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图像的虚拟现实技术在智能建筑中的应用

虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR),又称灵境技术,它是一门崭新的综合信息技术,融合了数字图像处理、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果,力图创建一个酷似客观环境又超越客观时空,能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机环境,由多维信息所构成的可操纵空间。最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机反应。 1 虚拟现实技术概念 虚拟现实技术的定义可以归纳如下:虚拟现实技术(VR)是指利用计算机生成的一种模拟环境,并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作,同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知,能够达到或部分达到这样目标的系统称为虚拟现实系统。 2 VR系统的基本特性 从本质上说,VR系统是一种先进的计算机用户接口,它利用多种先进的硬件技术及软件工具,设计出合理的硬件、软件及交互手段,使参与者能够交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。从概念上讲任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”述其特性,这就是交互性(Interactivity浸感(Immersion)和构想性 (Imagination)。 3 VR引擎 VR引擎是VR系统中最为关键的部件之一。过去负责实时渲染VR环境的VR引擎主要基于计算机图形,即首先对真实世界进行抽象,建立起三维几何模型,一般用多边形表示。在给定观察点和观察方向以后,利用计算机由模型实现多边形绘制、着色消隐、光照以及投影等一系列绘制过程,产生VR环境。我们熟悉的3dsmax就可以建模和渲染,并能以虚拟现实建模语言VRML97的格式输出,这样就建立了一种在Internet上运行的VR引擎。这种基于图形渲染技术所面临的主要问题是:一方面需要高性能的图形工作站,系统成本非常昂贵;另一方面需要三维建模,工作非常繁琐,往往需要专业人员进行操作,大量增加人力成本。为此,基于图像渲染技术被提出,它直接由照片图像来构造虚拟环境。 4 基于图像渲染的VR 4.1 全景照片 1993年,Apple公司推出QuickTime VR系统,它是一个基于柱面全景图像渲染的虚拟现实系统,该系统支持用户在虚拟环境中左看、右看、上看、下看、360°环视,沿固定路线前进与后退等漫游操作,视觉效果完全具有照片质量。这是一个非常巧妙的方法:先以照相机的支架为中心沿360°旋转一周拍出一系列景物照片,然后用多帧缝合(Stitch)技术将它们拼成一张完整的超长照片,展开就如《清明上河图》那样的手卷,如图1所示。 然后利用基于图像的VR技术将长形照片首尾相接形成一个圆柱面,图像朝向圆心,用户借助浏览器观看这张照片,就好像站在圆心朝外看,从而产生一种“身临其境”的错觉,这种照片就叫“三维互动全景照片”(3D Interactive Panoramic Photo),简称全景照片(Panorama),而浏览器就是一个基于图像的VR引擎。随着Internet的迅猛发展,360°环视全景技术以其实现相对简单,效果逼真,制作成本低等优点迅速成为VR的一个热点。笔者曾经使用Live Picture的Photo Vista软件合成过用普通照相机拍摄的全景照片,参见W-WSq. chinavr.net网站/四方环视/全景摄影杂志/全景教室/四方环视网友作品/,其中梅庵、南京鸡鸣寺塔、草坪等为笔者作品。 如果在一张全景照片中设置超级链接的热点(hotspot),让它指向另一张全景照片,这就实现了场景间的切换,我们可以把一系列相互链接的全景照片组织成虚拟全景空间,用户在这个空间中可以进行前进、后退、360°环视、仰视、俯视、近看、远看等操作。 虚拟全景空间具有如下的优点: (1)不需要硬件加速就能在PC机上实时运行; (2)不依赖于特殊的设备,如头盔显示器等; (3)能显示高质量图像,且处理时间与场景复杂度无关。 应用:全景照片是一种静态的基于图像的VR技术,它的逼真感,交互性使其可以以一种图形界面的形式在智能建筑中得到广泛应用。 4.1.1 智能家居 家居智能化就是通过家居智能管理系统的设施来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的功能。家居智能化系统所提供的功能主要有三项,即家庭安全(HS)、家庭设备自动化(HA)和家居通信(HC)。 全景照片可以作为家庭设备自动化可视化管理平台,在360°环视全景照片中通过超级链接指向图像代表的智能家电(如电视机、音响、空调机、热水器、微波炉、洗衣机等)的软件控制接口(基于JAVA),对它们的运行状态进行监视和控制,甚至可以用标准的网页浏览器(IE)通过Internet进行智能家电的异地远程控制调节。 4.1.2 建筑设备监控系统(BA) 传统的BA系统的控制界面通常都是二维图标式的,如果以360°全景照片作为辅助的可视化界面对空调、供配电、给排水、动力及照明等建筑设备进行监控,可以更直观、更有效。 4.1.3 消防系统 《火灾自动报警系统设计规范》GBS0116-98的5.2.2.4规定“应在每个楼层的楼梯口或消防电梯前室等明显部位,设置识别着火楼层的灯光显示装置”。这是为了在火灾发生后能明确指示火灾楼层位置,引导消防人员迅速到达火灾现场进行扑救。由于各幢建筑的内部空间结构千差万别,消防人员在达到失火现场时仅凭平面图很难立即构想出现场的空间环境,这往往给扑救工作增加很多困难,看来在火灾发生之后,消防人员对现场三维空间环境的掌握非常必要。如果将建筑物以虚拟全景空间的形式建立起完整的数据库,那么有关消防抢救人员就可以在到达火灾现场前利用车载无线终端或Wap手机调看虚拟全景数据库中失火建筑的全景照片,预先了解现场环境,从而为制定更加完善的消防抢险方案赢得宝贵的时间。据悉,有关消防主管部门已经开始着手利用360°环视全景照片建立VR数据库,用以提升火灾抢险的效率。 4.2全景摄像 全景照片最少也要拍两张才能合成,有没有一次成像免缝合的技术呢?最近美国Remote Reality公司发明了Oneshot360技术,如图2所示。 该技术是通过一个圆弧形凸面镜头及其配件将周边360°图像全部反射到普通数码像机的镜头里,这样一次就完成了360°全景图像拍摄,非常便捷。当然, Oneshot360拍的是柱面全景,不是球面全景,它的优势在于快速抓拍全景照片,更重要的是还可以进行全景摄像,这实际上是监控技术的一次革命。 传统的摄像机、快球摄像机和PTZ一次只能看到一个方向的图像,只有转动云台,才能看到其它方向的图像,这就形成了监视的盲区,安全性也就降低了,需要设置多台摄像机才能有效地监控保护区域。360°全景摄像机就不存在这个缺点,它可以全方位监控,不需要云台,从而更加可靠,减少了多台摄像机系统的复杂性。 360°全景摄像机记录是一个“圆形”图,如图3所示。保存了完整的360°图像信息,回放这个图像流的浏览器就是一个VR引擎,它可以把“圆形”图校正,还原成人眼正常视觉的影像。可以设置不同的窗口用以固定观察不同角度的图像,而主窗口可以通过鼠标移动进行360°环视,有点象操控一个虚拟的云台,如图4所示。 将360度全景摄影和Internet网络技术相结合就形成了完整的360°网络摄像机的视频解决方案,它可以连续监控360°空间。没有移动部件,可以支持多用户同时通过网页游览图像。每个用户可选择自己所需要的PTZ图像,可选择单屏、四屏和全景图像显示模式并可通过网络进行实时监控,通过标准的网页游览器就可以实现远程监控。这样就没有传统多摄像机系统的复杂性,从而可以减少故障率,提高可靠性。所以360°全景监控系统在智能建筑领域有着得天独厚的应用前景。 在360°全景监控方面有RemoteReality及Egg360等解决方面,现以RemoteReality的OmniVision系统为例说明其在智能建筑领域中的应用。 5 OmniVision全景监控系统的特点 (1)采用NetVision360产品配合网络摄像机,可提供一个360°的全景视频; (2)基于网络的设计,可以通过网络进行连续的360°实时监控; (3)只需标准的网页浏览器; (4)降低了多摄像机系统的复杂性; (5)图像显示速度可达到25帧/s-30帧/s; (6)监控、录像、回放、传输和备份可以同时工作; (7)支持多用户,每个用户都可以在自己的视窗进行操作; (8)简单的、人性化的界面操作; (9)提供合理的访问控制权限和管理级别。 5.1 智能建筑监控系统 5.1.1摄像部分 利用先进的360°全景监控系统,在重要地点安装摄像头,可以对这些地点进行全方位实时的监视录像,这些地点发生的所有活动都可以记录在内。或者利用0mniVision系统,把监控领域划分成多个监控点,并设定监控点的优先级,自动定位、锁定并跟踪整个空间内的活动物体,配合360°全景摄像机,连续侦察360°视频,并从单视频窗口中呈现多个独立目标的活动情况。 5.1.2 重要地点监控 在每层楼道内安装360°全景监控摄像机,该摄像机能够提供360°全方位实时监控,在一般灯光下就可看清人员的面容以及活动情况,同时它还具有隐蔽性,不破坏整体布局美观。 在大厅的中央装上360°全景监控系统,无需其他的移动部件就能够对整个大厅进行360°全方位的实时监控。同时可以配合OmniVision系统对目标进行准确的跟踪监控。通过系统软件将图像放大、缩小,对大厅内的人员活动情况都可一目了然。其系统图如图5所示。 5.2 银行监控系统 《银行营业场所安全防范工程设计规范》GB/T16676-1996对银行的电视监控有严格的规定,要求“电视监控设备应具有自动、手动切换或多画面显示功能。”;“录像系统应具有自动录像功能,即报警信号能自动启动录像设备进行录像。对于实行柜员制的营业场所,应设置一对一的摄像功能,在营业时间内应长时间录像,录像资料至少应保留一周。”要求“金库室、二号区、三号区均应设置摄像机,摄像机数量根据实际情况设定,应能在中心控制室观看上述区域的全部图像。” 利用360°全景监控系统,通过在重要地点安装的摄像头,就可以对银行金库门、钞票点算区域等一些重要的地点进行全方位实时监视录像,这些地点发生的所有活动都可以记录在内,或者利用OmniVision系统,把监控领域划分成多个监控点,设定监控点的优先级,自动定位、锁定并跟踪整个空间内的活动物体,配合360°全景摄像机,连续地侦察360°视频,并从单视频窗口中呈现多个独立目标地活动情况。 5.2.1 营业场所监控 银行的营业场所,如:营业大厅、柜台、自助银行和ATM机等地点,人员较多,有可能发生突发情况,保安人员很难对所在现场的全部情况进行实时监控,一旦发生突发事件,无法准确掌握现场的实际情况;为了保证对营业场所的严密监控,需要大大增加经济警察的工作强度,影响客户正常的存、取款等活动。同时,在需要对突发事件进行调查取证的时候,会因为无法全面保留现场情况而使得调查取证比较困难。在24小时营业的自助银行和ATM机上,更需要监控系统来保障银行的资金安全。 5.2.2 利用360°全景监控系统 利用360°全景监控系统,通过在这些营业场所安装一定数量的摄像头进行监视,可以清楚、准确地记录这些场所的情况;在突发事件发生后,能方便有效的了解事件的实际情况。监控系统采用360°全方位监控系统解决方案,能够获取一个360°的全景视频,可以对整 个环境实行连续的监控。例如: 柜台安全监控——银行营业厅的摄像头对当前的柜台进行全实时视、音频录像,把顾客与银行营业员发生的每一笔业务都记录下来; 柜台点钞监控——营业员收到顾客的钞票进行点算时,摄像头能清楚地记录点算的过程,减少顾客与营业员为钞票金额数量而发生的争执; 人员工作监控——监控银行营业员的工作作风,其系统图如图6所示。 5.3 视频会议系统 用户要求视频会议系统包括视频、音频、数据、网络管理等在内的全方位协作方案,通过与数字语音、图像压缩技术及宽带计算机网络技术结合,可以把传统的闭路电视监控图像及语音变成计算机网络上的共享资源,以达到远程监控和资源共享的目的。摄像部分是视频会议的前沿部分,是整个系统的关键部位,一般的方法是设置主摄像机和辅助摄像机对会议现场进行监视,更为先进一步的方法是使用具有自动声音跟踪功能的摄像机并设预置点,快速追踪拍摄发言人的视频图像。如果采用360°全景摄像机,将摄像机置于会议桌的中心位置,那么它就能拍摄所有活动,而无需要求所有与会者都聚集到会议桌的一端。远程与会者可以通过360°全景回放感觉如同置身现场参与会议而非远程观察。由于无需移动部件,与会者不会被“镜头”干扰,从而能非常自然地表达出个人观点。OmniCam360就是具有远程网络接人功能的360°高解像度全景网络会议摄像机,OmniCam视频会议系统具有以下特点: (1)最多可容纳四个完全独立的视频流(对缩放或观景范围没有限制); (2)自动对焦,调整白平衡和饱和度; (3)无缝隙、无限制的进行360°全景拍摄(任意方向均可); (4)60°倾斜角; (5)3:1数码缩放; (6)全部电子化,无需移动部件; (7)现代新型的设计能更容易融人到使用环境中; (8)完全的无声拍摄。 5.4 家庭及小区安全防范 上文提到全景照片可以作为家庭设备自动化可视化管理平台,而360°全景摄像监控则可以作为家庭安全防范的重要手段。在室内适当位置只需设置一台360°全景摄像机就可以监控房间里的大部分范围,可以在家居无人状态下利用软件设置动态图像扰动的预警功能,自动通过手机短信向主人发出报警信号,主人在异地可通过Internet直接在标准浏览器中打开实时的360°全景视频流,核实警报的真伪,以便采取必要的防范措施。 同样,可以在小区主要出入口、周界、高层建筑的 人户大堂、地下车库等主要部位设置360°全景摄像机,扩大安全监控的有效区域。利用OmniVision系统,把监控领域划分成多个监控点,设定监控点的优先级,自动定位、锁定并跟踪整个空间内的活动物体,根据报警管理系统的信号输入对突发事件场景进行自动录像,以便事后分析。 5.5 大空间建筑火灾自动报警 360°全景摄像机并没有感烟或感温的功能,它只有监视功能,如何能用于火灾自动报警,这就需要先介绍一下图像型火灾探测报警技术。 大空间建筑火灾尤其是存在遮挡和环境干扰的时候,常规的感烟、感温探测器由于火灾燃烧产物在空间传播受空间高度和面积的影响,常常当火灾发展到相当的程度,探测器才能感应,现行的火灾探测方法难以正常发挥效用,无法解决灵敏度与可靠性之间的矛盾。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室从1991年开始致力于图像型大空间建筑早期火灾的探测技术研究,在大空间建筑火灾探测技术上取得重大突破,其中"LAl00型大空间火灾安全监控系统”采用“双波段图像型火灾探测技术”和“光截面图像感烟火灾探测技术”两项技术,使大空间火灾探测问题得到了较好地解决,双波段图像型火灾探测技术针对大空间建筑火灾中普遍存在的技术难题,即火灾的误报、漏报和报警延误,以及火灾的空间定位,通过对火灾的热、色、形、光谱及运动特性的研究,提出了基于彩色影像和红外影像的双波段火灾识别模型,采用了图像处理、计算机视觉、人工智能等多项高新技术,实现了大空间建筑早期火灾的探测和真三维空间定位。 中国科技大学有关人员完成了制定、编写安徽省2项地方标准即《图像型火灾安全监控系统》和《图像型火灾安全监检系统设计、施工及验收规范》工作,这有助于图像型火灾探测技术的推广和发展。 双波段火灾探测器由红外CCD和彩色CCD组成,实际上就是一台摄像机,它的保护范围如下表所示。双波段火灾探测器使用的是焦距超过28mm广角镜头以上的镜头,这样会形成探测盲区,需要特别考虑探测器的安装角度,或利用其它探测器消除盲区。 笔者认为,如果将360°全景摄像机引入图像型火灾安全监控系统,可以将双波段火灾探测器保护角度扩大为360°x92.5°,这就极大地提升它的性能,由于360°全景摄像机监控的是全方位画面,不需要云台,故障率相对较低,在大空间建筑的火灾探测上会更加有效。 从图7中可以看到,360°全景摄像机拍摄的图像越远离圆心,则距离摄像机越远,成正变关系,可以通过三维极坐标换算得到全景图像中代表距离远近的同心圆半径R和实际探测距离L以及探测器安装高度H之间的数学模型,这样就可以通过软件很容易地实现对大空间建筑早期火灾的探测和真三维空间定位,再联动LAl00系统中诸如数控消防炮这样的先进设备自动指向火源点,实施定点扑救,可以快速有效地扑灭早期火灾。所以,通过360°全景摄像机与图像型火灾探测识别技术的整合可以产生更为先进的大空间火灾安全 监控模式。 6 结束语 全景照片和全景摄像是基于图像的VR技术,具备VR系统交互性、沉浸感和构想性的三“I”特征。随着Internet的普及,全景照片以其短小精悍的实用性迅速成为VR的一个成熟的商业运行模式,将其应用到智能建筑领域,可以使其成为各控制系统的可视化图形界面,方便用户直观地操控现场设备;而全景摄像刚刚兴起,其特殊的光学特性使其具有全方位的监视能力,比传统摄像更具优势,是监控技术的一次革命。可以预见,将其同双波段图像探测识别技术整合,会产生更为先进的火灾自动报警系统。 参考文献 1 张茂军.《虚拟现实系统》科学出版社,2001;9 2 吕永杰.张芸.《虚拟现实技术》北京希望电子出版社 3 《住宅智能化电气设计手册》中国建筑标准设计研究所,2001;7 4 张言荣等.《智能建筑安全防范自动化技术》2002;10 5 中国科学技术大学,中科院热安全工程技术研究中心,合肥科大立安安全技术有限公司,LAl00火灾安全监控系统设计手册,2002,7 6 袁宏永.赵建华.苏国锋.图像型大空间建筑早期火灾智能探测报警技术 7 Remote Reality公司360°全景监控专业产品说明书,卓视通科技(北京)有限公司,2002,11

作者:东南大学建筑设计研究院 黄文胜 来源: 点击数: 发布时间:2016年05月17日
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