《测绘科学》一种基于地形轮廓匹配的地理数据AR可视化新方法.pdf

第 36卷第 1期 2011年 01月 测绘科学 Science of Surveying andM apping Vol 36No 1 Jan 作者简介 陈科 1984 男 江苏 省溧阳县人 工程师 研究生学历 研 究方向 GIS空间分析及可视化研究 E mai lchenkecke 收稿日期 2009 04 01 一种基于地形轮廓匹配的地理数据 AR可视化新方法 陈 科 尹 啸 陈 晨 杨忠祥 河海大学土木工程学院 南京 210098 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院测绘大队 昆明 650041 云南省旅游学校 昆明 650221 摘 要 地理数据的增强现实可视化技术 是地理信息科学可视化的一个重要的发展方向 作者针对结构特征 明显的区域 初探了增强现实技术在地学可视化领域的应用 首先 分别提取视频影像数据的可视轮廓和 DEM 地形数据的水平轮廓 将两种地形轮廓匹配 实现地理数据的地理坐标系与视频影像的图像坐标系之间的配准 最后模拟了地理数据基于视频影像的 AR 可视化效果 与传统地理数据的可视化方式相比 AR 可视化方式更简 单 更自然 更直观 真实感更强 关键词 增强现实 可视化 地理数据 轮廓匹配 中图分类号 P208 文献标识码 A 文章编号 1009 2307 2011 01 0119 03 1 引言 传统的 GIS可视化技术通常以地图为载体 使用二维 数据描述地理对象 即所有的对象都是通过二维坐标 x 和 y 或经纬度 来表示 在三维激光扫描仪等设备的高速发展 基础上 获取三维数据越来越便捷 G IS可视化的方式也从 传统的二维地图方式转向三维空间表达 1 随着处理三维 数据能力的不足日益显现 为了解决三维 G IS数据量的急 剧增加 空间关系的错综复杂 真实感实时可视化等问题 近年来 对现实世界的增强表示与延伸 增强现实技术 成 为研究热点 2 增强现实 Augmented Realty AR 可视化 技术可以将计算机生成的图形图像等虚拟信息叠加在真实 场景上 将虚实信息融为一体 使用户产生新的视觉感 受 3 AR技术以其对数据无需抽象 表达直观 效果逼真 等特性 在地理数据可视化方面极具优势 特别是基于 3DG IS数据的可视化已受到广泛的关注 4 5 实现虚拟信息与所要增强的真实环境全方位的对准 即虚实空间的配准是 AR 系统中最为关键的技术之一 6 一般分为两种方法 即基于硬件的注册方法和基于视觉的 注册方法 7 基于硬件的方法一般适用于户外 AR 系统 通过计算观察者的位置和方向等信息 保持虚拟空间与真 实空间的连续性 基于视觉的方法是通过一副或者多幅影 像确定环境中目标的相对位置和方向 通过位置推算 将 虚拟信息渲染到影像的准确位置 8 与基于硬件的方法相比 基于视觉的方法不仅设备简 单 成本低廉 而且影像中包含更多的信息 如角点 平 行线 纹理等 除了能获取跟踪定位的相机姿态外 同时 还可获取相机的方位元素 遮挡 光照等信息 9 基于视 觉的注册方法又分为有标识的 10 和无标识的 11 基于标 识的注册方法需要在环境中预先布设可视标识物 这在实 时的户外环境中难以满足 12 而无标识的跟踪技术取决于 环境中自然特征的检测 并且无需其他的实物标识 通过 将影像中检测的特征信息与数据库中的先验知识进行分析 对比 根据摄像机捕获的实时视频计算获取的视频影像与 真实世界坐标系之间的变换关系 从而实现虚拟对象与真 实世界的空间配准 最终准确地将虚拟对象增强到真实场 景中 13 作者针对户外山区地形环境 获取了地形数据和视频 数据 在观察点坐标已知的基础上 利用地形轮廓特征点 的匹配作为无标识注册的方法 实现了 GIS数据库中地理 坐标系与视频影像中图像坐标系之间的配准 探索基于 AR 技术的数据可视化方法 2 原理和方法 自然水平轮廓是地形和天空之间可视的界限 地形的 轮廓线是由满足曲面法线和视线矢量垂直的地形点组成的 从 DEM 栅格数据中计算轮廓线的方法是 在每一个地形点 pij处计算法线 n ij 和视线矢量 v ij 的数量积 并且测试它是否 为零 或者领域内的点是否有异号的 作为轮廓线的点 pij 它在视线矢量 v 方向的曲率必须是正值 这种方法可 以制作山区地形的所有轮廓 但是并不是所有的轮廓都是 可见的轮廓 在有遮挡 或者有观察角度的情况下必须考 虑能见度准则 将 360 方位角离散化 在方位角宽度为 的区域内找出最大仰角 最后得到二维点集 i i 这个 二维点集构成的散点图就是通过 DEM 栅格数据预测的地形 轮廓 这样就建立了地理坐标系和 DEM 预测轮廓之间的映 射关系 视频影像中的水平轮廓通常具有灰度变化很大的特性 这种边缘可以使用边缘探测器检测出来 水平方向的遮挡 是一个不可避免的问题 如果近距离的树木和建筑挡住水 平边缘 那么将无法检测出边缘 利用立体视觉或者其他 方法检测出景深能够分离前景和背景 但是 远距离的障 碍物还是难以分离 因此 最终提取的真正的边缘是影像 平面一系列分段连续的线段 对于一个地形结构较好的区域 通过结构特征将可视 的和预测的水平轮廓进行匹配 可以确定用户的位置和方 向 提供可视化的定位和导航 在地形结构良好的区域 利用 GPS获取观察者的定位信息 通过视频影像分析 将 影像中的提取的现实要素和模型或者数据库中的要数进行 匹配 实现从数据库到视频影像的映射 将地理数据通过 视频影像进行增强显示可视化显示 DEM 作为数据库的主 要数据 为可视化匹配提供诸如地形轮廓线 山峰最高点 以及其他显著的地形要素 处理流程如下 通过边缘检 测绘科学 第 36卷 测技术 从单个视频影像中提取地形的可视轮廓 基于 观察者 相机 的位置 从 DEM 高程信息中预测一个环绕观 察者一周 360 的水平轮廓 对提取的可视轮廓以及预测 图 1 影像可视轮廓和 DEM 水平轮廓的匹配 的 360 水平轮廓分别进行极 值分析 峰值和谷值 根据最佳匹配 结果 求算出 360 水平轮廓 坐标系到影像可视轮廓坐标 系的转换参数 结合 DEM 预测 地形水平轮廓 的准则 这样就建立了从 GIS数据库中的地理坐标到视频影像的图 像坐标之间的转换关系 实现地理数据的 AR可视化 3 试验分析 3 1 轮廓匹配和参数估计 对轮廓曲线的特征分析 可以提取轮廓曲线的特征点 本 文通过提取两种轮廓中的极值点 并根据极值点之间的相关 性 将 DEM 预测地形轮廓和影像水平轮廓进行匹配 表 1中 列出了利用三对控制点和三对检查点 将 散点坐标系转 换到图像坐标系的转换精度 结果表明 在横向具有 3 1个像 素的误差 而在纵向的误差则为 3 5个像素 在 5个像素内的 误差可以满足地理数据 AR可视化的应用要求 表 1 匹配结果 点号 x 真值 y 真值 x 计算 y 计算 x改正 y改正 控制点 1 659 55626632265 428 8 1 3 控制点 24365 35131021310 723 913 控制点 3 20013 09845668455 868 300 检查点 1 7565 91819621201 725 464 检查点 2 173 61 59410732111 127 14 5 检查点 3 224 63 474603064 025 54 4 误差3 13 5 3 2 AR可视化 图 2a显示了利用匹配结果 在实现 GIS数据库中地理 坐标系与视频影像中图像坐标系配准之后 地理数据点集 与图像像素点集的映射关系 图中黄色的三角点表示基于 观察点位置视野范围内可见的地理数据点集在地图中对应 位置 影像中的红色点表示与可视地理数据点集相对应的 影像像素 即在实地的位置 利用这一原理 模拟了三期 山区植被的变化数据 从图 2b中可以看出 传统的可视化 方式利用不同颜色和样式的点 线 面等注记符号表现地 理数据及其变化 而本文的增强现实可视化的技术 将同 样的地理数据在视频影像上表达 不仅无需对数据进行符 号化等抽象处理 而且表达方式更简单 更直观 更接近 于真实场景 图 2 地理数据的 AR可视化 3 3 进一步研究 基于 AR 技术和视频影像针对地理数据可视化的方法 本文研究了视频影像轮廓和 DEM 水平轮廓相匹配的方法 模拟变化地理数据的 AR 可视化方法 本文所采用的方法 目前并不能实现在视频采集过程中实时处理 但是它能对 同一帧影像模拟多期数据实现动态可视化的效果 也可以 对多帧影像数据进行模拟试验实现场景的全景浏览以及动 态变化 本文的方法基于地形结构特征明显的特殊情况 因此 在平坦地区 无结构的地形 或者近距离的环境以及遇到 较大范围遮挡情况下 单纯的依靠地形结构特征显然是不 充分的 这时可以借助其他数据模型或者添加人工标识点 另外 为了满足在户外移动环境中提供实时的 GIS服务 基于 AR 技术的 GIS可视化理论和方法还有待发展 4 结束语 地理数据的 AR 可视化技术 是地理信息科学可视化 的一个重要的发展方向 本文基于视频影像数据和 DEM 地 形数据 通过提取影像的可视轮廓和 DEM 的水平轮廓 利 用极值点相关性实现轮廓的匹配 进而实现 GIS数据库中 地理坐标与视频影像中图像坐标的配准 初步探索了地理 数据的 AR 可视化方法 本文的 AR可视化方法 打破了传 统的地理数据表现形式 是对传统地图制图和地图显示以 及数据可视化技术的扩展 相信在不久的将来 AR 技术会 在地理数据可视化领域广泛应用 使得地理数据的表达和 人机交互更加直观 自然和有效 参考文献 1 李德仁 关于地理信息理论的若干思考 J 武汉 测绘科技大学学报 1997 22 2 93 95 2 朱庆 林辉 数码城市地理信息系统 M 武汉 武汉大学出版社 2004 3 AzumaR T A Survey ofAugmentedReality J Teleo perators and V irtualEnvironments 1997 6 4 4 Hedley N R BillinghurstM Postner L et al Explora tions in the use of augmented reality for geographic visu alization J Teleoperators and V irtualEnvironments 2002 11 2 119 133 5 Hedley N R BillinghurstM Postner L et al Explora tions in the use of augmented reality for geographic visu alization J Teleoperators and V irtualEnvironments 2002 11 2 119 133 6 A zuma R Baillot Y Behringer R et al Recent Ad vances in Aug mented Reality J I EEE Co mputer G raphics andApplications 2001 21 6 34 47 7 YuanM L Ong S K NeeA Y C A generalized registra tionmethod for augmented reality syste ms J Co m putersthen rainfallmode l drainage mode l water catchmentmodelwere established by means of numericalcalculationmethod finally water depth and area of the lo w land was predicted Chongqing urban data was used to verify the effectiveness of themode l and ithas been applied in Chongqing Emergen cy Platfor m K ey words emergent flood prevention lo w land waterlogging forecast Chongqing WANG Bin YUAN Chao QU X iao wen Chongqing Geo matics Center Chongqing 401121 China 上接第 120页 12 Behringer R I mproving Registration Precision Through V isualHorizon Silhouette M atching C In 1st Int l W orksho Pon Augmented Reality San Francisco Ca Nov 1998 225 232 13 Behringer R Registration forOutdoorAugmentedReality Applications using ComputerV ision Techniques andHy brid Sensors J In Proceedings IEEE V irtual Real ity LosA lamitos Calif 1999 244 251 AR visualization of geospatialdata based on silhouette m atching Abstract Augmented reality AR visualization ofgeospatial data can be seen as an i mportant research field in geospatialvisual ization Based on awell structured terrain the author discussed the application ofAR technology inG IS and extended the boundary of geospatial visualization F irstly syste m extracted visual silhouette from video i mage by using edge detected techniques and computed horizon silhouette fro m DEM based on the kno wn location of the ca mera Then the transfor