进行分类。它与分类规则挖掘的区别在于分类是基于训练数据的, 而聚类直接对数据进行处理, 将数据分组, 把相似的数据在一个聚集里。聚集和分类的区别是聚集不依赖于预先定义好的类, 不需要训练集。
(三) 总结规则挖掘 (Sum rules mining)
总结规则挖掘的主要任务为从用户指定的数据库中挖掘出平均/最小/最大值、总和、百分比等, 挖掘结果用交叉表、特征规则、统计的曲线图表等表示。
(四) 关联规则挖掘 (Association rules mining)
关联规则是寻找数据库中值的相关性, 主要是寻找在同一个事件中出现的不同项的相关性, 比如在一次购买活动中所买不同商品的相关性。其任务为从用户指定的数据库中挖掘出满足一定条件的依赖关系。关联规则形如“A1→A2, 支持度=S%, 置信度=C%”, 其中S和C是用户指定的支持度和置信度的门限值。
(五) 时间序列分析 (Time series analysis)
时间序列分析又称趋势分析, 同样也是试图找出数据之间的联系, 主要指从相当长的时间内的发展趋势中发现规律和趋势。但它的侧重点在于分析数据之间前后 (因果) 关系, 因此对数据往往要求引入时间属性。时间序列分析非常适于寻找事物的发生趋势或重复性模式。
(六) 偏差分析 (Deviation analysis)
偏差分析又称为比较分析, 它试图找出一系列判别式的规则, 以区别用户设定的两个不同的类, 用来发现与正常情况不同的异常和变化, 并进一步分析这种变化是正常的变化, 还是有意的诈骗行为。如果是异常行为, 则提示预防措施;如果是正常的变化, 那么就需要更新数据库记录。
三、银行数据挖掘与知识发现的算法研究
银行数据挖掘与知识发现算法可采用多种算法来实现, 人工智能技术中的机器学习、基于知识处理的专家系统和人工神经网络、遗传算法等计算智能技术对银行数据挖掘与知识发现的研究及其未来的发展将起到关键性作用。所谓银行数据挖掘与知识发现算法, 是指提供一种有效算法, 使之能从大型数据库或数据仓库中提取隐藏在其中的信息, 挖掘出数据间潜在模式, 并通过预测未来的趋势和行为模式, 完成从业务数据到决策信息的转换, 为银行作出前瞻的、基于知识的决策。在银行数据挖掘与知识发现中, 常采用统计学、集合论、决策树、知识处理与机器学习、遗传学和神经网络等多种学习算法。以下简略给出一些常用的银行数据挖掘与知识发现算法。
(一) 基于粗糙集的数据挖掘与知识发现算法
粗糙集 (Rough Set) 理论是一种利用三值逻辑处理不精确、不完全信息的形式化方法。利用粗糙集进行银行数据挖掘与知识发现, 目前已进行许多研究并提出多种算法。粗糙集理论的中心问题之一是如何有效地求解属性集合的约减 (Reduct) 和属性集合的核 (Core) 。属性集合的约减是在无信息丢失的情况下, 表示数据所需的最小属性集合。为处理数据中的噪音, W·Ziarko提出了变精度的粗糙集模型。粗糙集银行数据挖掘与知识发现算法, 实际上是基于集合论的银行数据挖掘与知识发现算法, 除粗糙集算法外, 还有概念树方法和覆盖正例排斥反例的AQ核心算法。
(二) 基于正态模型的数据挖掘与知识发现算法
真实数据库中的数据具有冗余性、稀疏性和高噪音, 并存在大量的模糊信息, 有些数据还具有一定的随机性。因此, 如何对数据库中的模糊信息和不确定、不完全信息进行有效的归纳、处理和表示, 已成为银行数据挖掘与知识发现的关键问题。基于正态模型的银行数据挖掘与知识发现算法是针对L·扎德的描述模糊概念的工具——隶属函数在表达不确定性和随机性方面的能力较弱, 在推理过程中不能实现定性与定量之间的有效转换而提出。如可将相关领域中的一维正态云模型的算法, 用来作为知识表示和不确定性推理的工具, 用于银行数据挖掘与知识发现。
(三) 基于关联规则发现的数据挖掘与知识发现算法
关联规则发现算法的目的是要挖掘出隐藏在数据间的相互关系。关联规则发现算法就是给定一组Item和一个记录集合, 通过分析记录集合, 推导出Item之间的相关性。与关联规则发现算法相类似的还有序列模式发行法、分类分析法和聚类分析法等。
(四) 基于仿生物技术的数据挖掘与知识发现算法
通常, 这种算法是指遗传算法。目前在多数商品化的银行数据挖掘与知识发现工具中, 都采用了基于遗传算法的银行数据挖掘与知识发现算法。遗传算法 (Genetic Algorithms) 是一种模拟生物进化机制的自适应随机搜索方法, 是由美国密执安大学的Holland教授在20世纪70年代提出来的。作为解决大规模优化问题的一种有力工具, 已成功地应用于商业、工程及科学研究领域。由于遗传算法作为一种模拟生物进化过程的算法, 它由繁殖 (选择) 、交叉 (重组) 和变异 (突变) 三个基本算子 (或过程) 组成。遗传算法可起到优生优育繁殖优良后代的作用。这些后代需要适应性, 经过若干代的遗传, 将得到满足要求的后代 (即问题的解) 。
(五) 基于连接主义机制的数据挖掘与知识发现算法
人工神经网络 (ANN, Artificial Neural Network) 算法是一种基于连接主义机制的人工智能技术。它试图从微观上解决人类认知功能, 以探索认知过程的微结构, 并在网络层次上模拟人类的思维方式和组织形式。它通过合理的样本训练、学习专家的经验、模拟专家的行为, 并通过引入非线性转换函数来求解各种复杂的非线性问题, 从而使ANN具有很强的模式识别能力, 可克服传统模式识别方法或一般算法在求解问题、处理数据时存在决策界面统计不出或不准确的现象。由于ANN具有学习、联想、自组织、记忆和容错等功能, 这不仅可避开建立复杂的数学模型和进行繁琐的数学推理, 而且对信息不完全的数据 (资料) 进行ANN模型训练和处理, 较之采用常规方法往往能获得良好的结果。ANN作为模拟人的智能和形象思维能力的一条重要途径和方法, 在模式识别、信号处理、自动控制等领域获得应用取得显著成效, 并在非线性建模和非线性问题求解方面有着广阔的应用前景。人工神经网络模型是由大量简单的处理单元 (称为神经元) 广泛互联组成非线性动力学系统。这种具有并行、分布式拓扑结构的一种能模拟人脑结构和功能的计算模型, 目前已提出几十种之多。其中较常见的为如图1所示的误差反向传播神经网络模型 (BP网) 。
图1中的网络由一定数量的神经元组成, 呈分层排列, 相邻层的神经元由权值相连, 权值的大小表示相连神经元相互影响的程度。网络中通常有一个输入层对应输入向量、一个对应着输出向量的输出层和一个或多个隐层。神经网络通过调节权值来学习和记忆样本输入与输出之间的复杂关系。
除了上述各种算法外, 在银行数据挖掘与知识发现工具中, 还采用决策树、机器学习、规则推理、模糊逻辑与推理等多种银行数据挖掘与知识发现算法, 其中机器学习等方法对实现深层次的银行数据挖掘与知识发现至关重要。
四、银行数据挖掘与知识发现的过程
银行数据挖掘与知识发现的过程可以由一个银行数据挖掘与知识发现系统的逻辑视图来表示, 由图2可以看到, 系统由包括数据仓库分析员在内的一系列软件模块所组成。数据仓库中的数据, 经数据库接口输入到银行数据挖掘与知识发现管理器, 它经过数据选择、预处理之后, 被银行数据挖掘与知识发现工具处理, 该工具提供了多种银行数据挖掘与知识发现算法, 从中获取有用的信息与知识, 以及辅助的模式与关系。随后, 通过评判工具对这些信息、知识及辅助模式与关系进行评价与解释。其中, 一些有意义和有用的信息将送给分析人员, 有些发现还将加入知识库, 以便为后继的发现的抽取和进行评价。
由图2可知, 银行数据挖掘与知识发现是一个多处理及多次循环反复的过程。它十分强调数据挖掘人员与领域专家共同参与银行数据挖掘与知识发现的过程。我们知道, 领域专家熟悉专业, 十分了解所要求的问题。在问题的定义阶段应由领域专家向数据挖掘人员讲解所涉及的专业知识与问题;而数据挖掘人员应向领域专家介绍所采用的银行数据挖掘与知识发现技术, 以便相互理解与沟通, 协同完成数据挖掘任务。其工作与在人工智能领域开发专家系统中获取知识及建立知识库一样, 只不过在数据挖掘中是从已有的数据库中发现知识。
(一) 数据挖掘问题的定义
数据挖掘问题的定义是指在银行数据挖掘与知识发现初期, 数据挖掘人员与领域专家合作, 对问题进行深入分析, 以确定问题的可能解决途径并为学习结果找到一个评价方法。
(二) 数据的提取与处理
数据的提取与处理包含三个方面的内容, 一是数据的提取, 根据问题的定义收集和提取数据, 在数据的提取中可以利用数据库的查寻功能来加快数据的提取速度;二是数据的清洗, 是将多文件或多数据库运行环境中的数据进行合并处理, 解决语义模糊性、处理数据中的遗漏和清洗脏数据等;三是数据的预处理, 预处理是为了克服目前数据挖掘工具的局限性, 对数据进行再加工, 主要是对冗余属性进行删除, 从大量数据中选择具有代表性的数据来进行处理, 以减少学习量, 同时对数据的表达式进行适当的转换以适应学习算法的需求。
(三) 数据的挖掘操作
首先决定如何产生假设。是让数据挖掘系统为用户产生假设, 还是用户自己参照数据库可能包含的知识提出假设。前一种称为发现型的数据挖掘, 后一种称为验证型的数据挖掘。其次是算法选择, 根据数据特点和所要解决的问题选择合适的算法进行银行数据挖掘与知识发现, 同时要确定如何在这些数据上使用这些算法。然后运行数据挖掘算法, 并根据选定的银行数据挖掘与知识发现算法对经过处理后的数据进行模式提取, 即数据挖掘。
(四) 结果的评估与解释
经银行数据挖掘与知识发现后, 对学习的结果进行评价。对结果的评价依赖于需要求解的问题, 由领域专家对所发现的模式的新颖性和有效性进行评价。这一阶段不仅把结果表达出来, 而且知识发现系统会采用解释和推理机制, 将这些知识直接提供给决策者, 也可以提供给领域专家, 修正已有知识库供系统共享。
(五) 结果的优化和使用
根据结果的评价, 可能需要对处理过程的某个阶段进行优化。在此过程中, 领域专家的参与非常重要, 他可以根据专业知识给出很好的改进意见。对于优化后的数据挖掘工具, 可在实际工作中应用所挖掘和发现的知识, 为正确决策提供支持。