想象作文-时代语录

第１８卷一
２００８年ｌＯ月
计算机技术与发展
ＯＤＭＰＬＹｌＥＲ< br>ＴＥＣＨＮＯＬ（Ｘ；ＹＡＮＤ
ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ
Ｖ０１．１８
Ｏｃｔ． ２００８
基于嵌入式系统的三维照相机
邓维科，余先川，王瑜，赵岩
（北京师范大学信 息科学与技术学院，北京１００８７５）
擒要：文中在研究嵌入式系统。单片机系统以及二维图像处理的 基础上，讨论了三维图像采集系统的构建，并在嵌入式
微处理系统云台上对实时拍摄的大量二维图像数据 进行三维重构。提出萋于二维图像的定标算法，实现标志点的自动识
别和匹配，并根据标志点进行图像整 合，从而得到三维效果，并应甩ＯｐｅｎＧＬ构建具有人机交互的可视化界面，展现物体的
真实三雄图像 。将嵌入式系统，单片机以及三维图像处理有效结合，充分发挥单片机系统简单便携，嵌入式系统制作精
巧、功能强大、计算速度快的优点，并成功实现无需人为采集、无需手动变焦、无需ＰＣ机处理的三维全息照相。
关键词：三维照相；嵌入式系统；三维重构
中圈分类号：ＴＰ３９文献标识码：Ａ文章编号：１ ６７３—６２９Ｘ（２００８）０００５一０５
３Ｄ
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ｓｙｓｔｅｍ
ｓｉｍｐｌｅ
本系统以嵌入式系统为计算 平台，结合附加硬件
实现三维照相技术，并采用ＯｐｅｎＧＬ技术实现三维重
构算法的可视化实 现。
照相技术是世界领先科技之一。
传统的立体照相机从观察效果出发，采用多镜头
成 像技术，一次拍摄不同视角的多幅照片，而相纸上叠
有细小的柱面镜，将这几幅图像从不同角度印在相纸
上…。从而让人在视觉上产生凹凸。因而这种三维照
相机需要许多独立摄像头进行拍摄。如美国 斯坦福大
学研究人员最新设计的高清晰三维相机，进行人的面
部拍摄，使用了１２６１６个微型 镜头。仅仅从一个方向
拍摄就已然是一笔不小的成本了。如果想获得一个物
体的全息照相时，摄 像头的数量将相当庞大。因此迫
切需要一种三维相机，能够在摄像头有限的情况下，获
得物体的 全息图像数据，并能够使其转为可视化。文
中将讨论的理想三维照相机刚好满足了这种需要。
ｌ 三维照相
世界是立体的，真实的物体是三维组成的，但现在
绝大多数电子、光学照相机只能摄取 二维平面图像，这
种局限性使人们不能感知立体世界的复杂。三维立体
照相技术与当前普通的数 码照相根本的区别在于普通
的数码照相形成的是二维平面图象，而三维立体照相
技术形成的是真 实的三维立体图象。目前。三维立体
收穑日期：２００８—０ｒ７—１５
作者简介：邓维科（１ ９８６一），男，吉林长春人；余先川，博士．教授，博
士生导师，从事信息挖掘、融合与识别。矿产资 源预溺，遥感影像处
理与识剐的研究。
２嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中－ｔＬ， 、计算机技术为基础、

・６・
计算机技术与发展第１８卷
软件硬件可裁 减、适合于应用系统对功能、可靠性、成
图形硬件的一个软件接口，也是三维图形科学计算可
本 、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。有小巧、
视化的工业标准（３１，是由美国ＳＧＩ公司推出的 一款ＧＬ
高度自动化和响应速度快的特点。系统所使用的嵌入
三维图形库发展而来。ＧＬ易于使 用而且功能强大，利
式系统是由Ｉｎｔｅｌ
Ｃｏｒｅ
２双核处理器，以及其它必要外< br>用ＧＬ开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人
围电路和设备构建组成的。
员的喜爱 ，这些三维应用软件已涉及建筑、产品设计、
嵌入式操作系统的选择：ＸＰＥ（Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＸＰＥｍ－
医学、地球科学、流体力学等领域。随着计算机技术的
ｂｅｄｄｅｄ，ＸＰＥ）是微 软公司于２００１年推出的一个嵌入
继续发展，ＧＬ进一步发展成为ＯｐｅｎＧＬ，如今，ＯｐｅｎＧＬ
式操作系统，桌面ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统的组件化版
已被认为是高性能图形和交互式视景 处理的标准，一
本，即在实际应用中，设计者可以根据自身的需要，选
个功能强大、调用方便的 底层３Ｄ图形库。它可以在
择相应的功能组件来构建适合自己的操作系统，通过
不同的系统如Ｗ ｉｎｄｏｗｓ９５、Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＮＴ、Ｕｎｉｘ、Ｌｉｎｕｘ、
这种方式构建出来的操作系 统具有结构简单、内核小
Ｍａｃ
ＯＳ、ＯＳ／２之阔进行移植。因此，支持ＯｐｅｎＧＬ的（本系统的操作系统内核大小为１５０Ｍ）的特点【５Ｉ。相
软件具有很好的移植性，可以获得非常 广泛的应用。
对于Ｌｉｎｕｘ，Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＣＥ等其他嵌人式操作系统，选
本系统 采用了在ＶＣ６．０编译器，ＭＦＣ环境下的
择嵌入式ＸＰ的好处是，用户方的现有程序不必重新
ＯｐｅｎＧＬ作为可视化的界面。ＭＦＣ具有很好的人机交
编写，而研制方的编程人员对基于Ｗｉｎｄ ｏｗｓ的编程己
互的功能，ＯｐｅｎＧＬ是三维图形显示的佼佼者。二者会
经比较熟悉，不必学 习新的操作系统下如何编程。
给我们带来优异的显示效果。
ＷｉｎｄｏｗｓⅫＥｍｂｅｄｄｅｄ 采用与Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＸＰ
Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ．
ａｌ相同的二进制代码，从而使得 嵌入式开发人员能够
Ｓ三维照相系统的构建
只选择那些小覆盖范围嵌入式设备所需的丰富定制化
５．１系统介绍
特性ＨＪ。本系统中选用了５１２Ｍ的ＣＦ卡作为嵌入式
５．１．１系 统的构成
操作系统和应用软件的载体，操作系统控制在３００Ｍ
以内。
＊图像采集与控 制系统：摄像头，旋转云台；嵌入
式系统，单片机，驱动电机。
＊图像处理系统：嵌人式系统。
３三维重构
＊图像显示系统：嵌入式系统及液晶显示器。
三维重构是计算机图形学中具 有广泛应用背景的
系统框图如图１所示。
重要课题之一，它是在提供大量数据的基础上，采取< br>“从二维图片重构凸单连通三维实体”的算法来重构物
体的轮廓。
目前兰维重构的处理方 法大致可分为两大类：
一类是动态重构，利用三维激光扫描仪得到物体
表面的三维点坐标，这种 方法的局限性在于扫描对象
的尺寸有限，无法应用于大型实体，如建筑物、火箭、航
天飞机、山 川等等，目前成本还比较高【２Ｊ，本系统尚未
图１系统框图
采用。另～类是静态重构，利用实 体的二维几何与拓
５，１．２系统工作流程
扑信息重构其三维信息，本系统的基本思路是将物体
系统工作流程见图２。
置于可旋转水平云台上，云台外某
合适位置固定一个或若干个高 分辨
对图像数据处理并提
利用轮廓
率摄像头。当桌面相对其中轴水平
取物体轮 廓（包括图
＾、
信息进行
旋转时，每隔一个固定时间不断对
像去噪、二值化处 理
／
三维显示
以及边缘检测）
物体进行拍照，得到一系列照片以
及由 图片转化为的三维数据。这个过程也可理解为物
图２工作流程图
体圊定在中心，雨相机围绕物体 拍照。
５．２图像采集与控制系统
对物体进行三维描绘，需要对物体进行二维图像
４< br>Ｏｐｅｎ
ＧＬ
的采集。首先系统采用可控制旋转的云台作为承载物
英文全称是“ Ｏｐｅｎ
Ｇｒａｐｈｉｃｓ
Ｌｉｂｒａｒｙ”，顾名思义，是
体的平台，采用可控驱动 电机来控制云台的旋转速度

２００８４１０月
邓雄科等：基ｆ嵌＾式系统的＝镕 照相机
和方向；其次．系统采用ＡＴ８９Ｃ５２单片机作为图像采
集系统的控制ＭＣＵ，并实现 与嵌人式系统的串口通
信，从而对图像采集系统进行控制。最后，系统采用自
制的稳压电潭为云 台以及单片机饿电。见图３。
系统的核心，徽处理器稳定、正确地工作是系统正常运
转的前提和 保证。嵌人式系统的工作包括以下几十方
面：
（１）刺用串口通信通过单片机控制云台转动．读 取
并存储二维图像数据。
｛２）对圉像数据处理并提取钫肆轮廓（包括图像去
噪、二值 化处理以及边缘检测）。
（３）利用轮醉信息通过藏晶显示器进行三维显示。
５
３ｌ十 口通信部分
通信协议构设惫：通信控制宇为两字节，见表１。
曩１通信协议
圜３翻悼采 豢与控制｝蟪框囤
图像采集与控制系统的工作原理如下：
（１）摄像头标定。相机标定就是将相 机像素坐标
幕转换成用户实际测量或检测所蒋要舶坐标系，使虚
拟摄璋规以真宴单位进行精密测 量。据机括定的撬念
潦于摄影礴量．虽然某些时候并不需要对相机进行标
定，但它是从二维图像 裴取三维信息的前提和基础，已
形成了基本的理论体系。
相机标定包括两部分内容：一是引入一 系列物理
和光学参数建立相机成像模型；二导喟直接法或遗代
法末解上述参数。建立戚像模型必 须考虑两类参数：
内部参散（即所谓内方位元素）描述了成像光束的形
桡，外部参数（郎所谓外 方位元素）描述了相机的空间
姿态。
（２）腰像采集。物体置于旋转云台上，可将云台置
于一个暗箱中，通过平行光线将钉津投影到白色幕布，
５
３，２三单重抽（躅臻趾理）年分< br>１）预处理部分。
对摄像头采集的二维的图像数据，先进行去噪娃
理，之后选取合适的一 值将得到的图像进行二值化妊
理．物体投髟用黑色（０）表示．背景用白色（１）表示。由
于每 一点只需要一位即可表示’遮也为后续的轮廓提
取简化了算法。还可以根据需要对图像进行裁剪，以去除边绦的非物体投影等干扰信息。见图４。
口【】Ｅ
囤４藏处理之后秤捌曲二值他的圉雄
（对一十球律进行扫描）
２）轮群提取以及层次分割部分。
依次对每幅冒像进行扫描． 每幅图像从下至上对
各行进行扫描。由上可知物体的投影在经过二值化后
的图像上应是一黑色区 域，从每一行来看即是一条黑
色线段，我们所娶做的即是将这些黑色线段找出并存
储．以便还原 物体的三维信息。在扫描过程中，每当遇
到一条黑色线段．即将其端点坐标进行存储。最后将
所 有线段存错在一十数组中。
（１）数据存储结构稚索引结构（见圈５）：
摄像头栗寨到的印是特 捧各角度投影的粘醇瞄息。这
些信息可以用于显示物体的三维形状。
旋转云台是由驱动电机驱动 的，根据外来的脉冲
数量、脉冲宽度以及其它的相失控翩信号决定驱动电
机每次步进对平台的旋 转用厦和方向。具体实现是由
主机（嵌＾式系统）将嚣采集的图片数量盈角度信息
（已在主机通 过计算转换成檀应的脉冲数）通过串口发
送给控制电机旋转的单片机（ＡＴ８９Ｃ５２）。单片机根据< br>得到的信息通过引辨发送脉冲控制电机旋转的角度和
趺散．井在每次成功输出脉冲后，发送完成信 息反馈给
主机．阻使主机通过摄像头将采集刊的图悔信息存储
成８Ⅶ，位图文件，步进驱动电机 通过串口驱动云台．
拉制其旋转角度和方向。通过以上控制和采集系统，
最后得到—定效量不同 角度的蜘体的二维图像信息，
这些ＢＭＰ位图文件存储在主机特定的目录下。
５．３嵌入式系统 工作都分
幕统采用嵌人式微处理器作为腰像采集与控制、
图像魁理与匿像显示的主要部分．作为 整个三维照相
一Ｄ哪／／嘶的歙据镕＃．存储一备％班，日“节☆存＊±
目
ｌ¨舶ｎ， ｍｄ；／嘲＆∞自＾横ｇ＃与终点横±标
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计算机技术ｊ＆＆
第１８卷
鹾
口］王旦｜曰：：嚣篆苎鬣；关怒嚣麓ｉ
●ｊ吨 ∞
示图像的轮廓、光照、深度、纹理等。用户可以通过鼠
标和键盘来对物体进行多角度的观察。 图９为显示结
Ｉ二［丁二［丁二Ⅲ＊举Ⅷ（球体自描）。
囤５数据存储站构和索引蛄构
回一幅图像的信息存储在一起．接扫描顺序存储；
同一幅图像中同一层的信息连续存储在一起．按扫描< br>顺序存储。另建一个索引散组，分别指向各层中在笫
一幅图像和最后一幅图像的同一位置的线段。 为简化
索引过程．各线段信息存储时用指针指向丁该层线段
在下一幅图像中的位置。
（ ２）线段提取算法。
按行扫描线段，考虑到拍照即预处理过程中造成
的线段分裂或噪声点，当扫 描到线段后并不急于存储，
而是先缓存．若发现回一行中的新线段，则比较两线段
闻的距离．若 距离很短．则认为其间形成了裂缝，将其
台并成一条线段。另一方面．添加线段时若该线段很
短 ．则认为是噪声点．将其舍弃。为还原图像信息，还
需要确定各行的中轴坐标。
（３）层次分割 算法。
依次还厚图像每一层（邵一幅图像的一行）的信
息，依次将得到的同一层的各图像中的线 段根据其中
轴坐标和谈图像的拍照角度投影到平面上进行切割。
最终切出的形杭即为该屉的形状 ．可以想象该层为一
多边形，将该多边形的各端点在平面上的坐标保存在
特定的文件中用于三堆 显示。见图６。
３）层次分割算法的演示。
如图７所示。假设某一层为一圆．易知从角度采集< br>的投影均为等长的线段，下图为根据从四个角度（０．
９０．１８０，２７０）对其投影采集到的 线段进行恢复的过程，
呆寨的角度越多，切割将越细致，恢复的信息也越精
确，这类似于割圆术 求圆局率的过程。当采集的角度
足够多时，恢复的轮廓可以近似看作一个圆。
５３
３显 示部分。
显示部分是在已经得到的经过三维重构之后的数
据的基础上进行的数据表征。三维重构 的程序已将得
到的数据按层数，每层点数．每层的ｚ坐标．ｘ坐标，Ｙ
坐标存储在ａｎ文件中。 如图８所示，即为得到的三
维重构的数据。
从已经得到删文件中读取数据．导＾到程序中
等待处理。读取数据文件的函教为ｂ啪（）．如ＦＩＬＥ
＋ｐｔｒ；ｐｔｒ＝ｆｃｇｍ（“＼＼ｍｕａ ｄ．ｂａｉｔ锄ｔ”，‘，）；
显示部分主要通对ＭＦＣ环境下的Ｏ伴ｎＧＬ来宴
困６层次分割 算＊框图
目７切割横截自的原理
６结论
从！维照相的结果来看，经过图像采集、去噪、 二
维重构而获得物体的空问坐标信息，本系统三维照相

邓维科等：基ｆ嵌＾式系 统的ｊ维照相机
：掰ｚ・
１７．Ｉｐ＇９０
§｝耜§；糕？镕ｚ
ｚｎｍ
ｋ
和凹凸）等的判断，来头定物体三维鼓据．以及显示信
息。另一方面．虽然动态重构成本目 前还比较高．但并
非不可室现，在实现静志重构的基础上，数据采集部分
满足要求．目口可实现 如果集北京天安门等大型建筑物
的三维显示．这将对建筑学、考古学、生物学、工业等领
域的发 展产生巨大的推动作用，具有重』＝意义。因此．
我们的目标是在静态重构的基础上，完成动态重构的< br>Ｙ∞ｍ
圉８
ｄｎ文件教据举倒
最终实现。
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蹈９球体扫描显｛实例
实现了无需人为采集、无需手动变焦、无需Ｐｃ 机宴｝理
的三维全息照相．能够在完整地展示物体的三维信息。
但实验结果的视觉效果还无法满 足要求，姐忽略了颜
色和光照背景信息等等。三雉照相成本高、算法复杂、
对系坑要求严格，园 此三维照相的实现具有相当太的
难度ｔ但三维照相机的戚像技术与时代意义是二维成
像技术所望 尘莫及的．它在航空航天、电子科技、生物、
化学、考古等各领域学术界与应用界的广泛应用证明
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计算ｎ信息，２０ｅ７ （１０）４８—５ｌ
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了它巨大的发展潜力。２㈣（３）；４１—４２
本系统不足之处在于对特殊点的处 理，即由图像
［９】镕＊・自ｉ月ｔｉ＾宇Ｍ＝维目片ｌ构口单连ａｊ摊实
采集误差产生的图像 凹凸、图像圆孔、边缭相连的处理
采取了完善的算法来处理，在程序中通过对现实环境
如光照强 度（采用不同的二值化阈值），物体轮廓（圆孔
（±接第４ｉ）
雄∞斑《算制刀＊虹太≠≠ｍ： １≠膜，２。”ｆ５）：”一
［ｍ］森ｉ章．￥女＃３Ｄ女＃Ａ＃＃￥镕ｗ［Ｊ】十ｍ★｝半＃
＊８．１９９４（４）：５３＿％
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模块化的设计思想使得ｘｅｒ璐的功能扩展 更加方
便。针对家庭网络应用中以电影、音乐等媒体数据的
［３］Ａ吣Ｔ，Ｄｈ啪ｎ
Ｐ ，ａ舯女∞女一Ｂ抽。日咖ｄ
ｘ目
【４】№ｄ—ｋ‰“Ａｒ【ｄ
ｖｉ＾ｍ‰口［∥ＯＬ］２００５一ｔｌｌ
掉为中心，强化了存储子系统井将其升级为家用
载高级搜索功能。
参考女簟：
ＮＡ鱼媒体中心能支持多种文件格式，还可提供耵下
ｈｔｔｐ：，ｈ—ｘ— …４№／ｍ－
ⅧⅫ
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２００７．１９
Ｃ２３）：＂％一５５５Ｂ
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基于嵌入式 系统的三维照相机
作者：
作者单位：
邓维科， 余先川， 王瑜， 赵岩
北京师范大学 信息科学与技术学院,北京 100875

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