基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统设计_杨朝政.pdf
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1、第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-09-08基金项目:江苏省科学技术协会项目(No.2021SX519)作者简介:杨朝政(1977-),男,硕士,副教授,研究方向:机器视觉、图像优化。通讯作者:李淑英(1975-),女,硕士,教授,研究方向:激光技术。基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统设计杨朝政,李淑英常州大学,江苏 常州 213164摘 要:为提升激光三维图像视觉效果,设计一种基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统。将激光三维图像在 DS90CF286 中变换成 TTL
2、 标准图像信号发送至 FPGA,由 FPGA 将图像信号缓存在存储器 DRRAM中,再传输至基于虚拟现实技术的图像信号处理器中,处理器使用基于虚拟现实技术的图像优化模型,为用户提供身临其境的图像优化操作环境,此模型主要在 OpenGL 绘图工具的驱动下,通过光线投射法,将研究目标以激光透射的形式,重建其激光三维图像;再使用基于自适应滤波的激光三维图像增强方法,增强重建后图像的像素信息;针对像素信息增强后图像,采用基于虚拟现实技术的激光三维图像的颜色渲染方法,完成图像像素信息的颜色渲染。经测试,采用设计系统后,激光三维图像视觉效果得以优化,图像的对比度与信息熵都满足应用需求。关键词:虚拟现实技术
3、;激光三维;图像优化系统;重建;增强;去噪中图分类号:TN249 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.152Design of laser 3D image optimization system based on Virtual RealitytechnologyYANG Chaozheng,LI ShuyingChangzhou University,Changzhou 213164,ChinaAbstract:In order to improve the visual effect of laser 3D image,a laser 3D imag
4、e optimization system based on virtual reality technology is designed in this paper.The laser 3D image is transformed into TTL standard image signal in DS90CF286 and sent to FPGA.The FPGA caches the image signal in the memory drram and then transmits it to the image signal processor based on virtual
5、 reality technology.The processor uses the image optimization model based on virtual reality technology to provide users with an immersive image optimization operation environment.This model is mainly driven by OpenGL drawing tool and through ray casting method,Reconstruct the laser 3D image of the
6、research object in the form of laser transmission;Then the laser 3D image enhancement method based on adaptive filtering is used to enhance the pixel information of the reconstructed image;Aiming at the image enhanced by pixel information,the color rendering method of laser 3D image based on virtual
7、 reality technology is adopted to complete the color ren-dering of image pixel information.After testing,after using the design system,the visual effect of laser three-dimen-sional image can be optimized,and the image contrast and information entropy can meet the application requirements.Key words:v
8、irtual reality technology;laser 3D;image optimization system;reconstruction;enhance;denoising1 引言在数字化、信息化时代的大环境中,人们提取、感知信息资源的模式也发生了翻天覆地的变化1,2。图像作为信息传递的核心载体之一,可以为人们提供交互式信息传输服务3。近几年,激光三维图像的发展速度明显提升,激光三维图像深入人们生活的多个角落,如动画、医疗、制造业等,以激光三维动画图像为例,此类激光三维图像的制作过程复杂程序显著,在使用计算机技术和图形技术的基础之上,必须使用图http /像视觉优化技术,实现激光
9、三维动画制作4。而以往的图像优化方式,大多以简单的二维操作为主,翻阅相关研究资料可知,文献5设计了一种红外热成像增强系统,该系统对图像的增强效果较好,但抗扰性较差,仅可以实现图像增强。文献6设计了一种图像实时复原系统,具有较好的图像去雾效果,图像视觉效果优化能力通过验证,但是该系统的功能也存在应用局限,只可以实现图像去雾。在计算机技术超快发展的前提下,虚拟现实技术可以为用户提供身临其境的操作环境7。为解决以上问题,将虚拟现实技术引进该领域,设计一种基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统,应用该系统优化后,激光三维图像渲染效果较好,可作为激光三维图像优化工作的可用工具。2基于虚拟现实技术的激光三
10、维图像优化系统2.1 系统结构设计基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统的结构如图 1 所示。系统中激光三维图像需要传输至DS90CF286 变换成 TTL 标准的图像信号,在 FPGA 的管理下保存在图像存储器 DRRAM 里,再基于虚拟现实技术的图像信号处理器 DSP 启动,完成激光三维图像优化,将优化结果保存在 DRRAM 里。最后,基于FPGA 的 驱 动,把 优 化 后 的 激 光 三 维 图 像 通 过DS90CF285,将激光三维图像信号变换成 Camera Link 规范的激光三维图像反馈给用户。系统全部程序的运行都使用 RS442 串行接口、控制接口、以太网接口和用户相互联系
11、。图 1 基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统的核心处理芯片是 TI 企业设计的性能卓越的定点 DSP-TMS320C6455,此芯片在图像处理领域具有较好的应用效果,可并发执行用户指令。接口逻辑与时序控制核心芯片是 Altera 企业设计的 EP3C14Q240C。图像信号处理器 DSP 在优化激光三维图像时,主要使用虚拟现实技术构建图像优化模型,此模型的结构如图 2 所示。虚拟现实可看作一种高端的人机交互模型,主要在计算机的驱动下,为用户提供感官刺激显著的虚拟操作环境,使图像优化效果更真实。按照其含义,虚拟现实的应用主要是为了构建激光三维图像优化的虚
12、拟环境8-9。用户主要在所构建的虚拟操作环境中,使用 OpenGL 绘图工具实现激光三维图像优化,虚拟环境的构建是结合现实世界的相关标准构建而成。用户围绕自己在现实世界中对图像优化的需求,在计算机中构建相应的虚拟操作环境。图 2 基于虚拟现实技术的图像优化模型系统中所用的基于虚拟现实技术的图像优化模型属于桌面型虚拟现实模型,可通过个人计算机实现图像优化的虚拟仿真。计算机屏幕属于用户优化激光三维图像的窗口。基于虚拟现实技术的图像优化模型在优化激光三维图像视觉效果时,主要采用OpenGL 绘图工具加以实现,此工具的运行机理如图3所示。OpenGL 绘图工具能够在图像处理能力存在差异的计算机中启动,
13、用户设置的激光三维图像优化程序命令会被分成 2 种,一种可按照用户需求绘制激光三维图像,一种是对激光三维图像视觉效果实施优化10。OpenGL 绘图工具显示列表中存在多种命令程序,如在所研究内容中,主要以激光三维图像的重建、增强、渲染为核心操作程序。该工具会根据激光三维图像定点数据,使用评估设备运算显示列表中需处理的激光三维图像数据之后绘制曲面,然后将绘制的曲面图元实施集合处理11-13。为了将激光三维图像实351杨朝政,等:基于虚拟现实技术的激光三维图像优化系统设计http /施光栅化操作,必须对图像的像素进行处理,将其处理成可进入虚拟现实场景的视觉窗口存储,把光栅化后的激光三维图像设成基片
14、,再采取光线投射法、基于自适应滤波的激光三维图像增强方法、基于虚拟现实技术的激光三维图像的颜色渲染方法对其进行处理,以此实现激光三维图像的视觉优化。图 3 OpenGL 绘图工具运行机理示意图2.2 基于光线投射法的激光三维图像重建方法OpenGL 绘图工具通过光线投射法重建研究目标的激光三维图像,先构建三维坐标系 x-y-z,设置激光三维图像目标的三维信息场是 H,激光三维图像的视点设成 P。设置某个射线和用户操作显示屏的像素点是 qn(x,y),那么三维数据场 H 中存在 q1,q2,qn个数据处于射线?Pqm中,同时实际激光三维图像目标信息与 qn(x,y)的关系是:x=x1-H(1)y
15、=y1-H(2)在使用光线投射法以 x 射线透视投影时,研究目标在 x 射线的作用下,由于反射率与吸收率存在差异,会出现成像质量差的问题14。为此,使用三维数据场 H 中体素的颜色值与不透明值表达此成像模式,则将激光三维图像重建时采样点设成 q1,q2,qn,计算激光三维图像中像素点 qn(x,y)的像素灰度信息 F(x,y)。计算每个采样点附近邻域颜色值 dh(x,y,z)与不透明值 bm(x,y,z):bm(x,y,z)=dh(x,y,z)-dh1(x,y,z)+dh2(x,y,z)-dh(x,y,z)dh1(x,y,z)-dh2(x,y,z)(3)式中,图像目标的颜色值范围是 dh1(x
16、,y,z)dh2(x,y,z)。在获取各采样点的颜色值与不透明值之后,自前向后把各个采样点颜色值使用式(4)合成,获取重建后,图像像素点 qn(x,y,z)重建后的灰度值 on(x,y,z):on(x,y,z)=bm(x,y,z)dh(x,y,z)+bm(x,y,z)dh(x,y,z)(1-bm(x,y,z)(4)多次执行上述步骤对各个射线进行处理,便能获取激光三维图像每个像素点的灰度值,以此实现激光三维图像重建。2.3 基于自适应滤波的激光三维图像增强方法通常情况下,重建后的激光三维图像还会存在脉冲噪声或者高斯噪声,高频信息量显著15-16。通过线性滤波技术,虽然能够筛除噪声,但激光三维图像
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