劉佶鑫

摘要：《數字媒體技術應用》作為信息與信號處理學科的本科專業(yè)課程之一，由于涉及到音頻、圖像、圖形等諸多不同領域的復雜專業(yè)背景知識，因此其講授難點較大。特別是視覺信息處理和虛擬現實技術教學環(huán)節(jié)的核心技術計算機視覺雙目測程方法，通過傳統的課堂講授難以使學生理解和掌握。為此，本文引入OSG仿真平臺提出針對上述難點的教學研究思路，以仿真實驗作為理論聯系實際的橋梁，起到改善教學效果和提高學生能力的作用。

關鍵詞：數字媒體技術；計算機視覺雙目測程；OSG；教學研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0174-02

一、引言

《數字媒體技術應用》作為信息與信號處理學科的本科專業(yè)課程之一，其講授過程涉及到信號處理相關的諸多方面，特別是在視覺信息處理和虛擬現實技術課程教學中我們發(fā)現，由于二維/三維空間運動描述的理論難度大、相關概念抽象不易理解，因此憑借傳統的課堂講授很難達到預期的教學效果，學生的學習興趣普遍不高。為解決這一教學問題，引入合適的空間運動仿真平臺不僅能在一定程度上較好的改善教學效果，而且對于學生技術實踐能力的提高也有較大的益處。

在虛擬現實、虛擬仿真、目標可視化等領域，圖形場景已逐漸成為一種高效簡便的數據表達和結構管理方式，其中OSG（OpenSceneGraph）平臺就是使用場景圖形的一種渲染引擎。OSG近年來已成為相關研究領域關注的重要三維引擎之一[1，2]。采用OSG能勝任大多數的應用需求[3-5]，因此讓學生更多的了解和接觸這類平臺和技術，有利于學生今后的職業(yè)發(fā)展。

本文針對《數字媒體技術應用》課程講授過程中，在視覺信息處理和虛擬現實技術等環(huán)節(jié)存在的教學難點，以OSG仿真平臺來設計一些簡單易懂的仿真實驗，在激發(fā)學生學習興趣的同時提高他們在相關領域的技術技能，從而達到改善本課程教學效果的目的。

二、OSG三維仿真平臺簡介

OSG圖形系統是一個基于工業(yè)標準OpenGL和C++環(huán)境的三維開源場景圖程序開發(fā)接口，能夠實現快速、高性能、跨平臺的交互式圖形系統的開發(fā)[6]。OSG中的物體是以場景圖形對象來表達的，這便于描述物體在二維或三維空間中的邏輯關系和空間變換。在《數字媒體技術應用》中研究的三維運動是指OSG物體對象在三維空間的剛體運動，即三維笛卡爾坐標系下的平移和旋轉。在OSG的空間變換中，物體的三維空間的連續(xù)運動可以分解為一系列平移矩陣和旋轉矩陣的連乘。

三、教學實例

在視覺信息處理和虛擬現實技術的教學過程中比較難以理解的知識點在于計算機視覺雙目測程方法，而該方法是圖像二維視覺信息與物理三維空間信息建立聯系的關鍵。如圖1所示雙目立體成像的原理[7]，設左右兩個相機完全相同，各自坐標系統的光軸（Z軸）平行，原點位置不同，同時世界坐標系與左鏡頭的坐標系重合，左鏡頭的像平面與其XY坐標系重合，兩鏡頭焦距均為f，兩鏡頭中心點連接成的基線（Base line）距離為B，空間某點P在世界坐標系的坐標（X，Y，Z）在左右兩成像平面的投射坐標分別為PL（xl，yl）和PR（xr，yr）?，F在問題可以表示為，已知f、B、PL、PR，求P。式（1）到式（4）即為求取P點坐標的過程。

-X=■（Z-f）？搖 （1）

B-X=■（Z-f）？搖 （2）

Z=f（1-■），d=B+x■+x■？搖 （3）

y■=y■=f■，z■=z■=f？搖 （4）

本文討論的重點是OSG平臺下針對教學的計算機視覺雙目測程方法實現，這里主要用到了osgdem和VPB的相關功能。osgdem是OSG的一個實用程序，而VPB（VirtualPlanetBuilder）是一個基于OSG的地形數據實時處理工具箱。利用VPB生成三維模型并建立OSG場景圖層后，要實現物體實時動態(tài)行為再現就要考慮幾何體節(jié)點和攝像機節(jié)點的漫游設計問題。OSG漫游技術需要用到兩類坐標系，即世界坐標系和節(jié)點坐標系。常見的坐標變換有平移、縮放和旋轉。攝像機的漫游是通過世界坐標系與攝像機坐標系的變換來實現的。

p′=Mp

p=X Y Z 1■ （5）

p′=X′ Y′ Z′ 1■？搖

M■=1 0 0 D■0 1 0 D■0 0 1 D■0 0 0 1，M■=S■ 0 0 00 S■ 0 00 0 S■ 00 0 0 1 （6）

M■=1 ？搖？搖？搖？搖0 ？搖？搖0 ？搖？搖 00 cosα sinα 00 -sinα cosα 00 0 ？搖？搖0 ？搖？搖 1

M■= cosγ sinγ 0 0-sinγ cosγ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 （7）

M■=cosβ 0 -sinβ 0？搖？搖？搖0？搖 ？搖1？搖 ？搖？搖？搖0 ？搖？搖 0sinβ 0 cosβ？搖 0？搖？搖？搖0？搖 ？搖0？搖 ？搖？搖？搖0？搖 ？搖？搖1

設攝像機坐標系原點在世界坐標系上的坐標變換的矢量表達如式（5）。式（6）表示平移和縮放變換，式（7）表示XYZ軸旋轉變換。攝像機在空間中的任何漫游行為都可以分解成一個坐標變換序列，以變換矩陣級聯方式表達。圖2是將原始三維場景高程數據可視化與雙目機器人計算機視覺測程系統的仿真結果進行對比。

由此可見，學生通過OSG仿真平臺的應用可以更清楚地掌握計算機視覺雙目測程方法的原理，并且通過簡單的世界坐標和節(jié)點坐標參數的設置可以直觀地了解理論與實際結合過程中的具體實現和相互影響。

四、結語

針對本科生在學習《數字媒體技術應用》過程中，對計算機視覺雙目測程方法等視覺信息處理和虛擬現實技術相關概念和技術較難理解的現狀，本文通過引入OSG平臺提出了較為簡單直觀的仿真系統構建形式，既能彌補傳統課堂講授對相關知識點的教學局限性，又能提高學生的學習興趣和動手實踐能力，對學生今后的求職工作或從事科研都有一定的益處。

參考文獻：

[1]侯濤，等.面向Internet的奧林匹克公園虛擬系統設計[J].中國圖象圖形學報，2008，13（3）：547-551.

[2]陳世紅，王海.林木場景漫游系統的研究與實現[J].中國圖象圖形學報，2009，14（6）：1212-1216.

[3]張伍，等.巡視探測器立體圖像匹配技術研究及應用[J].彈箭與制導學報，2009，29（1）：241-244.

[4]David Holmes III et al. Visualization in Image-Guided Interventions[G] // Image-Guided Interventions. New York：Springer Science + Business Media，LLC，2008：45-80.

[5]P. Wang et al. Virtual reality simulation of surgery with haptic feedback based on the boundary element method[J]. Computers and Strctures，2007，（85）：331-339.

[6]Paul Martz. OpenSceneGraph Quick Start Guide[M]. Louisville： Skew Matrix Software LLC，2007.

[7]章毓晉.圖像工程[M].第3版.北京：清華大學出版社，2013.endprint