基于Skyline的卫星红绿立体影像制作方法

昝 良

（1.解放军理工大学，江苏 南京 210007）

基于Skyline的卫星红绿立体影像制作方法

昝 良1

（1.解放军理工大学，江苏 南京 210007）

提出一种基于Skyline的卫星立体影像制作方法，使用Skyline加载地形及融合影像，调整虚拟相机的拍摄位置及角度，制作出多角度地形真彩色红绿立体影像。解决了当前卫星红绿立体影像制作中出现的角度单一、幅宽受限、容易涨眼、效果不明显且丢失颜色信息等问题。

Skyline ；相机多角度；真彩色；红绿立体

卫星遥感影像可以用来制作DOM、DLG以及DEM等。同时，可使用卫星携带的三线阵相机、高分辨率相机，通过某2个视图的影像制作红绿立体影像图。红绿立体影像能提供良好的三维视觉效果[1]，在测绘作业上具有重要的价值。但使用传统方法制作的红绿立体影像受制于卫星的拍摄角度、相机属性等各种客观条件，制作出的立体影像有几点无法克服的问题：

1）视角单一。使用2个视角的相机对被观察点进行的拍摄，观察点位于卫星的轨道上，处于被观察场景正上方，视线基本为垂直于地面方向向下，这就使得制作出的红绿影像视角单一。

2）幅宽受限。卫星拍摄的每一景幅宽是固定的，若要制作大于卫星幅宽的立体影像，就需要对两幅影像进行拼接，这样就改变了影像的透视特征，出现变形。因此，使用传统方法制作的红绿立体影像场景不能超过卫星相机幅宽。

3）容易涨眼。人眼可以感受到立体效果的范围在0.72°~6°之间，小于这个角度就感觉不到立体效果，大于这个角度会感觉到涨眼。相机夹角可能会远大于6°，不符合人眼观察事物的习惯，会出现涨眼等问题。

4）效果不佳。由于某些地区的地形起伏不明显，立体效果不佳，无法对地形进行夸张。

5）色彩信息丢失。采用传统方法制作红绿立体影像，数据的主要来源是三线阵相机。三线阵相机影像的主要用途是通过立体像对生成DEM，因此相机采用的是全色相机。这种方法制作的立体影像是采用2个视图的影像分别提取红绿通道进行叠加生成，因此丢失了影像的颜色信息，只具有纹理特征。

Skyline的软件系统一直在基于网络的三维可视化软件中居于领先地位[1,2]。该软件系统平台从影像数据生产、编辑到互联网发布都提供了成熟的解决方案。而且，其开放了所有的API，能够让用户根据自己的需求编写程序，定制功能。Skyline家族包括TerraExplorer、TerraBuilder以及TerraGate等，分别用于地形浏览，地形影像制作以及数据的发布[3]。Skyline内置的摄像机模块可从不同的角度对虚拟地形场景进行观察。本文提出一种基于Skyline的卫星立体影像制作方法。

1 原 理

1.1 人眼立体视觉原理

人眼之所以能看到立体的景物，是因为双眼各自独立地看物体。人的大脑视觉系统将两幅有轻微不同的图像进行融合，就产生出立体效果[4-6]，如图1所示。

图1 人眼观察立体示意图

一般成人两眼瞳孔间距在6.3～7.0 cm之间，以7.0 cm为例，人眼最佳观看范围是0.7～5 m，当人眼距观察物体距离为0.7 m时，目标距离与瞳距比为10∶1，此时双眼夹角约为6°，产生最大视差，当人眼距观察物体距离为5 m时，目标距离与瞳距比为71∶1，此时双眼夹角约为0.72°，为最小视差，物体再远，就无法辨认远近了。

因此，立体摄影需要重现这一规则，即

式中，D为相机间距；S为目标与相机中间点的距离。

1.2 拍摄方式

进行立体拍摄时，可使用两种拍摄方式：Toe-in Method和Correct Method。

Toe-in Method使用较多，进行拍摄时，2个摄像机指向同一点，如图2所示。

图2 使用Toe-in Method进行拍摄

使用Toe-in Method方法进行拍摄，可生成具有立体效果的图像，但该方法会产生竖直方向上的视差，立体图边缘会产生眩晕。使用Correct Method进行拍摄时，投影方式为”parallel axis asymmetric frustum perspective projection”[7]，即平行轴不对称视椎体透视投影，能够克服竖直视，如图3所示。

图3 使用Correct Method进行拍摄

1.3 地球任意两点距离计算

设第一点A的经纬度为（LonA，LatA），第二点B的经纬度为（LonB，LatB），按照0°经线的基准，东经取经度的正值（Longitude），西经取经度的负值（-Longitude），北纬取90-纬度值（90- Latitude），南纬取90+纬度值（90+Latitude），则经过上述处理过后的两点被计为（MLonA， MLatA）和（MLonB，MLatB）。根据三角推导，可以得到计算两点距离的公式如下：

式中，C为中间变量；R表示地球半径6 371.004 km；Distance为地表两点间距离；Distance和R单位相同，Arccos（）为反余弦函数。

1.4 计算经纬度

已知一点A（X，Y）经纬度及另一点B的距离r与方位角a，计算B（Lon，Lat）的经纬度。

1）同一经度上，纬度每隔1°相差111 km；

同一纬度上，经度每隔1°相差111*cos(Lat)km，Lat表示该点纬度;

2）两点在同一经度上的纬度距离差为：

两点在同一纬度上的经度距离差为：

式中，r为两点距离，单位为km；a单位为弧度，以正北方向顺时针开始。

3）在经度上的偏移度数为：

在纬度上偏移度数为：

则：

可求出B点的经纬度Lon、Lat。

1.5 Skyline摄像机

Skyline中，摄像机位置参数有X、Y、Z，用于标示相机在笛卡尔坐标系中的位置，相机的角度参数有偏移角（方向）Direction、俯仰角（倾斜）Tilt以及翻滚角Roll，如图4所示。

图4 Skyline相机参数示意图

偏移角范围从0°～360°，0°为北，180°为东，270°为西。俯仰角范围-90°～90°，90°为从下到上垂直，-90°从上到下垂直。翻滚角范围-90°～90°，-90°为向左翻滚至垂直，90°向右翻滚至垂直[8]。若角度不在参数范围，Skyline会自动增减角度周期，调整数值至参数范围。

2 多视角卫星红绿立体影像实现

2.1 相关参数设置

将高分辨率影像与多光谱影像进行融合，使用TerraGate加载DEM模型与融合影像，生成模型，供程序加载。

Skyline相机相关参数如表1所示，距离参数单位m,角度参数单位°。

表1 Skyline相机参数设置

2.2 控制摄像机角度和位置关键代码

//创建位置

IPosition61 cPos = objSGWorld2.Creator. CreatePosition(dXCoord, dYCoord, dAltitude, eAltitudeTypeCode, dYaw, dPitch, dRoll, dDistance);

//跳到该位置

objSGWorld2.Navigate.SetPosition(cPos);

2.3 立体图拍摄与制作

图5使用Toe-in Method，平行于水平面进行拍摄。

可以看出，最终效果图中，图像右上角的位置的山峰红通道偏右，绿通道偏左，拍摄中心点红通道偏左，绿通道偏右，相机焦点在屏幕中心点靠后的位置。通过佩戴红绿眼镜，可以观察到效果图立体效果明显，场景层次分明。

图6使用Correct method，垂直于水平面进行拍摄。通过佩戴红绿眼镜，可以很观察到效果图立体效果明显，山峰山谷立体效果十分明显。

图6 效果图B

3 结 语

地学可视化经历了二维到三维的发展[9]，本文提出一种利用Skyline提供的摄像机制作红绿立体影像的方法。结果表明，该方法能有效解决传统的卫星红绿立体影像的视角单一、幅宽受限、容易涨眼、效果不佳以及色彩信息丢失的缺点,实现了从不同的角度制作地形红绿立体影像、幅宽不受限、角度可控制在人眼舒适度可接受的范围内，同时通过地形模型的制作，适当进行地形夸张，增强了立体效果，在附上融合影像时保留了颜色信息。

由于立体照片拍摄过程中，前景、中景、后景以及背景之间的位置和比例关系会影响到立体显示的效果，不当的拍摄会产生难以接受的重影。同时，由于滤光片不能100%进行分光，左眼会看到右眼的部分场景，影像大脑三维再造，导致与实际不符，使用棱柱将解决这一问题。以上2点将是作者研究的重点。

[1] 梁吉欣，左小清. Skyline在Web三维GIS中的应用研究[J].昆明理工大学学报:理工版,2009,34(2):1-4

[2] 李虎，吴家铸.基于Skyline的战场态势系统研究与实现[J].计算机工程与科学, 2009,31(4):26-28

[3] 邓洁，夏春林，王润芳.基于Skyline Terrasuite的城市三维景观的建立[J].遥感技术与应用, 2008,23(5):529-532

[4] 李娟，关祥宏.基于微机的三维真立体显示技术评述[J]. 铁道勘察, 2005,31(2):24-26

[5] 赵颖，雷志勇，雷鸣. 虚拟现实中立体显示技术研究[J]. 电子设计工程, 2009,17(10):116-118

[6] 李伟锋.基于红绿立体影像的地形三维可视化研究[J].科技风,2010(11) :207-209

[7] Bourke P.3D Stereo Rendering Using OpenGL(and GLUT) [EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/89e3b57da26925c52cc5bf58. html，2013-07-26

[8] 武艺,赵冬至,黄凤荣,等. 基于Skyline的流域河口生态安全评价三维场景实现技术[J]. 海洋环境科学,2012,31(1):88-91 [9] 陈鹏, 林鸿 ,张鹏程,等.二三维一体化在Skyline与SuperMap6R中的实现对比[J]. 地理空间信息, 2011, 9(3):65-68

P237.4

B

1672-4623（2015）03-0044-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.016

昝良,硕士，研究方向为指挥自动化与战场环境数字化。

2013-10-11。