专利名称：一种三维物体的显示系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三维物体的显示系统，属于计算机图像、图形处理领域。
背景技术：
作为利用电子计算机向用户展现三维空间的技术，其向使用者提供了更加真实的立体感、空间感。相对于普通的二维展现技术，三维图像够向用户呈现三维空间的细节状况，不仅仅限于一个平面，而是在“四面八方”都提供了展示细节，使用户具有身临其境的感觉。具体而言，三维建模技术是在特定的视觉下展现的空间结构，能展示真实世界的全貌。 可以使读者能够动态地、全方位地、直观地观察整个真实世界。在最近的一些应用中，对于城市道路的考察和现实逐渐被大家所关注，一些用于呈现三维城市道路的系统相继被提出和实现，然而这些系统都是基于一些特定的应用环境而产生的，算法太过于复杂，实现过程也需要引入大量的计算资源。事实上，在一些应用要求不高的三维城市道路的显示中，完全可以忽略三维空间中的一些实体，例如在模拟驾驶时，仅仅需要关注道路的延伸方向、以及道路两边的房屋等建筑物，而可以不考虑居民小区内部的细节。此时仍然采用传统的方法来建立三维空间模型显得完全没有必要。
实用新型内容本实用新型致力于以一种简单的计算机系统来显示三维物体，应当理解，所述的系统可以是一个计算机，也可以是各种硬件、设备装置组合而成的具有相互协作能力的数据处理部件的统称，通过建立三维城市道路模型，并基于该三维城市道路模型来提供适合于一些应用要求较低的重点在于道路连通性的场景的应用。本实用新型提供一种三维物体的显示系统，包括一个照相机，该照相机的镜头是广角镜头或者鱼眼镜头，一个图像显示装置，一个轮廓线标注装置，其特征在于所述照相机所拍摄的二维俯视图输入到该轮廓线标注装置；所述轮廓线标注装置为具有图像处理功能的DSP芯片；所述图像显示装置，该显示装置包含图像显示卡，以及一个显示器。
图1是本实用新型的装置构成框图以及数据流向图；图2是本实用新型在二维俯视图上标注感兴趣对象的轮廓线的示意图；图3是本实用新型中在指定空间的划分网格后的底面示意图；图4是本实用新型道路边界标记为1的网格的示意图；图5是本实用新型中三维空间的顶面到底面的关于连通空间与非连通空间的俯视图；具体实施方式
结合上述附图，本部分内容进一步详细叙述本实用新型提供的三维物体的显示系统，如图1所示，该系统包括一个照相机，获取指定空间的二维俯视图；该照相机可以是标准镜头，也可以是广角镜头或者鱼眼镜头。在一个应用中，所述指定空间为城市空间，所述感兴趣对象为城市空间中的道路。在该应用中，首先对城市进行航拍，拍摄城市面貌的俯视图，优选地，以镜头方向与地面垂直的方向拍摄城市面貌的俯视图。现实中不可能在一张二维照片中照下整个城市的面貌的同时能够很好地呈现城市的道路的细节，因此需要在不同位置拍摄一定数量的照片，这个数量可能是一千张或者更多，拍摄的照片数量越多，则获取的细节也越多。可以根据对城市道路的在照片中所显示的精细程度来确定航拍的高度，例如，相机的分辨率为NXN像素，道路的最低宽度占m(m< η)像素，即意味着照片中一条道路的宽度至少要占据m个像素，如果低于这个值，则该道路无法辨认，很显然的例子是，在 1024X1024的图像中要辨认或者识别一条宽度仅仅为1个像素的道路是不可能的。在城市道路的宽度最低为a米，那么在NXN大小的图像中所呈现的实际范围不能超过aXN/m，照相机的广角为r，则拍摄高度为h = (a * N/m)/(2 * tan(r/2))0 一个示意性的例子，照片分辨率为IOMX IOM，最低可分辨的道路宽度为16像素，而要在三维道路中展示最低宽度为3米的道路，则该IOMX IOM大小的照片所呈现的实际范围不能够超过192X 192平方米，如果照相机广角为90°，则拍摄高度不能超过192/2 = 96米。该例子只是示意性的说明，用来说明航拍高度的范围，不构成对本实用新型保护范围的限定，其与实际应用当中的实际情况可能相距甚远。在城市上方的不同位置拍摄一定数量的俯视照片(也可以称为投影照片)，照片的数量视城市的规模而定，例如一张照片能够呈现1平方公里(1公里* 1公里)大小的区域，而城市大小为100公里* 100公里，则为了获得整个城市的俯视照片，所拍摄照片的数量不能少于1万张。而后将所获得的所有照片进行拼接、融合而得到一张整体的城市道路照片，显而易见的是，该照片的尺寸也远远大于单张照片的尺寸。沿用上面的例子，经过拼接和融合可以得到一张能够展示100公里* 100公里范围的照片。因为各照片中存在大量静态的特征区域，例如建筑物、道路等，可以采用本领域常用的一些算法，如基于特征(例如道路特征、 建筑物特征)的匹配、融合，其方法是在一幅照片中选取一些特征区域，而在其他的照片中查找到具有该特征区域的照片，进而将这两幅照片进行融合。在另一种可选的实施方式中， 可以人工选择两张具有相同地理特征的照片进行融合。对于广角或者鱼眼镜头而言，本系统进一步包括一个图像修正装置，用于消除广角镜头或者鱼眼镜头所获取的照片时所产生的畸变，照相机所拍摄的照片输入到图像修正装置，图像修正装置对所拍摄的照片进行畸变修正，应当能够理解，这个图像修正装置不是必需的。一个轮廓线标注装置，用于在二维俯视图上标注感兴趣对象的轮廓线，照相机所拍摄的二维俯视图或者经过图像修正装置的二维俯视图输入到该轮廓线标注装置，该轮廓线标注装置标注感兴趣对象的轮廓线。得到融合的能够呈现整个城市的俯视图像后，识别出俯视图像中的所有道路。一种实施方式是，在整个城市的俯视图像中标记出所有道路的轮廓线，轮廓线反映了道路的边界，每条道路的轮廓线由两条不相交的曲线组成，如图1所示，标记轮廓线时保持各轮廓线不互相阻断，这样标记出的轮廓线构成一个连通的区域，更形象地说，构成一个连通的网络状的道路图，如附图2中虚线部分表示的区域。另一种方式是采用模式识别算法来自动识别道路的轮廓线，可以基于道路的颜色来识别，因为道路通常都是灰色的，为了获得更好的效果，还可以进一步结合道路的形状特征来识别。建立城市空间的外包盒，该外包盒能够包纳整个城市空间，该外包盒优选为一长方体结构，其也可以为圆柱、菱柱等几何结构。以长方体结构为例，将城市空间的外包盒划分为多个立方体网格(以下简称网格)，如图3所示，附图3示出了城市空间的外包盒底面的网格划分情况，网格的数量可以视情况而定，网格的大小反映出在三维空间中最小的显示单位的大小，网格数量越多，则显示的细节越多；在更具体的实施方式中，每个立方体网格的边长为L，L小于等于阈值TH，阈值TH反映了对城市空间的外包盒的细分程度，当L大于该阈值时，一条道路的宽度可能只占据很少的网格数，此时将无法“清晰”地显示道路的细节。每个网格至少具有一属性，用于标记该网格是否为道路边界际记，该标记的默认值为0。将道路的轮廓线映射到城市空间的外包盒的底面上，设城市的俯视图像的尺寸为 (a，b)，而城市空间的外包盒的底面得尺寸为(x，y)，则建立线性函数Θ :(a,b)-> (x,y)； 使得a/x = tl，b/y = t2，tl和t2分别为横向和纵向的映射比例。在上述映射过程中，也将轮廓线映射到城市空间的外包盒的底面上，如果轮廓线落在某一网格中，则将该网格的道路边界标记设为1。映射完成后，将所有道路边界标记为1的网格连接起来，如此，可以在城市空间的外包盒的底面上也得到一个连通的道路区域，和一个非道路的连通区域(如图 c)。如图4所示，图中灰色方块表示底面上道路边界标记为1的网格。在另一个可选的实施方式中，在整个城市的俯视图像中剔除不感兴趣的区域。在三维道路中，不可能展示所有与实际情况一样的情景，比如在模拟驾驶中，只需要关注道路宽度大于3米或者5米的道路，这种情况下，小于这个宽度的道路就成为非感兴趣的对象了，即不需要将其作为实体对象呈现在三维道路图中。另外，一些大片的没有城市道路(虽然有道路，但是这些道路并不属于城市道路的范畴)的居民小区也属于不感兴趣的区域， 可以将其删除掉，以节省一些不必要的识别和绘制过程中的计算量。对上述城市空间的外包盒的底面上的轮廓线进行空间上的扩展，即从城市空间的外包盒的顶面向底面做投影，凡投影落在轮廓线上的所有网格的道路边界标记都标记为1， 附图5示出了所述城市空间的外包盒的顶面到底面的俯视图，如此可以获得一个在城市空间的外包盒空间中一个连通的道路空间(如图5中的“连通空间”)，和多个非道路的空间 (如图5中的“非连通空间1”、“非连通空间2”、“非连通空间3”、“非连通空间4”、“非连通空间5”)。一个三维空间数据库，用于保存基于所述感兴趣对象的轮廓线建立三维空间的数据，其可以采用常用的数据库系统来实现，例如Oracle，Mydatabase, sybase等。在城市空间的外包盒中，将城市空间的外包盒的非道路的空间上填充实体对象，这些实体对象可以是房屋等建筑物。为了简便，可以在数据库中预先定义一些最基本的实体结构，例如圆柱， 圆锥，三菱锥，长方体、立方体等，并在数据库中预先定义集中最基本的纹理图案，例如道路、房子、草坪等纹理图案，以在显示时为上述实体结构添加纹理。为了方便城市空间的外包盒中各实体、道路在数据库中的组织以及三维显示，定义以下城市空间的外包盒坐标系 城市空间的外包盒的底面中心为原点，底面为x-y平面，底面指向顶面的方向为ζ轴的直角坐标系，该坐标系中的最小单位为一个网格(虽然称作网格，但应当理解，在三维空间中， 该网格具有空间结构，例如一个立方体)的尺寸大小，上述圆柱，圆锥，三菱锥等实体结构可以由多个网格堆积而成，也就是说上述每一个实体结构实际上为一个网格的集合，因此， 在非道路的连通区域中设置实体结构时，实际上是在非道路的连通区域中设置能够呈现实体结构的网格集合。进一步为每个网格设置位置属性，用于表示该网格在城市空间的外包盒中的位置信息(例如坐标)。更进一步，为所述网格设置颜色信息，颜色信息包括透明色，以及其他的颜色，对于道路区域，将位于该道路区域的网格设置为透明色，而对于非道路区域，将其对应的网格设置为其他的颜色，例如黑色、蓝色等，每个网格可以具有不同的颜色，通过网格颜色的组合可以呈现出特定的图案。—个图像显示转置，用于利用所述三维空间数据库显示所述指定空间，本领域的技术人员可以理解，该显示装置应当包含图像显示卡，用于根据三维空间数据库中的数据计算生成诸如三维空间中的三角面片以及纹理数据，该显示装置还包括一个显示器，例如液晶显示器或CRT显示器，用于呈现三维物体。进一步，所述指定空间为城市空间，所述感兴趣对象为城市空间中的道路，在使用该系统时，首先对城市进行航拍，获取城市空间的不同区域的俯视图，对所述不同区域的俯视图进行拼接、融合而得到一张整体的城市空间的二维俯视图。更进一步，轮廓线标注装置用于在城市空间的二维俯视图中标记出所有道路的轮廓线，所述轮廓线反映了道路的边界，每条道路的轮廓线由两条不相交的曲线组成，构成一个连通的网络状的道路图。该轮廓线标注装置可以采用硬件电路来实现，例如目前常用的具有图像处理功能的DSP芯片，目前已经存在能够进行图像边缘检测功能的DSP协处理器， 当然，也可以将本领域常用的边缘检测算法移植到DSP芯片中，并作为一个嵌入式系统来作为本实用新型的轮廓线标注装置，另一方面，也可以通过人工与计算机交互的方式来进行轮廓线标注，用户可以通过鼠标、手写笔等工具在二维俯视图中标出所有道路的轮廓线。建立指定空间的外包盒，该外包盒能够包纳所述指定空间，将所述指定空间的外包盒划分为多个立方体网格，所述立方体网格是在三维空间中最小的显示单位，所述网格具有用于标记该网格是否为道路边界标记，该标记的默认值为0 ；将所述轮廓线映射到指定空间的外包盒的底面上，如果轮廓线落在所述底面的某一网格中，则将该网格的道路边界标记设为1 ；映射完成后，将所有道路边界标记为1的网格连接起来，在指定空间的外包盒的底面上也得到一个连通的道路区域，以及多个非连通区域；将指定空间的外包盒的底面上的轮廓线进行空间上的扩展，包括，从指定空间的外包盒的顶面向底面做投影，凡投影落在轮廓线上的所有网格的道路边界标记都标记为1，以获得一个在指定空间的外包盒中一个连通的道路空间，以及多个非连通空间。在城市空间的外包盒中，将城市空间的外包盒的非道路的空间上填充实体对象， 所述实体对象为网格的集合，所述网格进一步包括位置属性，用于表示该网格在城市空间的外包盒中的位置信息以及颜色属性，所述颜色属性包括透明色，以及其他的颜色，对于道路区域，将位于该道路区域的网格设置为透明色，而对于非道路区域，将其对应的网格设置为其他的颜色，例如黑色、蓝色等，每个网格可以具有不同的颜色，通过网格颜色的组合可以呈现出特定的图案。为上述所有的网格建立一网格信息数据库，即三维空间的数据，在该数据库中存储每个网格的道路边界标记、位置属性、颜色属性等。所述图像显示装置在显示时，首先呈现出城市空间的外包盒、然后通过查找网格信息数据库，将城市空间的外包盒中的每个设置上相应的属性，从而实现了城市道路的三维显示。上述三维显示技术不是本实用新型所要重点突出的，可以利用已知的0PENGL，VTK 等可视化显示工具来实现，也可以使用其他的三维软件来实现，例如3DmaX等等。上述实施方式仅仅是对本实用新型的宗旨进行了一个最基本的说明，对于一些高级的应用，本实用新型也是完全可以实现的。例如对于立交桥的展示，可以进一步设置底面投影方向上的网格的道路边界标记、颜色属性即可呈现出立交桥的空间示意。本实用新型提出的城市道路三维显示技术最大的特点是结构简单，计算简单，能够满足于较低层次的应用，例如对于城市道路的连通性的考察与展示。
权利要求1. 一种三维物体的显示系统，包括一个照相机，该照相机的镜头是广角镜头或者鱼眼镜头，一个图像显示装置，一个轮廓线标注装置，其特征在于所述照相机所拍摄的二维俯视图输入到该轮廓线标注装置；所述轮廓线标注装置为具有图像处理功能的DSP芯片；所述图像显示装置，该显示装置包含图像显示卡，以及一个显示器。
专利摘要本实用新型提供一种三维物体的显示系统，包括一个照相机，该照相机的镜头是广角镜头或者鱼眼镜头，一个图像显示装置，一个轮廓线标注装置，其特征在于所述照相机所拍摄的二维俯视图输入到该轮廓线标注装置；所述轮廓线标注装置为具有图像处理功能的DSP芯片；所述图像显示装置，该显示装置包含图像显示卡，以及一个显示器。该技术方案能适合于一些应用要求较低的重点在于道路连通性的场景的应用。
文档编号H04N13/00GK201936356SQ20102028246
公开日2011年8月17日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者袁定国, 金祎 申请人:北京联合大学