三维光学测试系统应用技术研究

中央电视台　昌力　电视虚拟系统是计算机图形学、传感技术、人工智能　等多种技术交叉集成的综合产物。它可以将计算机制作的　虚拟三维场景与电视摄像机现场拍摄的活动图像进行数字　化的实时合成．在摄像机景别变化的同时保持虚拟三维场　景的同步变化．从而实现二者天衣无缝地融合。目前　虚　拟技术主要以虚拟演播室和虚拟植入两种方式应用于电视　节目的制作过程中。虚拟演播室是在传统色键抠像演播室　上派生出来的一种技术　而虚拟植入技术目前也越来越广　泛地应用于体育赛事转播、大型综艺晚会的制作中。通过　设计师的创作　虚拟物件或场景能够对传统舞美、灯光　道具、大屏幕进行补充甚至是替代虚拟画面丰富着媒体　舞台．已经成为电视节目制作过程中锦上添花的重要部分。　在虚拟演播室和虚拟植八技术系统中，如何让虚拟的　场景或动画与拍摄的摄像机实际画面进行精准定位：如何　在镜头推拉摇移的过程中始终保持同步是问题的关键．　只　有在实施环境下确保虚拟元素与摄像机的完全匹配　才能　使虚实间具有良好的运动透视关系．达到虚拟场景的完美　融合、　传统的图像跟踪技术包括网格跟踪、红外跟踪及机械　跟踪三种　通过这三种方式可以将摄像机的运动变化转换　成数据参数．生成跟踪信息．使虚拟元素与摄像机的运动　保持同步。　网格跟踪定位技术是应用于虚拟演播室的常用技术．　它可将画面背景与虚拟场景相匹配．使实际拍摄的物体或　人物“放置”于虚拟空间上。它需要在蓝背景板上绘制有　一定识别特征的深蓝色格子．进行匹配识别并由此获知摄　像机的推拉及方向变化。因为蓝板上蓝格子的排列及大小　是有一定特征变化，计算机可以根据摄像机拍摄的图案判　断出摄像机拍摄的是蓝格子的哪一部分　从而知道摄像机　的拍摄角度和镜头的推拉程度。　

现代电视枝术１３２　２【】１　７．８　

红外传感方式是通过在摄像机上安装的红外发射器　并在演播室各个点安装多个红外接收器．利用红外线测距　原理．通过在演播室设置参考点确立坐标系．进而确定摄　像机的位置．获得机位运动参数。此外，还可以在表演者身　上安装红外发射器．前景人物就可以处于虚拟场景的任何　位置，可以走到虚拟物体之前、后．甚至是虚拟物体之中。　纺血办跟踪定　方式在瘗　演播室的应用　机械跟踪定位技术是　指在摄像机的横摇　俯仰、　变焦、聚焦、光圈的机械　转动位置安装咬合齿轮。　当摄像机机头运动时．各　个传感器可以检测到齿轮　的旋转角度变化．并对变　化量进行编码。编码数据　通过ＲＳ２３２或ＲＳ４２２接　口传送到虚拟工作站。虚　拟工作站根据演播室摄像　机的机位．将画面与虚拟　笳扰黼艉踪　方式　物体相叠加．从而做出虚拟效果。对于摄像机机身有运动　的情况．可以在云台下安装滑轨．通过机械传感器测得摄　像机云台的移动和旋转变化。这种技术对于传感器的精度　要求是比较高的。　在实际使用中．不同的摄像机定位技术各有其优缺点。　网格跟踪技术的优势是定位速度快．摄像机可以任意移动。　这种定位方式的缺点是要求摄像机的图像中需包含一定数　量的网格信息．不能实现３６０度无限拍摄和近景特写拍摄。　机械传感器方式可以实现全景无限跟踪拍摄和近景特写镜　１３３　技木与艺术　头拍摄　但定位过程复杂，且可移动机位类型较少．更多　的是做固定机位的推拉摇移。而红外摄像头拍摄方式中的　红外接收技术易受演播室内热光源干扰，稳定性较差。且　红外摄像机与接收器之间不能有遮挡．对道具放置要求比　较苛刻。所以在实际使用过程中．有人选择了传感器和网　格结合的跟踪定位方式．或者把网格跟踪技术与红外线定　位技术相结合。但技术结合的方式仅能解决部分问题．却　无法从根本上得到改善．且无形中增加了使用成本。　光学跟踪技术是有别于传统定位跟踪技术的另一种全　新方法，它根据光学感应，基于视差原理．利用跟踪摄像　机获取黑白图像．通过计算拍摄图像和跟踪摄像机图像对　应点间的位置偏差．计算出这个点在相机坐标系下的三维　坐标。当跟踪摄像机和主摄像机同时拍摄同一个测试图时．　通过分析比对它们得到的图像．系统能够精确算出跟踪摄　像机是如何装在主摄像机上的　从而得到主摄像机的位　置．把跟踪数据实时传给渲染服务器完成合成工作。　光学跟踪系统组件简单．一般由跟踪摄像机，连接器、　镜头编码器、接线盒和服务器五部分组成。跟踪摄像机根　据不同厂家配置，一般为一个或两个广角黑白摄像机．视　场角大约为１４０度．这样可以看到尽可能多的现场环境用　以跟踪。每个摄像机都有一个可调的光圈．使摄像机可以　用于各种不同的照明状态。连接器起到跟踪摄像机和拍摄　用摄像机的连接作用．有的厂家使用脚架托板进行连接，　有的厂家是在拍摄摄像机的上端连接跟踪摄像机。镜头编　码器采用２０芯ｈｉｒｏｓｅ（广濑电机）接头．连接镜头的“Ｖｉｒｔｕａｌ／　

基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究

基于结构光的三维形貌视觉测量方法是一种非接触的三维测量方法。其基本测量原理是采用计算机生成一定的结构光图案,用投影仪投射到被测物体表面,物体将对投射的结构光图案产生相位调制,表现为具有一定程度变形的结构光图案。单目系统中利用相移法、傅里叶变换法解调出包裹相位,并进行相位展开,根据系统模型中的相位-高度关系式得到物体的三维坐标。双目系统中,使用格雷码编码结构光图案,完成双目系统的立体匹配,再根据三角法求解得到物体的三维坐标。

本文以结构光为基础,主要研究了单目系统和双目系统相关的三维重建方法,并将重建方法应用到实际物体的测量,主要内容如下:(1)研究了单目系统中的三维重建的方法,指出单目系统三维测量的关键步骤:系统标定和相位展开。在相机-投影仪系统中,建立严格的数学模型并求解相关的参数,以较高精度实现了单目系统三维形貌的恢复。在相位展开方面,采用改进算法能够准确的求解相位主值和进行相位展开,提高了三维形貌恢复的速度和精度。(2)研究了双目系统中三维重建的方法,针对传统的立体匹配方法匹配点数不多的问题,本文采用了格雷码编码结构光图案的方法,使得投影出的结构光图案中每个像素点都拥有唯一码值与其对应,明显提高了双目立体匹配的精度以及点数稠密度。

在三维计算方面,采用基于公垂线的解法合理处理理论与实际的误差,取得很好的效果。(3)在单目系统中摄像机-投影仪系统的标定与在双目系统中相机的标定决定了三维测量的精度。本文采用Bouguet的摄像机标定工具箱,实现了对摄像机较高精度的标定。经过研究,指出投影仪可以看作是逆向的摄像机,采用基于平面的标定方法可以实现对投影仪的较高精度标定。

(4)针对静态目标的高精度测量问题,本文搭建了双目结构光的三维形貌测量系统。采用python-opencv进行编码,利用格雷码编码的方法对静态目标投影42幅编码图案进行重建,建立了一套完整的双目编码结构光的测量系统,静态物体测量精度达到0.2mm,并完成软件实现。

８　河南电力　２０１３年第４期　

三维地理信息系统在电力系统应用中的关键技术研究　

吴晓辉．王瑞来　

（河南省电力勘测设计院，河南郑州４５０００７）　

摘要：针对三维地理信息系统在电力行业应用中的关键问题．进行了梳理和归纳，并详细阐述了问题的核及相应　解决方案．为后续电力行业应用地理信息系统解决实际问题提供借鉴与参考。　关键词：三维数字化地理信息系统电力设施　中图分类号：ＴＭ７２６　文献标识码：Ｂ　文章编号：Ｘ（２０１３）０４—００８—０３　

Ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　

Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　

Ｗｕ　Ｘｉａｏ—ｈｕｉ，Ｗａｎｇ　Ｒｕｉ—ｌａｉ　（Ｈｅｎａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｃｏｍｂｅｄ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅｍ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｄｉｇｉｔａｌ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　

２０１０年第５期　计算机与现代化　ＪＩＳＵＡＮＪＩ　ＹＵ　ＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ　总第１７７期　

文章编号：１００６－２４７５（２０１０）０５４３０８３－０６　

电力信息系统中三维ＧＩＳ关键技术的应用研究　

魏祖宽　，蒋楠　，金在弘　

（１．电子科技大学计算机科学与工程学院，四川成都６１１７３１；２．永同大学校计算机工学科，韩国永同３７０７０１）　

摘要：随着ＧＩＳ技术的发展和电力信息系统管理需求的不断提高，针对现有二维ｃＩＳ在电力信息系统应用中的局限，探　讨了三维ＧＩＳ在电力信息系统中的应用，重点讨论了数据组织和空间索引、多源数据的集成与管理、海量三维数据处理　技术、组件技术和ｃＩＳ与ＭＩＳ的集成开发等关键技术，最后通过对基于卫星三维影像的输电线路综合信息管理系统的应　用实例进行分析，得出将电力信息系统与三维ＧＩＳ结合起来，同时综合管理电力信息系统中涉及到的各种地理数据和属　性数据，可实现电力信息系统的可视化与自动化。　关键词：电力信息系统；三维数据；三维ＧＩＳ；可视化技术；组件技术　中图分类号：哪ｌ１　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－２４７５．２０１０．０５．０２５　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ＧＩＳ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＷＥＩ　Ｚｕ．ｋｕａｎ　，ＪＩＡＮＧ　Ｎａｎ　，ＫＩＭ　Ｊａｅ—ｈｏｎｇ２　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ＣｃＩｌＩ】　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＥｒｌｇｉＩｌｅｅＩｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｌＬ￣ｌｏｇｙ　０ｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｑ唧　６１１７３１，（］ａｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙｏｕｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｏｕｎｇｄｏｎｇ　３７０７０１，Ｋｏｒｅａ）