陳琳

【摘 要】隨著全景圖在各方面的廣泛運(yùn)用，市場需求量擴(kuò)大，近年來的科技論文中，也對全景圖生成技術(shù)多樣性、針對性、復(fù)雜性等方面有深入研究，全景圖的制作簡易程度和成本也更加被重視。論文研制一種便攜式全景圖生成裝置。利用傾斜度傳感器、GPS模塊、控制器以及放在背包里的嵌入式微處理器等協(xié)調(diào)作用，將攝像頭拍到的照片合成得到全景圖。相比傳統(tǒng)全景圖生成裝置具有便于攜帶、拍攝效果好、生成圖精美、自動定位的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】傾斜度傳感器；全景圖；GPS模塊；自動生成定位

0 引言

全景圖是一種能360°覆蓋周邊場景的大視角的圖像。由于全景圖具有立體的、多角度，實(shí)用性強(qiáng)，更具真實(shí)感，制作較為方便等特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于航空衛(wèi)星、醫(yī)學(xué)圖像處理、考古研究等方面，例如對歷史保護(hù)建筑的還原，需要建立整個建筑體系的模型，這時(shí)便可運(yùn)用全景圖技術(shù)完成建模[2，3]。同時(shí)與基于幾何建模的3D技術(shù)構(gòu)建三維場景進(jìn)行的復(fù)雜的建模和渲染以及大量的計(jì)算相比[4]，全景圖更易制作，比普通地圖更加直觀，制作的成品也更為美觀，全景圖在生活中也被廣泛應(yīng)用，能方便地記錄查找某個地方及其周邊情況，也可以用來制作某個地區(qū)的全景地圖。

目前生成全景圖的方法大概分為用特殊的相機(jī)或者圖像拼接：利用專業(yè)的全景相機(jī)或者折反射系統(tǒng)一次性得到所需的全景信息，但是這樣整套的系統(tǒng)價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜且不易攜帶[5]；利用普通數(shù)碼產(chǎn)品拍攝一組相鄰圖像間有重疊的圖像序列，然后使用全景拼接軟件將所有的離散圖拼接為一副廣角圖，但拍攝過程中很容易因?yàn)榈孛娌黄?、手持相機(jī)不穩(wěn)等因素導(dǎo)致一組圖片在角度等方面出現(xiàn)問題，使全景拼接困難，生成效果較差。人們需要一種方便攜帶易于操作生成效果又好全景圖生成裝置。

針對以上問題，本文所介紹的全景圖生成裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）采用背包式，將較重的電源、嵌入式微處理器和存儲器放在背包里，便于攜帶；

（2）前后左右上5個廣角鏡頭同時(shí)拍下照片，能讓四周的畫面不存在死角，方便微處理器運(yùn)用現(xiàn)有的全景圖生成技術(shù)后續(xù)拼接的處理；

（3）能通過顯示屏實(shí)時(shí)觀測傾斜傳感器檢測到的傾斜角度，通過調(diào)整拍攝桿到水平位置，使拍出的照片處于最好狀態(tài)，方便拼合；

（4）由于添加了全球定位系統(tǒng)GPS導(dǎo)航模塊，能夠定位獲取拍攝地的經(jīng)緯度，這樣對于做大型的全景圖更具有幫助。

1 全景圖生成裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式全景圖生成裝置包括支桿、背包、全景圖生成模塊，其中，如圖1所示，全景圖生成模塊由控制器、傾斜度傳感器、LCD顯示屏、GPS模塊、拍攝按鈕、開關(guān)按鈕、存儲器、嵌入式微處理器、電源、攝像頭組成。

嵌入式微處理器：采用X31系列微型工控機(jī)，CPU采用酷睿i5，高速運(yùn)行；6路USB接口高速傳輸，存儲器接入更為方便，圖片生成速度更加流暢；全鋁合金，高效散熱。節(jié)能低功耗使用時(shí)間較長。對整個系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)圖片的接收、拼接合成，用于采集攝像頭圖像，在軟件的配合下生成全景圖實(shí)現(xiàn)全景圖的生成。

控制器：選用低壓電、超低功耗的MSP430f149單片機(jī)。該單片機(jī)具有高效的查表處理方法及較高的處理速度，在8MHZ晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。較豐富的外圍模塊更加方便與其他傳感器等協(xié)調(diào)使用，實(shí)現(xiàn)對整個拍攝過程的控制，采集GPS數(shù)據(jù)，傾斜度傳感器數(shù)據(jù)，響應(yīng)開關(guān)按鈕，拍攝按鈕。

傾斜度傳感器：采用MPU-6050模塊，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，用于檢測支桿傾角度。該模塊相當(dāng)于三軸陀螺儀和三軸加速器的整合，三軸陀螺儀檢測三軸的角速度，三軸加速度傳感器檢測三個軸向運(yùn)動的加速度，通過讀取傳感器測量的數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。模塊內(nèi)部配合卡爾曼濾波算法，能將姿態(tài)測量精確到0.01度，穩(wěn)定性極高。

GPS模塊：采用全球定位系統(tǒng) GPS導(dǎo)航模塊，可以實(shí)時(shí)獲取拍攝地點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，保證在任意時(shí)刻任意一點(diǎn)采集到該觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度。

存儲器：主要用于存儲拍攝的全景圖文件，存儲嵌入式微處理器處理得到的完整的全景圖，采用固態(tài)硬盤，具有較高的穩(wěn)定性。

攝像頭：本裝置配有5個120°廣角攝像頭，分別分布在拍攝桿上方的前后左右以及上方。一次性全方位采集5幅畫面，這樣使拍攝點(diǎn)的四周不存在死角，也便于圖片拼接生成全景圖。

LCD顯示屏：用于顯示各種系統(tǒng)狀態(tài)，包括 GPS系統(tǒng)采集到的經(jīng)緯度數(shù)值，傾斜度傳感器檢測到的角度值。在顯示屏顯示參數(shù)之后，然后根據(jù)顯示屏上的參數(shù)對拍攝裝置進(jìn)行調(diào)整。該LCD顯示屏只有在按動開關(guān)按鈕時(shí)，才被會開啟。

拍攝按鈕：本裝置采用微動開關(guān)作為拍攝按鈕，當(dāng)LCD顯示屏顯示的角度數(shù)值符合要求的時(shí)候，按動拍攝按鈕可以采集并生成全景圖。

開關(guān)按鈕：當(dāng)長時(shí)間按動時(shí)，關(guān)閉和啟動系統(tǒng)；短時(shí)按動時(shí)，只關(guān)閉和打開LCD顯示器并且能休眠和換醒控制器。

電源：采用大容量鋰電池，是可充電電源，能夠反復(fù)使用，直接與嵌入式未處理相連接，為裝置提供電能。

2 全景圖生成裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要是包括角度平衡檢測環(huán)節(jié)、拍攝環(huán)節(jié)和圖片合成環(huán)節(jié)，整個軟件控制流程圖如圖3所示。

操作過程：檢查拍攝桿與微處理器兩處的線插頭是否正確連接，再將嵌入式微處理器處線插頭的每條連接線插入微處理器上的串口和USB接口，并將電源和嵌入式微處理器與相連，為整個裝置通電；

通電確定無誤后，長按開關(guān)按鈕，啟動系統(tǒng)，LCD顯示屏顯示啟動、控制器被喚醒；啟動過程中檢測并顯示攝像頭，GPS模塊，傾斜度傳感器，嵌入式微處理器軟件的狀態(tài)；傾斜度傳感器檢測到攝像頭的傾斜角度、GPS系統(tǒng)采集到經(jīng)緯度值并顯示到LCD顯示屏上。

顯示屏有數(shù)顯示時(shí)，持有者根據(jù)在LCD顯示屏上顯示支桿的傾斜角度，用手調(diào)節(jié)支桿，當(dāng)顯示的數(shù)值表示水平時(shí)，按下拍攝按鈕，即生成一幅全景圖。需注意持有者拍攝照片時(shí)應(yīng)當(dāng)觀察四周光線，盡量使5個攝像頭拍到圖在同一曝光度下，這樣生成的全景圖會更為美觀。當(dāng)更換拍攝地點(diǎn)時(shí)，持有者不需關(guān)閉系統(tǒng)，只需短按開關(guān)按鈕，關(guān)閉LCD顯示屏，休眠控制器；換到新拍攝地點(diǎn)時(shí)，再短按開關(guān)按鈕打開LCD顯示屏和控制器。如果持有者長時(shí)不使用時(shí)，可長按開關(guān)按鈕關(guān)閉系統(tǒng)，下次需要長按才能重啟系統(tǒng)。

4 結(jié)語

隨著全景技術(shù)在各大領(lǐng)域的發(fā)展，為提高拍攝得到的照片的精度和加快制作速度，同時(shí)隨著全景圖更多被了解，人們已經(jīng)不滿足于二維地圖和普通的3D地圖，我們需要能拍攝沒有任何角度偏差、能自動添加定位的全景圖裝置。本文設(shè)計(jì)的全景圖生成裝置是一種便于攜帶，改進(jìn)了拍攝過程，也方便后續(xù)的圖片拼接，能讓全景圖更為美觀。同時(shí)能獲取拍攝地點(diǎn)的經(jīng)緯度值，也使全景圖更為直觀。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]梁弼，肖麗利，薛文.古建筑文物三維全景展示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014（16）.

[4]李孟奇.基于全景圖的虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：中山大學(xué)，2014.

[5]鐘民.圖像拼接與全景圖技術(shù)研究[D].2011.

[責(zé)任編輯：湯靜]