基于OSG仿真平台的《数字媒体技术应用》课程教学方法探索

刘佶鑫

摘要：《数字媒体技术应用》作为信息与信号处理学科的本科专业课程之一，由于涉及到音频、图像、图形等诸多不同领域的复杂专业背景知识，因此其讲授难点较大。特别是视觉信息处理和虚拟现实技术教学环节的核心技术计算机视觉双目测程方法，通过传统的课堂讲授难以使学生理解和掌握。为此，本文引入OSG仿真平台提出针对上述难点的教学研究思路，以仿真实验作为理论联系实际的桥梁，起到改善教学效果和提高学生能力的作用。

关键词：数字媒体技术；计算机视觉双目测程；OSG；教学研究

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0174-02

一、引言

《数字媒体技术应用》作为信息与信号处理学科的本科专业课程之一，其讲授过程涉及到信号处理相关的诸多方面，特别是在视觉信息处理和虚拟现实技术课程教学中我们发现，由于二维/三维空间运动描述的理论难度大、相关概念抽象不易理解，因此凭借传统的课堂讲授很难达到预期的教学效果，学生的学习兴趣普遍不高。为解决这一教学问题，引入合适的空间运动仿真平台不仅能在一定程度上较好的改善教学效果，而且对于学生技术实践能力的提高也有较大的益处。

在虚拟现实、虚拟仿真、目标可视化等领域，图形场景已逐渐成为一种高效简便的数据表达和结构管理方式，其中OSG（OpenSceneGraph）平台就是使用场景图形的一种渲染引擎。OSG近年来已成为相关研究领域关注的重要三维引擎之一[1，2]。采用OSG能胜任大多数的应用需求[3-5]，因此让学生更多的了解和接触这类平台和技术，有利于学生今后的职业发展。

本文针对《数字媒体技术应用》课程讲授过程中，在视觉信息处理和虚拟现实技术等环节存在的教学难点，以OSG仿真平台来设计一些简单易懂的仿真实验，在激发学生学习兴趣的同时提高他们在相关领域的技术技能，从而达到改善本课程教学效果的目的。

二、OSG三维仿真平台简介

OSG图形系统是一个基于工业标准OpenGL和C++环境的三维开源场景图程序开发接口，能够实现快速、高性能、跨平台的交互式图形系统的开发[6]。OSG中的物体是以场景图形对象来表达的，这便于描述物体在二维或三维空间中的逻辑关系和空间变换。在《数字媒体技术应用》中研究的三维运动是指OSG物体对象在三维空间的刚体运动，即三维笛卡尔坐标系下的平移和旋转。在OSG的空间变换中，物体的三维空间的连续运动可以分解为一系列平移矩阵和旋转矩阵的连乘。

三、教学实例

在视觉信息处理和虚拟现实技术的教学过程中比较难以理解的知识点在于计算机视觉双目测程方法，而该方法是图像二维视觉信息与物理三维空间信息建立联系的关键。如图1所示双目立体成像的原理[7]，设左右两个相机完全相同，各自坐标系统的光轴（Z轴）平行，原点位置不同，同时世界坐标系与左镜头的坐标系重合，左镜头的像平面与其XY坐标系重合，两镜头焦距均为f，两镜头中心点连接成的基线（Base line）距离为B，空间某点P在世界坐标系的坐标（X，Y，Z）在左右两成像平面的投射坐标分别为PL（xl，yl）和PR（xr，yr）。现在问题可以表示为，已知f、B、PL、PR，求P。式（1）到式（4）即为求取P点坐标的过程。

-X=■（Z-f）？摇 （1）

B-X=■（Z-f）？摇 （2）

Z=f（1-■），d=B+x■+x■？摇 （3）

y■=y■=f■，z■=z■=f？摇 （4）

本文讨论的重点是OSG平台下针对教学的计算机视觉双目测程方法实现，这里主要用到了osgdem和VPB的相关功能。osgdem是OSG的一个实用程序，而VPB（VirtualPlanetBuilder）是一个基于OSG的地形数据实时处理工具箱。利用VPB生成三维模型并建立OSG场景图层后，要实现物体实时动态行为再现就要考虑几何体节点和摄像机节点的漫游设计问题。OSG漫游技术需要用到两类坐标系，即世界坐标系和节点坐标系。常见的坐标变换有平移、缩放和旋转。摄像机的漫游是通过世界坐标系与摄像机坐标系的变换来实现的。

p′=Mp

p=X Y Z 1■ （5）

p′=X′ Y′ Z′ 1■？摇

M■=1 0 0 D■0 1 0 D■0 0 1 D■0 0 0 1，M■=S■ 0 0 00 S■ 0 00 0 S■ 00 0 0 1 （6）

M■=1 ？摇？摇？摇？摇0 ？摇？摇0 ？摇？摇 00 cosα sinα 00 -sinα cosα 00 0 ？摇？摇0 ？摇？摇 1

M■= cosγ sinγ 0 0-sinγ cosγ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 （7）

M■=cosβ 0 -sinβ 0？摇？摇？摇0？摇 ？摇1？摇 ？摇？摇？摇0 ？摇？摇 0sinβ 0 cosβ？摇 0？摇？摇？摇0？摇 ？摇0？摇 ？摇？摇？摇0？摇 ？摇？摇1

设摄像机坐标系原点在世界坐标系上的坐标变换的矢量表达如式（5）。式（6）表示平移和缩放变换，式（7）表示XYZ轴旋转变换。摄像机在空间中的任何漫游行为都可以分解成一个坐标变换序列，以变换矩阵级联方式表达。图2是将原始三维场景高程数据可视化与双目机器人计算机视觉测程系统的仿真结果进行对比。

由此可见，学生通过OSG仿真平台的应用可以更清楚地掌握计算机视觉双目测程方法的原理，并且通过简单的世界坐标和节点坐标参数的设置可以直观地了解理论与实际结合过程中的具体实现和相互影响。

四、结语

针对本科生在学习《数字媒体技术应用》过程中，对计算机视觉双目测程方法等视觉信息处理和虚拟现实技术相关概念和技术较难理解的现状，本文通过引入OSG平台提出了较为简单直观的仿真系统构建形式，既能弥补传统课堂讲授对相关知识点的教学局限性，又能提高学生的学习兴趣和动手实践能力，对学生今后的求职工作或从事科研都有一定的益处。

参考文献：

[1]侯涛，等.面向Internet的奥林匹克公园虚拟系统设计[J].中国图象图形学报，2008，13（3）：547-551.

[2]陈世红，王海.林木场景漫游系统的研究与实现[J].中国图象图形学报，2009，14（6）：1212-1216.

[3]张伍，等.巡视探测器立体图像匹配技术研究及应用[J].弹箭与制导学报，2009，29（1）：241-244.

[4]David Holmes III et al. Visualization in Image-Guided Interventions[G] // Image-Guided Interventions. New York：Springer Science + Business Media，LLC，2008：45-80.

[5]P. Wang et al. Virtual reality simulation of surgery with haptic feedback based on the boundary element method[J]. Computers and Strctures，2007，（85）：331-339.

[6]Paul Martz. OpenSceneGraph Quick Start Guide[M]. Louisville： Skew Matrix Software LLC，2007.

[7]章毓晋.图像工程[M].第3版.北京：清华大学出版社，2013.endprint