1、 1 本科毕业论文 (科研训练、毕业设计 ) 题 目： 三维全景图在配电站中的应用 姓 名： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称： 指导教师（校外）： 职称： 年 月 2 摘 要 目前， 电力系统中普遍 采用地理信息系统（ GIS）实现基于 Internet 和计算机系统的信息联网，进行配网监控及自动化。其中，基于安全可靠性考虑，对配电站进行计算机监控管理尤为重要 。 本文 以一个 三维全景图 模拟 配电站 内部环境为 实例 ,对 基于 全景 图的 虚拟现实系统 的特点及理论 基础 进行了简要介绍， 主要介绍了柱面全景图的投影和反投影
2、算法，并在此基础上对柱面全景图的实现原理和关键技术进行讨论 ,最后给出了实例运行的界面及结果 ,浏览者可在这个虚拟实景空间中进行前进、后退、环视、仰视、俯视等漫游 。 由于 Java 语言具有平台无关性和良好的网络功能，所以采用 Java Applet 来描述其实现 。 关键词 ： 全景图 ；柱面投影；虚拟现实 ； Java Applet 3 Abstract Nowadays , the GIS(Geography information system) based on the Internet and computer system is widely used in the elect
3、ric system in order to minor and automatize the system. Also, we administer the electric system to keep safety and reliability. In this essay, we take an example for a 3D panorama diagram to simulate the virtual realistic and introduce some conception of the panorama diagram. Whats more, what this t
4、ext introduced to is the arithmetic of cylindrical projection and the born process of a simple 360 degrees panorama diagram. At last, we analyze the interface and the result of it. Browse can carry on the headway, retreat, look around, look upwards, look down etc. to travel extensively in this virtu
5、al solid view space. Because Java is a language which is independent of the platform and has a good capability of network function, the example is described in the Java Applet. Key word: panorama diagram; cylindrical projection; virtual realistic picture; Java Applet. 4 目录 第一章 全景图的基本概念 . 5 1 1 配电站虚拟
6、现实系统 . 5 1 2 三维全景图的基本思想 . 5 1 3 与传统的虚拟现实环境的比较 . 5 1 4 全景图生成的基本过程 . 6 1 5 三种全景图像的比较 . 6 1 6 本文的主要工作 . 7 第二章 360 度柱面全景图的正投影和反投影 . 8 2.1 柱面正投影算法 . 8 2.2 柱面反投影算法 .11 第三章 以 Java Applet 实现全景图模 拟配电站 . 12 3 1 全景浏览器的 JAVA 实现 . 12 3 2 线程同步 . 14 3 3 交互式全景图浏览器的设计 . 15 3 2 1 图片的移动 . 16 3 2 2 全景显示的图像下载方式 . 17 3 2
7、 3 图像的移动和放大缩小 . 18 3 2 4 显示区域的固定 . 19 第四章 系统运行结果分析 . 20 4 1 系统具体功能 . 20 4 2 实验结果分析 . 22 4 3 Java Applet 与其它软件制作全景图的比较 . 23 4 4 一些改进 . 23 第五章 总结 . 24 致谢 . 25 参考文献 . 26 附 录 . 27 5 第 一章 全景图的基本概念 1 1 配电站虚拟现实系统 由于 电力资源的需求和电力供应可靠性的要求迅速增加，城市配电网现代化日益显得重要。 目前，采用地理信息系统（ GIS）实现基于 Internet 和计算机系统的信息联网，进行配网监控及自动
8、化。其中，基于安全可靠性考虑，对配电站进行计算机监控管理尤为重要。 在本文中将分析一个全景图模拟配电站虚拟现实系统实例。 1 2 三维全景图的基本思想 全景显示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 ， 它给人们带来全新 的 真实现场感和 交互的感受。它是一种基于静态图像的虚拟现实技术，实现简单，数据量少，是适合于当前网络带宽的虚拟现实技术之一。 全景图是基于图像的水平 360 度及上下文空间的图形组织环境，它是一种全新的图像信息组织模式，可以表达完整的周围环境信息，相当于观察者从一个固定视点向四周转一圈所能看到的景象。 全景图是虚拟现实和计算机视觉中一种重要的场景表示方法 。
9、 全景虚拟现实系统支持用户在全景空间中前进后退， 360 度环视，远看，近看等操作。由于全景系统对浏览全景空间的计算机硬件要求低，无需特殊视觉生成设备，场景真实，制作周期短，目前很 多虚拟现实系统都通过全景系统开发。 1 3 与传统的虚拟现实环境的比较 传统的虚拟现实环境是通过计算机图形学的方法构造的。 它 首先对真实世界进行抽象，从而建立 3D 几何模型，一般用多边形表示。在给定观察点和观察方向后，利用计算机实现多边形绘制、着色、消隐、光照以及投影等一系列过程，产生虚拟场景。这种方法有许多不足： （ 1）需手工创建几何模型，投入的人力物力大。 6 （ 2）绘制速度与场景复杂度和绘制品质成反比
10、，实时性要求通常将限制场景复杂度和绘制品质。 （ 3）通常需专用 3D引擎，昂贵的设备限制了虚拟现实系统的普及。 为此，近年来国际上开始流行基于图像绘制（ IBR）来构造虚拟空间。虚拟实景空间就是采用这种思路构建的虚拟空间，它利用照相机采集的离散图像或摄像机采集的连续视频作为基础数据，经过图像处理生成全景图像并对其进行空间关联，从而建立起具有空间操纵能力的虚拟环境。虚拟实景空间的好处在于其无需复杂地建模过程，绘制速度与场景的复杂度无关，而且对设备的要求低，普通PC机就可满足要求，这样虚拟现实系统的用户和应用范围就得到了很好的扩展。 1 4 全景图生成的基本过程 全景图 生成 的基本 过程是 :
11、将反映各自投影平面的相互重叠图 像映射到简单的几何体表面上，如球面、立方体表面或圆柱面，使得平面图像具有深度感，然后对投影图像进行无缝拼接，就可得到没有图像畸变的全景图像。当用户观察某一图像空间时，要将全景图像中相应部分反投影到观察平面上，给用户产生 正确的观察结果。全景图像为用户提供了极大的观察自由度，使之可以任意地改变观察方向。 1 5 三种全景图像的比较 根据所映射的几何体，全景图 像 可以分为球面全景图 像 、立方体全景图 像 和360 度圆柱面全景图 像 。 球面和立方体表面全景图能够完整地反映整个视 点空间，但 在局部图像的合成算法方面以及全景图 像到观察平面的投影算法方面难度较大
12、，造成处理时间过多 。 360 度圆柱面全景图虽然只能反映视点前后左右的空间信息，而不能反映上下的情况。但在绝大多数时候并不需要所有的信息 (例如地面和天空 )。 同时， 柱面全景图像在 上述 两方面的算法要相对简单，在反投影过程中易于达到实时要求。因此，在虚拟实景空间中， 360 度柱面全景图像成为最常用的基本实景 单元。 7 1 6 本文的主要工作 本文主要介绍 了 柱面全景图的投影和反投影算法，并在此基础上对柱面全景图的实现原理和关键技术进行讨论，最后引入一个三维全景图应用于配电站方面的实例。由 于 Java 语言具有平台无关性和良好的网络功能，所以采用 Java 语言来描述其实现。 8
13、 第二章 360 度柱面全景图的正投影和反投影 360 度柱面全景图像的制作分为三步 :一是进行局部图像的柱面投影，二是基于两重叠投影图像的像素相关性进行匹配以确定重叠范围，三是无缝拼接。 2.1 柱面 正 投影算法 柱面投影就是将图像投影到柱面上，它是一种透视投影而非平行投影，通俗的讲就是要获得从投影中心 (视点 )这一点上观察图像在柱面上的成像。我们假定，所有的照相机运动都发生在水平 面 (与柱面的中轴线垂直的平面 )，而且图像中心点就是光轴与图像平面的交点。如图 1，待投影的图像 I(ABCD)、投影柱面图像 J(ABCD)和柱面 K，观察点 (投影中心 )O。现在是要得到在 O 点观察
14、图像I在柱面 K 上的投影影像 J。设柱面半径 r，投影宽度角为，图像宽度为 W，高度为 H。我们很容易得到柱面图像的宽度为 r* /2,高度仍为 H。图像的像素坐标以像素在图像上的位置定义，最左上角像素为原点。 设 O点所在的水平面为平面 O , ABCD 面上任一点 P 与点 O的连线与柱面交于点 P,P 与 P在在平面 O 上的投影为点 Q与 Q。它们的坐标为 P (x ,y),P(x，y),Q(x， 2/H),Q (x， H/2) 。 注 :这里的坐标点是以各自所在的图像的坐标为坐标的，即，图像 ABCD 以 A为原点 . 为 x轴正方向。 为 y轴正方向建立坐标系，图像 ABCD以
15、A为原点 为 x轴正向 , 为 y轴正方向建立坐标系 (图像 ABCD是把弯曲的投影图像展平后的图像 )。 9 图 1 柱面投影 由图 1-3可得： .2222Wx r xWx r x (1) 其中 , 是 P点到 Y 轴 的垂线与 z 轴的夹角，它可由下式决定 : ()2ta n2()2ta n2Wx WxrWx Wxr (2) (2)式 化简后得到 : 10 2a r c ta n22a r c ta n2Wx WxrWx Wxr (3) 同样 的， 见图 1-4,因为 而 : 22ta n22ta n2HHyy HykkHy Hyk (4) 所以 , 综 合 以 上 , 我 们 就 得 到 了 柱 面 投 影 的 变 换 公 式(5)
