劉潤紅

（鄭州師范學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言

圖像重建技術(shù)可在數(shù)字處理手段的支持下，通過測量物體外部數(shù)據(jù)的方式，獲得與該三維物體相關(guān)的物理形狀信息，其大體執(zhí)行環(huán)節(jié)由投影重建、形狀恢復(fù)、視覺重建、激光測距等多個步驟共同組成。應(yīng)用掃描激光對物體景觀進(jìn)行測距處理時，首先會獲得一系列的三維數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過多次坐標(biāo)換算，直至準(zhǔn)確恢復(fù)該物體的所有三維形狀數(shù)值。大多數(shù)情況下，圖像重建技術(shù)的測距能力極為準(zhǔn)確，若采用固定激光源，則可令物體處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，并在多次升降操作后，錄取各個剖面中所包含的三維數(shù)據(jù)，以用于三維圖像的后續(xù)重建；若采用移動光源，則可將物體固定在一個錐形區(qū)域內(nèi)，并在前視掃描儀的作用下，獲得多組三維數(shù)據(jù)參量[1]。

在自動化視覺傳達(dá)領(lǐng)域中，數(shù)字圖像三維影像感觀重建總是受到多個建模條件的限制影響，一方面會導(dǎo)致重建后圖像出現(xiàn)不完整或破損的情況，另一方面也會導(dǎo)致圖像節(jié)點的分辨率水平持續(xù)下降。傳統(tǒng)視覺傳達(dá)系統(tǒng)借助高斯濾波模型提取關(guān)鍵的影像特征點，再利用深度攝像機(jī)與圖像處理器完成對三維數(shù)字影像的重建與維護(hù)。然而此系統(tǒng)的重建能力有限，并不能實現(xiàn)對圖像節(jié)點分辨率水平的有效提升。為解決此問題，設(shè)計基于數(shù)字圖像重建的三維圖像自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)，在紅外實感攝像頭、圖像傳感器等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的支持下，對三維數(shù)字圖像的分辨率水平進(jìn)行初步估計，再以此為基礎(chǔ)，計算時域松弛因子的具體數(shù)值結(jié)果。

1 數(shù)字圖像重建的三維去霧處理

數(shù)字圖像重建的三維去霧處理由圖像分辨率估計、重建節(jié)點迭代修正、時域松弛因子計算三個步驟共同組成，具體操作方法如下。

1.1 三維數(shù)字圖像的分辨率估計

三維數(shù)字圖像重建理論指出分辨率初始節(jié)點的選擇應(yīng)是任意的，在實際成像空間中，所有元素都可被視為估算初始點。實際操作過程中，為了簡便且快捷地計算得出三維數(shù)字圖像的分辨率數(shù)值，通常采取單獨放大某一特定幀分辨率圖像的處理方法，并將該物理幀節(jié)點定義為三維數(shù)字圖像的參考幀，在后續(xù)視覺處理環(huán)節(jié)中，參考幀可用來構(gòu)造分辨率水平更高的三維數(shù)字圖像[2]。在自動化視覺傳達(dá)系統(tǒng)中，重建所有數(shù)字圖像都應(yīng)以參考幀條件作為基礎(chǔ)。規(guī)定在保持原始序列形式的三維圖像中，參考幀節(jié)點的分辨率水平能夠反映重建后圖像的分辨率水平均值。設(shè)x1、x2分別代表兩個不同的參考幀節(jié)點橫坐標(biāo)，y1、y2分別代表兩個不同的參考幀節(jié)點縱坐標(biāo)，在上述指標(biāo)參量值對應(yīng)匹配為節(jié)點（x1，x2）、節(jié)點（x2，y2）的情況下，可將三維數(shù)字圖像的分辨率估計結(jié)果表示為：

其中，e1、e2分別代表兩個不同的三維節(jié)點判別系數(shù)，β代表重建后三維圖像的成像條件，p?代表三維圖像的成像特征值。

1.2 重建節(jié)點的迭代修正

數(shù)字圖像重建節(jié)點迭代修正的另一個核心問題就是完成基于視覺傳達(dá)的圖像信息搜索，該項操作是指如何在指定區(qū)域內(nèi)，選取多個與迭代修正行為相關(guān)的節(jié)點匹配位置。搜索策略的應(yīng)用能夠較好解決三維數(shù)字圖像分辨率水平過低的問題，并可以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對自動化節(jié)點的按需分配。在已知三維數(shù)字圖像分辨率估計結(jié)果的基礎(chǔ)上，重建節(jié)點的迭代修正就是針對成像空間進(jìn)行連續(xù)性約束投影的處理過程[3]。因此，數(shù)字圖像重建節(jié)點迭代修正處理應(yīng)以構(gòu)造信息參考集為首要目標(biāo)，在后續(xù)處理過程中，可將已有先驗約束信息填充到原始參考集合中，從而完成對節(jié)點參量結(jié)果的修正與維護(hù)處理。設(shè)tmax代表最大的三維圖像信息搜索權(quán)限值，tmin代表最小的三維圖像信息搜索權(quán)限值，聯(lián)立式(1)，可將數(shù)字圖像重建節(jié)點的迭代修正結(jié)果表示為：

式中，λ為重建后數(shù)字圖像的三維區(qū)域劃分系數(shù)，f為基于視覺傳達(dá)的自動化節(jié)點分配條件，I1、I2為兩個不同的自動化節(jié)點位移矢量值，為I1與I2系數(shù)的均值結(jié)果。

1.3 時域松弛因子計算

三維數(shù)字圖像重建質(zhì)量受到視覺傳達(dá)節(jié)點運動估計誤差等多個物理條件的共同影響，其他因素諸如隨機(jī)噪聲值、圖像節(jié)點偏移等也會導(dǎo)致重建后圖像的質(zhì)量水平嚴(yán)重下降，因此僅參考重建節(jié)點的迭代修正結(jié)果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?；诖颂岢鰰r域松弛因子的計算思想，一般情況下，當(dāng)參考幀距離觀測幀較遠(yuǎn)時，重建后三維數(shù)字圖像的時域松弛因子數(shù)值相對較小，即參考幀與觀測幀的差異值水平較??；當(dāng)參考幀距離觀測幀較近時，重建后三維數(shù)字圖像的時域松弛因子數(shù)值相對較大，即參考幀與觀測幀的差異值水平較大[4]。相對于其他應(yīng)用思想而言，時域松弛因子可為三維數(shù)字圖像重建提供更多的參考幀信息參量，從而實現(xiàn)對自動化視覺傳達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化處理。設(shè)s1、s2分別代表兩個不同的參考幀定義項，聯(lián)立式(2)，可將時域松弛因子計算結(jié)果表示為：

其中，A代表參考幀節(jié)點與觀測幀節(jié)點間的距離系數(shù)，q0代表觀測幀節(jié)點定義項，代表基于觀測幀節(jié)點的三維圖像重建指征。

2 三維圖像自動化視覺傳達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化

按照數(shù)字圖像重建的三維去霧處理需求，按需連接紅外實感攝像頭、圖像傳感器與視覺傳達(dá)處理設(shè)備，實現(xiàn)三維圖像自動化視覺傳達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化。

2.1 紅外實感攝像頭

紅外實感攝像頭負(fù)責(zé)三維圖像的采集，可在同一時間點獲取多個連續(xù)的視覺影像，并可按照圖像中重建節(jié)點間色彩數(shù)據(jù)的配比關(guān)系，對原始數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行重建與融合處理。在原有的自動化視覺傳達(dá)系統(tǒng)中，深度攝像機(jī)只能采集到黑白或單色的圖像信息，且這些信息參量也只能短暫存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機(jī)之中[5]。為從根本上減輕數(shù)據(jù)庫主機(jī)的存儲壓力，自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)采用紅外實感攝像頭對三維圖像信息進(jìn)行采集，一方面可按照數(shù)據(jù)參量間的色彩配比關(guān)系，安排其重建處理行為的執(zhí)行方向，另一方面也可通過紅外測定的方式，判斷相關(guān)節(jié)點處的數(shù)字圖像分辨率水平，從而使得修正后的迭代系數(shù)能夠更好應(yīng)用于三維圖像節(jié)點重建的處理過程中。

圖1 紅外實感攝像頭示意圖

2.2 圖像傳感器

三維圖像傳感器可用于穩(wěn)定多個紅外實感攝像頭之間的物理連接關(guān)系，在進(jìn)行數(shù)字圖像的深度拍攝時，基礎(chǔ)傳感模塊與影像傳感器主機(jī)同步開啟連接狀態(tài)，可在維持三維數(shù)字圖像原始分辨率水平的同時，實現(xiàn)對自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的有效維護(hù)。三維傳感模塊能夠準(zhǔn)確記錄重建后圖像的時域松弛因子數(shù)值，并可遵照重建節(jié)點的迭代修正結(jié)果，探測現(xiàn)有處理圖像的平均分辨率水平。影像傳感器則具備較強(qiáng)的輔助執(zhí)行能力，可對紅外實感攝像頭所采集到的連續(xù)圖像信息進(jìn)行二次處理，并從中篩選、剔除非必要的顏色信息參量，從而使得重建后數(shù)字圖像具備更高的視覺傳達(dá)能力。

圖2 三維圖像傳感器示意圖

2.3 視覺傳達(dá)處理設(shè)備

視覺傳達(dá)處理設(shè)備作為數(shù)字圖像重建處理的關(guān)鍵執(zhí)行元件，可在紅外實感攝像頭、圖像傳感器兩類硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的支持下，對三維圖像節(jié)點的分辨率水平進(jìn)行檢測與跟蹤，從而使得系統(tǒng)顯示屏幕中圖像信息參量的存在形式得以豐富。傳統(tǒng)視覺傳達(dá)系統(tǒng)中只存在JPG一種格式的數(shù)字圖像，隨視覺傳達(dá)指令的不斷執(zhí)行，原圖像的分辨率水平會不斷下降，直至最終輸出圖像的清晰度受到嚴(yán)重影響[6]。新型自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)中增設(shè)了RCB格式的數(shù)字圖像，這種圖像信息在原始圖像的基礎(chǔ)上，針對三維節(jié)點分辨率水平較低的問題進(jìn)行改進(jìn)，不僅解決了紅外實感攝像頭在圖像信息采集過程中可能出現(xiàn)的物理晃動問題，也可實現(xiàn)對圖像信息文件的長期存儲。

表1 視覺傳達(dá)處理設(shè)備參數(shù)設(shè)定

3 系統(tǒng)實用能力測試

為驗證數(shù)字圖像重建三維圖像自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用可行性，設(shè)定如下測試環(huán)節(jié)，通過對比重建后圖像的平均分辨率水平，來判斷實驗組、對照組系統(tǒng)的實際應(yīng)用能力，其中實驗組主機(jī)平臺搭載基于數(shù)字圖像重建的三維圖像自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)，對照組主機(jī)平臺搭載傳統(tǒng)視覺傳達(dá)系統(tǒng)。

遵循三維數(shù)字圖像信息的提取結(jié)果，構(gòu)建如圖3所示重建測試平臺，以3D制作設(shè)備、影像編輯工具、專業(yè)引擎元件作為實驗基礎(chǔ)，在C語言開發(fā)軟件的支持下，采用多構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)對三維圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸處理，從而使其時效性及完整性得到有效保障。

圖3 影像重建測試平臺

表2記錄了重建后三維數(shù)字圖像的理想分辨率數(shù)值、實驗組分辨率數(shù)值及對照組分辨率數(shù)值。

表2 分辨率數(shù)值對比

理想情況下，重建后三維數(shù)值圖像的分辨率最小值為67.2dpi、最大值為67.5dpi，剩余記錄數(shù)值則始終在該物理區(qū)間內(nèi)來回波動變化。實驗組重建后三維數(shù)值圖像的分辨率最小值為57.6dpi、最大值為64.6dpi，與理想情況相比，其數(shù)值波動區(qū)間雖然明顯增大、平均數(shù)值水平也出現(xiàn)了下降，但其實際記錄數(shù)值已經(jīng)在不斷向著理想化數(shù)值結(jié)果靠近。對照組三維數(shù)值圖像的分辨率最小值為34.0dpi、最大值為35.2dpi，與理想情況相比，其數(shù)值波動區(qū)間雖然沒有明顯變化，但其均值水平卻出現(xiàn)了明顯下降的變化趨勢，也遠(yuǎn)不及實驗組的數(shù)值記錄結(jié)果。

QSI指標(biāo)能夠反映視覺傳達(dá)系統(tǒng)所具備的圖像去霧能力，通常情況下，QSI指標(biāo)數(shù)值越大，視覺傳達(dá)系統(tǒng)所具備的圖像去霧能力也就越強(qiáng)。下表記錄了實驗組、對照組QSI指標(biāo)數(shù)值的實際變化情況。

表3中，實驗組QSI指標(biāo)在前35min的實驗時間內(nèi)，一直維持不斷上升的數(shù)值變化趨勢，但中后期這種數(shù)值上升的變化幅度明顯減小，從第40min開始，實驗組QSI指標(biāo)的數(shù)值變化趨勢開始逐漸趨于穩(wěn)定。對照組QSI指標(biāo)在整個實驗過程中，始終保持不斷下降的數(shù)值變化趨勢，但實驗后期的下降幅度明顯小于實驗前期，全局最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了60.7%，與實驗組最大值88.3%相比，下降了27.6%。

表3 QSI指標(biāo)數(shù)值

總結(jié)上述所有數(shù)值記錄結(jié)果可知，應(yīng)用三維圖像自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)后，數(shù)值重建圖像的分辨率數(shù)值水平得到了有效保障，且QSI指標(biāo)數(shù)值也開始不斷提升，能夠較好地實現(xiàn)對待重建圖像的去霧化處理。

4 結(jié)語

三維圖像自動化視覺傳達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)在傳統(tǒng)視覺傳達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對重建后數(shù)字圖像的分辨率數(shù)值進(jìn)行初步估計，又聯(lián)合重建節(jié)點的迭代修正結(jié)果，對時域松弛因子進(jìn)行精準(zhǔn)計算。由于紅外實感攝像頭、圖像傳感器等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體元件的接入，視覺傳達(dá)處理設(shè)備可對各級數(shù)字圖像信息進(jìn)行同步處理與協(xié)調(diào)，一方面實現(xiàn)了對數(shù)字化圖像的重建與處理，另一方面也可滿足準(zhǔn)確監(jiān)測自動化節(jié)點處三維圖像分辨率水平的實際應(yīng)用需求。在三維重建思想的作用下，數(shù)字圖像的復(fù)原與修復(fù)成為了可能，不僅能夠彌補(bǔ)視覺傳達(dá)思想在應(yīng)用方面的不足之處，也可有效抑制圖像起霧行為的出現(xiàn)。