CN109040730B - 一种动态花海场景系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维数字场景构建领域，提供一种动态花海场景系统及其工作方法，该系统包括虚拟复眼采集网格系统、计算机制作平台、网络展示平台；所述虚拟复眼采集网格系统包含多个复眼相机及其载体，其中，复眼相机用于采集特定位置和特定角度的图片，复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，同时成像；载体用于携带复眼相机到达指定的地表网格单元，完成拍摄；地表网格是采用GeoSOT网格剖分系统根据花海场景分层构建的；基于虚拟复眼采集网格系统，能够对花海场景进行全方位的场景采集。本发明基于GeoSOT地球剖分网格，实现花海场景的低空采集，实现时空一致的实时拍摄、实时制作，得到精确的动态花海三维虚拟场景。

Description

一种动态花海场景系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及三维数字场景构建领域，具体涉及一种动态花海场景系统及其工作方法。

背景技术

三维场景是基于全景图像的场景虚拟技术，是一种实现全方位互动式游览的可视化场景展示方式；全景图像是由相机采集不同角度的场景图像，经过计算机算法拼接得到。

用于三维场景采集的相机镜头主要有鱼眼镜头、普通镜头、多镜头组合等；其中，鱼眼镜头是一种视角接近或等于180°的镜头；多镜头主要是通过多个镜头组合成一个新的相机系统，镜头之间的空间角度固定不变，镜头视角能够覆盖整个三维空间；鱼眼镜头以及单镜头均是由两轴或三轴云台携带并不断调整镜头方向与角度，对准拍照目标；多镜头由单轴云台携带，固定角度拍摄场景。

鱼眼镜头和单镜头暂时不能实现360°(水平向)+360°(垂直向)全景采集，也不能实现时空一致性的场景采集。时空一致性拍摄是指原始数据是在统一时钟下的同一时刻拍摄，影像获取的时间与影像中各个物体在那一时刻的空间位置和姿态是一致的。

花海场景的特征是动态，花海在风的作用下不停摇摆，而且受多种因素影响下，花卉摇摆没有规律可循；花海场景十分广阔，针对花海场景的三维场景采集的数据十分庞大；花海场景具有时间性、季节性，不同的时间节点、不同的气候温度等都使得花海场景有着不同的景观；花海场景的角度、方向、远近、光度的不同，都将带来不同的效果；同时，不同的花海本身携带传承的蕴意、文化精神等都有着不一样的体现。

目前针对花海的三维场景构建主要是采用空地结合的方案，空中使用无人机搭载相机进行连续性巡航移动，在巡航移动过程中相机连续拍摄；地面拍摄者手持单镜头照相机环绕目标体移动，在移动中连续拍摄；然后通过计算机算法进行拼接，漫游。其中不同的花海从采集到展示需要经过数天到数周不等的周期。

通过调研花海场景的特征，可以归纳得到针对动态花海实时快播的需求：

1.总体；动态花海直播需要将花海的整体特征、布局、效果进行展示；

2.局部；在花海直播过程中能够自由的切换整体场景与局部场景，局部到局部，并且能够由观看直播者自由进行切换，既大的动态三维场景之中能够嵌入小的动态三维场景，并且场景之间能够任意转换；并且，局部场景还应包括花朵各部位的高清特写；

3.声音；动态花海直播不仅仅需要将花海场景进行展示，还需要将花海所处的声音一并展示出来；并且，动态花海直播具备添加背景音乐或解说的功能，并且在直播画面时候这个功能可以选择性开启；

4.花海场景直播需具备时空一致性，即当前展示的所有场景都是在同一时空下采集构建得到的；

5.实时刷新；花海三维场景直播能够按照一定帧率进行刷新，从而完成花海三维场景动态直播；

6.低照度直播；有的花卉具有昼夜性，所以花海场景的直播需要将花海每一个时间段都展示出来，甚至24小时全天直播；

7.花海场景的直播过程之中会存在环境恶劣情况，所以对于直播设备具有恶劣环境正常工作的功能。

通过实践发现，现对花海三维场景的采集技术之中存在以下问题：

1.采集作业中采集者的主观性较强，难以建立科学化、规范化、标准化和定量化采集方案，难以保持采集品质的稳定，导致采集数据规模庞大，难以提高后期制作效率；

2.单个相机连续拍摄时，不同空间位置的影像是在不同时间节点拍摄的，两次拍摄的影像之间存在时间间隔，根据场景的大小整个拍摄过程需要几十分钟至几个月不等，由于时空不一致，最后得到的是不同时间断面影像拼接的三维场景，很多动态事物不会被拍摄到或多次被拍摄到，从而得到与实际场景不符的三维虚拟场景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术之中的不足之处，以及针对目前花卉直播的需求，提供一种动态花海场景系统及其工作方法，该发明基于GeoSOT地球剖分网格，实现花海场景的低空采集，实现时空一致的实时拍摄、实时制作，得到精确的动态花海三维虚拟场景。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。

一种动态花海场景系统，包括虚拟复眼采集网格系统、计算机制作平台、网络展示平台；

所述虚拟复眼采集网格系统包含多个复眼相机及其载体，其中，复眼相机用于采集特定位置和特定角度的图片，复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，同时成像；载体用于携带复眼相机到达指定的地表网格单元，完成拍摄；

地表网格是采用GeoSOT网格剖分系统根据花海场景分层构建的；

基于虚拟复眼采集网格系统，能够对花海场景进行全方位的场景采集；

所述复眼相机包含红外感应模块、GPS/北斗定位模块、无线模块、MCU和多个镜头，复眼相机中的一个单独的镜头称为子眼，每一个镜头都能够辐射一定的角度进行成像，子眼接受MCU的统一调配；

所述红外感应模块，用于复眼相机监控动物的行为，当有动物进入感应范围，该模块可以控制复眼相机启动，拍摄动物的行为；

所述无线模块，用于将复眼相机的采集数据、相机参数、相机工作状况传输给上位机，并且上位机通过无线模块下达指令控制给复眼相机；

所述GPS/北斗定位模块，用于确定复眼相机位于地表网格之中的位置，从而确定复眼相机是否到达指定位置，从而判断准备工作是否就绪、拍摄是否与预期一致；

所述计算机制作平台，包括上位机，采用三维场景拼接算法实现对采集数据的自动拼接，实现场景的自动重构，同时对三维场景进行嵌套，既大场景嵌套小场景，场景与场景之间添加通过鼠标或键盘控制的切换方式；同时计算机制作平台开设添加背景声乐功能，用于添加背景音乐、解说、花海故事。

所述网络展示平台用于对花海场景进行整体展示、局部区域展示、花卉特写展示等，并且通过鼠标或者键盘进行场景的变换，切换效果与现实进行花海场景的游览一致；网络展示平台基于目前的全景播放系统进行开发，其包含现有播放系统的所有基础功能；还可以开设包租功能，即网上包租特定区域、特定位置、特定功能的复眼，或在特定位置、指定位置安置专属复眼，进行个性化观赏；开设打赏功能，对满意的场景、满意的复眼实施打赏；开设花卉网红投票和追捧功能，通过投票、追捧提高花卉场景及花卉的宣传度以及浏览的热度。

在上述技术方案中，所述复眼相机采用防水技术封装，能够在雨中工作，复眼相机镜头系统采用星光级低照技术，与传统的红外补光技术不同，星光级低照技术不会使图像失去色彩，其能在低光（星光级）情况下完成场景的采集。

本发明还提供了一种上述的动态花海场景系统的工作方法，包括以下步骤：

（1）选定地理场景，采集面积可以由100m×100m到100km×100km，甚至区域更为广大，首先根据选定的地理场景的地理坐标，在GeoSOT(Geographical coordinate gridSubdivision by One dimension integer and Two to nth power，GeoSOT)网格剖分系统下构建地表网格，确定区域内网格对应的编码；然后将该地理场景按照花海的山形、地势、水系、建筑等特征分割成多个层次，每个层次预布置相应的复眼相机，

A高层，利用微型无人飞艇携带单一复眼相机空中悬停，实时鸟瞰采集花海画面，使观众能够一览花海全景；

B次高层，利用多架微型无人飞艇携带多个复眼相机多点位空中悬停，按照花海的沿山坡、沿河流、沿水线等不同地势，从不同方位和高度，实时鸟瞰采集花海画面，使观众各个方位、角度、高度，按照天空(日月星辰)-地势(山川湖泊)-花海的结构，实现全天候不同时段的花海全景观赏；

C中层，在花海四周的景观建筑结构上悬挂复眼相机，实时采集花海不同区域内的全景场景，实现全天候不同时段的花区特色观赏；

D低层，利用内聚式复眼相机或单镜头相机对花株进行实时采集，实现全天候不同时段的花株近距离细节观赏；

E底层，在地面上散布复眼相机，当有小动物(小虫、小鸟、小蛇、小老鼠等)经过复眼相机附近时，红外感应模块控制复眼相机开启，观赏小动物的行为；

F特写，在选定的观赏对象旁架设复眼相机，观看花卉的长高、花瓣的开合、花蕊的绽放等等；

上述GeoSOT网格以经纬度坐标体系为基础，采用2000国家大地坐标系，为使网格大小保持整度、整分和整秒，将地球经纬度坐标空间做了3次扩展：将 360° × 180°空间扩展到512° × 512°，将每度的60'空间扩展到64'，将每分的60″空间扩展到64″，通过三次地球扩展，实现整度、整分的四叉树剖分，形成一个上至地球（0级）、下至厘米级面元(32级)的多尺度四叉树剖分网格；

（2）对目标区域进一步划分高频度数据更新区、中频度数据更新区和低频度数据更新区，高频度数据更新区对分辨率要求高，场景刷新时间间隔短，适合重点监测区域；低频度数据更新区对分辨率要求低，场景刷新时间间隔长，适合一般地形地貌场景；

（3）高频度数据更新区的单位网格选择级别较高的地理网格，中频度数据更新区的单位网格选择级别低一些的地理网格，低频度数据更新区的单位网格选择级别更低的地理网格，网格级别越低，网格越大，景物细节表现越不明显，分辨率越低，反之，网格级别越高，网格越小，景物细节表现显著，分辨率越高；

（4）一个复眼相机子眼对应一个网格，网格级别不同，则网格大小也不同，根据网格大小和复眼相机成像范围，反求出复眼相机的高程和位置信息；

（5）由上位机控制搭载复眼相机的载体至指定位置和高度，组成虚拟复眼采集网格系统，参与采集的复眼相机的所有子眼必须处于统一时钟、GPS/北斗定位、数据库及通讯网络下，进行空间位姿标定、地理位置标定、统一时钟标定；

（6）实施拍摄，各个复眼相机在统一时钟下的时序节拍实施拍摄和数据存储，此时数据满足时空一致性，所有采集数据附有位置和姿态信息，并加打时间戳，通过网络实现数据高速回传，由上位机自动重构同一时刻下的三维数字场景，然后导入展示平台解析成可观看的格式进行直播；虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔1/帧率秒拍摄，实现实时刷新的动态拍摄；

（7）实时监控打赏平台，根据打赏者需求，调整观测任务，调度复眼相机聚焦到目标网格实施直播。

本发明提出一种动态花海场景直播系统及其工作方法，与现有技术相比具有以下优点：

1.实现动态花海三维场景的场景与场景之间的自由切换；并且完成花海三维场景从上至下、从大到小的整体构建；

2.所有的花海场景均是在同一系统时钟之下进行拍摄采集得到，其具备着现有技术所不具备的时空一致性，保证三维场景实时刷新；

3.大大缩短了花海场景构建的周期，同时实现了在各种环境下完成花海采集构建，实现采集、构建、展示的流程化。

附图说明

图1为本发明中复眼相机的组成示意图。

图2为本发明的工作方法流程图。

图3为GeoSOT网格编码示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例提供一种动态花海场景直播系统，包括虚拟复眼采集网格系统、计算机制作平台、网络展示平台；

所述虚拟复眼采集网格系统包含多个复眼相机及其载体，其中，复眼相机用于采集特定位置和特定角度的图片，复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，同时成像；载体用于携带复眼相机到达指定的地表网格单元，完成拍摄；

地表网格是采用GeoSOT网格剖分系统根据花海场景分层构建的；

基于虚拟复眼采集网格系统，能够对花海场景进行全方位的场景采集；

所述复眼相机，如图1所示，包含红外感应模块、GPS/北斗定位模块、无线模块、MCU和多个镜头，复眼相机中的一个单独的镜头称为子眼，每一个镜头都能够辐射一定的角度进行成像，子眼接受MCU的统一调配；

所述红外感应模块，用于复眼相机监控动物的行为，当有动物进入感应范围，该模块可以控制复眼相机启动，拍摄动物的行为；

所述无线模块，用于将复眼相机的采集数据、相机参数、相机工作状况传输给上位机，并且上位机通过无线模块下达指令控制给复眼相机；

所述GPS/北斗定位模块，用于确定复眼相机位于地表网格之中的位置，从而确定复眼相机是否到达指定位置，从而判断准备工作是否就绪、拍摄是否与预期一致；

所述复眼相机采用防水技术封装，能够在雨中工作，复眼相机镜头系统采用星光级低照技术，与传统的红外补光技术不同，星光级低照技术不会使图像失去色彩，其能在低光（星光级）情况下完成场景的采集。

所述计算机制作平台，包括上位机。计算机制作平台采用三维场景拼接算法实现对采集数据的自动拼接，实现场景的自动重构，同时对三维场景进行嵌套，既大场景嵌套小场景，场景与场景之间添加通过鼠标或键盘控制的切换方式；同时计算机展示平台开设添加背景声乐功能，用于添加背景音乐、解说、花海故事。

所述网络展示平台用于对花海场景进行整体展示、局部区域展示、花卉特写展示等，并且能够通过鼠标或者键盘进行场景的变换，切换效果与现实进行花海场景的游览一致；网络展示平台基于目前的全景播放系统进行开发，其包含现有播放系统的所有基础功能；还可以开设包租功能，即网上包租特定区域、特定位置、特定功能的复眼，或在特定位置、指定位置安置专属复眼，进行个性化观赏；开设打赏功能，对满意的场景、满意的复眼实施打赏；开设花卉网红投票和追捧功能，通过投票、追捧提高花卉场景及花卉的宣传度以及浏览的热度。

在上述技术方案中，所述三维场景拼接算法包括以下步骤：

1.定义映射模型，常用的包括：球面、柱面、平面，其中球面映射应用最为广泛；

2.根据输入图像，提取特征点，对特征进行匹配，得到输入图像之间的映射关系T；

3.根据映射关系T进行图像的Warp变换，对齐图像；

4.利用颜色调整来消除图像间的色差，和采用图像融合来消除拼缝。

在上述技术方案中，三维场景进行嵌套主要是基于漫游系统进行嵌入，根据高层次构建的三维场景，将低层次的三维场景根据特征点的匹配进行嵌入，并且添加漫游系统，场景与场景之间添加通过鼠标或键盘控制的切换方式(如拉近放大切换、拉远缩小切换、缩小切换等)。

本实施例还提供了一种上述的动态花海场景系统的工作方法，如图2所示，包括以下步骤：

（1）选定地理场景，采集面积可以由100m×100m到100km×100km，甚至区域更为广大，首先根据选定的地理场景的地理坐标，在GeoSOT网格剖分系统下构建地表网格，确定区域内网格对应的编码；然后将该地理场景按照花海的山形、地势、水系、建筑等特征分割成多个层次，每个层次预布置相应的复眼相机，

A高层，利用微型无人飞艇携带单一复眼相机空中悬停，实时鸟瞰采集花海画面，使观众能够一览花海全景；

B次高层，利用多架微型无人飞艇携带多个复眼相机多点位空中悬停，按照花海的沿山坡、沿河流、沿水线等不同地势，从不同方位和高度，实时鸟瞰采集花海画面，使观众各个方位、角度、高度，按照天空(日月星辰)-地势(山川湖泊)-花海的结构，实现全天候不同时段的花海全景观赏；

C中层，在花海四周的景观建筑结构上悬挂复眼相机，实时采集花海不同区域内的全景场景，实现全天候不同时段的花区特色观赏；

D低层，利用内聚式复眼相机或单镜头相机对花株进行实时采集，实现全天候不同时段的花株近距离细节观赏；

E底层，在地面上散布复眼相机，当有小动物(小虫、小鸟、小蛇、小老鼠等)经过复眼相机附近时，红外感应模块控制复眼相机开启，观赏小动物的行为；

F特写，在选定的观赏对象旁架设复眼相机，观看花卉的长高、花瓣的开合、花蕊的绽放等等；

上述GeoSOT网格以经纬度坐标体系为基础，采用2000国家大地坐标系，为使网格大小保持整度、整分和整秒，将地球经纬度坐标空间做了3次扩展：将 360° × 180°空间扩展到512° × 512°，将每度的60'空间扩展到64'，将每分的60″空间扩展到64″，通过三次地球扩展，实现整度、整分的四叉树剖分，形成一个上至地球（0级）、下至厘米级面元(32级)的多尺度四叉树剖分网格；

（2）对目标区域进一步划分高频度数据更新区、中频度数据更新区和低频度数据更新区，高频度数据更新区对分辨率要求高，场景刷新时间间隔短，适合重点监测区域；低频度数据更新区对分辨率要求低，场景刷新时间间隔长，适合一般地形地貌场景；

（3）高频度数据更新区的单位网格选择级别较高的地理网格，中频度数据更新区的单位网格选择级别低一些的地理网格，低频度数据更新区的单位网格选择级别更低的地理网格，网格级别越低，网格越大，景物细节表现越不明显，分辨率越低，反之，网格级别越高，网格越小，景物细节表现显著，分辨率越高；

（4）一个复眼相机子眼对应一个网格，网格级别不同，则网格大小也不同，根据网格大小和复眼相机成像范围，反求出复眼相机的高程和位置信息；

（5）由上位机控制搭载复眼相机的载体至指定位置和高度，组成虚拟复眼采集网格系统，参与采集的复眼相机的所有子眼必须处于统一时钟、GPS/北斗定位、数据库及通讯网络下，进行空间位姿标定、地理位置标定、统一时钟标定；

（6）实施拍摄，各个复眼相机在统一时钟下的时序节拍实施拍摄和数据存储，此时数据满足时空一致性，所有采集数据附有位置和姿态信息，并加打时间戳，通过网络实现数据高速回传，由上位机自动重构同一时刻下的三维数字场景，然后导入展示平台解析成可观看的格式进行直播；虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔1/帧率秒拍摄，实现实时刷新的动态拍摄；

（7）实时监控打赏平台，根据打赏者需求，调整观测任务，调度复眼相机聚焦到目标网格实施直播。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种动态花海场景系统，其特征是：包括虚拟复眼采集网格系统、计算机制作平台、网络展示平台；

所述虚拟复眼采集网格系统包含多个复眼相机及其载体，其中，复眼相机用于采集特定位置和特定角度的图片，复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，同时成像；载体用于携带复眼相机到达指定的地表网格单元，完成拍摄；

地表网格是采用GeoSOT网格剖分系统根据花海场景分层构建的；

基于虚拟复眼采集网格系统，能够对花海场景进行全方位的场景采集；

所述复眼相机包含红外感应模块、GPS/北斗定位模块、无线模块、MCU和多个镜头；复眼相机中的一个单独的镜头称为子眼，每一个镜头都能够辐射一定的角度进行成像，子眼接受MCU的统一调配；

所述红外感应模块，用于复眼相机监控动物的行为，当有动物进入感应范围，该模块可以控制复眼相机启动，进行数据采集；

所述无线模块，用于将复眼相机的采集数据、相机参数、相机工作状况传输给上位机，并且上位机通过无线模块下达指令控制给复眼相机；

所述GPS/北斗定位模块，用于确定复眼相机位于地表网格之中的位置；

所述计算机制作平台，包括上位机，采用三维场景拼接算法实现对采集数据的自动拼接，实现场景的自动重构，同时对三维场景进行嵌套，既大场景嵌套小场景，场景与场景之间添加通过鼠标或键盘控制的切换方式；同时计算机制作平台开设添加背景声乐编辑功能，用于添加背景音乐、解说、花海故事；

所述网络展示平台用于对花海场景进行整体展示、局部区域展示、花卉特写展示，并且通过鼠标或者键盘进行场景的变换；网络展示平台开设包租功能，即网上包租特定区域、特定位置、特定功能的复眼，或在特定位置、指定位置安置专属复眼，进行个性化观赏；开设打赏功能，对满意的场景、满意的复眼实施打赏；开设花卉网红投票和追捧功能。

2.根据权利要求1所述的动态花海场景系统，其特征是：所述复眼相机采用防水技术封装，复眼相机镜头采用星光级低照技术。

3.一种如权利要求1所述的动态花海场景系统的工作方法，其特征是该方法包括以下步骤：

（1）选定地理场景，首先根据选定的地理场景的地理坐标，在GeoSOT网格剖分系统下构建地表网格，确定区域内网格对应的编码；然后将该地理场景分割成多个层次，每个层次预布置相应的复眼相机，

A高层，利用微型无人飞艇携带单一复眼相机空中悬停，实时鸟瞰采集花海画面，使观众能够一览花海全景；

B次高层，利用多架微型无人飞艇携带多个复眼相机多点位空中悬停，按照花海的不同地势，从不同方位和高度，实时鸟瞰采集花海画面，使观众各个方位、角度、高度，按照天空-地势-花海的结构，实现全天候不同时段的花海全景观赏；

C中层，在花海四周的景观建筑结构上悬挂复眼相机，实时采集花海不同区域内的全景场景，实现全天候不同时段的花区特色观赏；

D低层，利用内聚式复眼相机或单镜头相机对花株进行实时采集，实现全天候不同时段的花株近距离细节观赏；

E底层，在地面上散布复眼相机，当有小动物经过复眼相机附近时，红外感应模块控制复眼相机开启，观赏小动物的行为；

F特写，在选定的观赏对象旁架设复眼相机，观看花卉的长高、花瓣的开合、花蕊的绽放；

（2）对目标区域进一步划分高频度数据更新区、中频度数据更新区和低频度数据更新区，高频度数据更新区对分辨率要求高，场景刷新时间间隔短，适合重点监测区域；低频度数据更新区对分辨率要求低，场景刷新时间间隔长，适合一般地形地貌场景；

（3）高频度数据更新区的单位网格选择级别较高的地理网格，中频度数据更新区的单位网格选择级别低一些的地理网格，低频度数据更新区的单位网格选择级别更低的地理网格，网格级别越低，网格越大，景物细节表现越不明显，分辨率越低，反之，网格级别越高，网格越小，景物细节表现显著，分辨率越高；

（4）一个复眼相机子眼对应一个网格，网格级别不同，则网格大小也不同，根据网格大小和复眼相机成像范围，反求出复眼相机的高程和位置信息；

（5）由上位机控制搭载复眼相机的载体至指定位置和高度，组成虚拟复眼采集网格系统，参与采集的复眼相机的所有子眼必须处于统一时钟、GPS/北斗定位、数据库及通讯网络下，进行空间位姿标定、地理位置标定、统一时钟标定；

（6）实施拍摄，各个复眼相机在统一时钟下的时序节拍实施拍摄和数据存储，此时数据满足时空一致性，所有采集数据附有位置和姿态信息，并加打时间戳，通过网络实现数据高速回传，由上位机自动重构同一时刻下的三维数字场景，然后导入展示平台解析成可观看的格式进行直播；虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔1/帧率秒拍摄，实现实时刷新的动态拍摄；

（7）实时监控打赏平台，根据打赏者需求，调整观测任务，调度复眼相机聚焦到目标网格实施直播。

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