船舶操纵模拟器中IBR技术的研讨.pdfVIP

200.年 工程 图学学报 增刊 JOURNALOFENGNIEERINGGRAPHICS 船舶操纵模拟器中!BR技术的研究 大连海辜大学航海科学技术研究所 兰培真 金一771刘 丹 摘 要 本文针对大型船舶操纵模拟器视景的特点，提出单视点与多视x半全景空间 的概念，以及单视点与多视点半全景图像的拼接原理，为船舶操纵模拟器视景中MR技 术的研究提出了理论依据.其中视点垂直平分面最深景物线的多视点图像拼接算法，为多 视点全景图像的获取和基于几何绘制方法的实景纹理图像的拼接提出了一种快速、实用的 多视点图像拼接方法. 关健词 船舶操纵模拟器，丰全景图像，柱面投影，多视点图像矿 0引言 船舶操纵模拟器是一个虚拟的海上航行环境，是为满足人员训练、系统分析、科学 研究、工程设计和海事分析等目的而设计研制的可供船舶操纵的设施，它能模仿不同海况、 天气和能见度条件，可根据不同种类、不同吨位实船的运动数学模型，进行船舶避让、靠 泊/离泊、进港/出港等的船舶操纵模拟，其随风波浪起伏的运动海面、随波浪与视景共 同摇晃的三维船头和按真实物体建模的三维视景，为操作者提供了具有一定真实感和沉浸 感的海上虚拟训练环境。在船舶操纵模拟器的研制中，视景图像绘制的真实感与实时性一 直是一对难以解决的矛盾。船舶操纵模拟器要求能随船舶航向和位置的变化实时生成相应 的海上图形画面，其中动态特性和交互延迟特性是衡量操作者沉浸于虚拟海上航行环境的 效果和程度的两个重要指标，自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图像画面，至少 不能少于10帧Ell，否则将会产生严重的不连续和跳动感。交互延迟的时间不应大于。.t 秒，最多不能大于 1/4S[l]，否则，严重影响 “现实”的效果。这两个指标均依翰于系统 生成图形的速度，由于交互延迟除包含对于船舶操纵交互动作及其处理时间外，图形生成 速度亦是重要因素。因此真实感图形的生成速度是虚拟海上航行环境的关键技术。目前大 连海事大学研制成功的大型船舶操纵模拟器，采用传统的基于几何的绘制方法，生成图形 的画面更新速率可达到24帧/S。但在背景复杂的港口、狭水道等场景，要进一步提高视 景的真实感，势必影响图像绘制的实时性，降低画面的更新速率，为此有必要寻求一种在 现有硬件条件下能更有效的视景绘制方法。 传统的几何绘制方法首先要建立场景的三维几何模型，然后对场景物体表面的材料、 光照、纹理等进行描述。这样的处理过程非常耗时，往往需要很昂贵的硬件支持，并且还 要在场景的复杂度和图形的真实感两者之间进行折中。 工程 图学学报 基于图像的绘制方法 IBR(工二ge-BasedRendering)是虚拟现实应用中一项引人注 目的新技术，它摒弃传统的三维建模生成虚拟场景的方法，通过对一组预先采集到的场景 图像 计〔算机生成或照相机拍摄拼接得到)进行适当的组合来完成虚拟场景的图像绘制工 作。由于避开了复杂场景的几何建模与绘制，可直接利用照相机拍摄得到的实景图像(Real WorldImage)通过适当组合来产生场景的新视图，而且交互显示的开销与场景的复杂度 无关，只与分辨率有关，因此，该方法具有快速、简单、逼真的优点。 针对船舶操纵模拟器视景的特点，可考虑采用几何绘制与基于图像的绘制相结合的 方法来完成场景的图像绘制工作。船舶操纵模拟器模拟的是船舶在海上沿航道航行，其视 景分为三部分:天空、陆地和大海，视景的主要绘制工作放在陆地部分。由于船舶在海上 航行，对陆上景物的观察均保持一定的距离，一般除码头外不可能太接近，因此，除码头 及其重要的设施、近岸的重要物标、助航设施和岛屿等景物需采用三维几何模型建立外， 大部分的背景均可采用基于几何与基于图像相结合的绘制方法进行绘制。当然，具体实现 时可根据不同航区的视景情况，采用基于几何模型的绘制方法、基于图像的绘制方法和基 于几何与图像相结合的绘制方法分别予以绘制。本文针对船舶操纵模拟器视景的特点，提 出单视点与多视点半全景空间的概念，以及单视点与多视点半全景图像的获取，为船舶操 纵模拟器视景绘制中实现基于图像的绘制方法提出理论依据。 I半全景空间的概念 书.1全景空间 观察者的位置不变，沿任意观察方向上所观察到的场景称为全局场景，能反应全局 场景的图像称为全景图像 ((PanoramicImage)。若观察者的位置不变，把他可以观察到的 某一时刻的空间看作一个球体，观察