本發(fā)明涉及利用電腦或者互聯(lián)網(wǎng)的三維空間展示技術，通過結合空間的3D數(shù)據(jù)和全景圖片達到對被展示空間從全局到細節(jié)的全方位展示方法。

背景技術：

已有的空間展示方法主要有全景圖片展示和三維建模展示。全景圖片缺少三維數(shù)據(jù)，場景表現(xiàn)缺乏全局的展示。而三維建模又分為基于測繪的人工測量數(shù)據(jù)建模和三維掃描建模。前者所制作的模型缺乏真實的結構和紋理信息，場景真實感不強；后者雖然空間結構構建有真實感，但紋理細節(jié)不夠完善。因此，已有的空間展示方法可主要分為：(一)全景圖片的展示，(二)場景的3D手工建模模型展示，(三)場景的3D掃描建模模型展示。在申請人檢索的范圍內(nèi)，空間展示的方法可以見到有關方法(一)的現(xiàn)有文獻如下：

中國專利文獻CN201110426966公開的技術方案中，通過至少包括兩個攝像頭的全景攝像裝置拍攝空間，其中所有攝像頭鏡頭的視角之和形成大于或等于360度的球面視角，然后將拍攝到的圖像傳輸至圖像處理終端后利用圖像處理軟件對不同攝像頭拍攝的畫面結合處進行修飾，使不同攝像頭拍攝的畫面實現(xiàn)平滑結合，生成360°全景畫面。由于沒有空間的三維數(shù)據(jù)，缺乏場景全局的展示；

中國專利文獻CN201210412995公開的技術方案中，將全景圖像的照片進行透視處理以模擬為真實的3D場景，生成帶有地圖標志的文件集合。但該方法缺少真實的空間信息，沉浸感不強；

平青發(fā)表的“360度全景技術在數(shù)字博物館的應用(數(shù)字技術與應用，2015年09期，87)”在中心處取點旋轉攝像頭拍攝空間有部分重疊的照片，用PS軟件進行拼接制作全景圖片，然后在插件上播放，用戶只能按照程序設定瀏覽空間，不能實現(xiàn)交互式的用戶體驗；

中國專利文獻CN201510167536.7公開的技術方案中，用高清攝像系統(tǒng)獲取全景視頻數(shù)據(jù)，通過視頻拼接軟件將得到的視頻數(shù)據(jù)拼接成360度視頻，最終效果是用戶可以選擇在二維地圖和全景地圖間進行切換，進而查看位置信息。它的缺點主要是二維地圖只包含地理位置與地理名稱，缺少實際地理圖像，而三維全景視頻流地圖不僅對網(wǎng)絡發(fā)布格式有要求，而且數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡加載時間長，視頻全景播放的流暢性受網(wǎng)絡寬帶的影響較大；

中國專利文獻CN200910127737.9公開的技術方案中，展現(xiàn)物品方法的特征在于：響應不同的操作指令以顯示不同的序列圖像或動畫，觀看者以不同的指令操作時使圖像切換到相應角度的圖像上，使觀看者自由地多角度觀看被拍攝物品。此種方法雖然拍攝的物品的角度多，采集的照片多，但照片式瀏覽的方式還是用二維圖像展示物品，缺乏三維數(shù)據(jù)，場景切換不流暢。

中國專利文獻CN200610053842.9公開的技術方案中，用普通相機產(chǎn)生序列靜態(tài)圖像，再應用軟件技術將序列靜態(tài)圖像拼接成360度柱形環(huán)視全景圖，由于該方法采用柱面全景圖，所以該方法只能360度環(huán)視，不能多角度觀看物體，又由于該方法缺少物體三維深度信息，不能構建出具有距離感的立體圖。

中國專利文獻CN201310084834.0)公開的技術方案中，首先利用高清位圖采集設備獲取360度全方向的影像資料，用先進的計算機圖形圖像技術，對前期位圖進行加工處理，形成實景全圖，再對實景全景圖進行二次加工，串聯(lián)各個環(huán)境下的全景圖。在圖像上添加交互接口，開發(fā)基于Kinect的人機交互界面，實現(xiàn)動作指令的智能化交互感受。此方法只能讓使用者感受到信息量豐富的二維全景圖的視覺體驗，由于缺少三維數(shù)據(jù)信息，不能真實立體地還原場景。

有關方法(二)的現(xiàn)有文獻如下：

劉軍等發(fā)表的“文化遺址的三維真實感建模與虛擬展示技術(計算機工程，2010年20期，286—290)”三維激光掃描后采用投影域三角剖分技術精細建模，然后提出兩步法進行紋理映射，雖然取得了較強的真實感，但由于誤差的影響和塔身結合部位紋理的不完整性導致了整體空間細節(jié)的不精確。而對附屬建筑采用的是在設計圖的基礎上借助3D Max 9.0構建了遺址場景，物體的形貌信息不完整，缺乏空間結構的真實信息；

中國專利文獻CN201310207203.3公開的技術方案中，利用3D建模技術創(chuàng)建出房屋模型，配合使用虛擬攝像機可在房屋3D模型外部和內(nèi)部空間上自由移動，并以相應位置的視角展示房屋3D模型，加上輸入模塊與控制模塊的使用，實現(xiàn)人機互動，保證系統(tǒng)實現(xiàn)各種個性化的展示需求。此系統(tǒng)雖然能夠將空間的三維數(shù)據(jù)與全景全部展現(xiàn)出來，但由于此系統(tǒng)使用純手工3D建模的方法創(chuàng)建出房屋模型，空間的結構和紋理不是來自于實際物理空間，因此展現(xiàn)不真實，是動畫片的展現(xiàn)效果。

有關方法(三)的現(xiàn)有技術文獻如下

中國專利文獻201310343113.7公開的技術方案中，提出基于球形投影的三維場景“兩維圖像”映射方法，將深度等更多的三維信息描述在兩維全景圖像及附帶的描述文件中，從而突破了傳統(tǒng)360度全景圖只能展示不能沉浸式漫游、人機互動的缺陷。由于該系統(tǒng)利用場景管理模塊分析房間和門的位置，自動生成若干觀察點，瀏覽者只能從入口觀察點開始，按照鄰接關系切換觀察的位置，而不能自主選擇觀察點，所以此系統(tǒng)不能給瀏覽者全方位的展示，不能適應各種個性化的展示需求。

高偉強等發(fā)表的“三維全景與三維激光掃描相結合的數(shù)字校園初期建設(數(shù)字技術與應用，2013年05期，106—108)”提出了將全景圖片與激光掃描相結合得到三維空間全景圖片的思路，但沒有對方案做出具體說明。

通過分析上述文獻可以看出，通過電腦或者網(wǎng)絡對空間場景展示的三種主要方法各存在如下優(yōu)缺點。

一、全景圖片的展示

a)優(yōu)點：空間的展示細膩真實，尤其是對細節(jié)的展現(xiàn)

b)缺點：場景的切換(全景圖片)突兀，沒有過渡；缺乏場景全局的展示，用戶體驗只見樹木不見森林；缺少三維數(shù)據(jù)的支撐，場景信息不夠豐富全面。

二、場景的3D手工建模模型展示(類似3Dmax手工繪圖建模)

a)優(yōu)點：空間的展示既有整體的全局展現(xiàn)，又有內(nèi)部局部的細節(jié)展現(xiàn)。

b)缺點：由于空間的結構和紋理不是來自于實際物理空間，因此展現(xiàn)不真實，是動畫片的展現(xiàn)效果。

三、場景的3D掃描建模模型展示

a)優(yōu)點：空間的結構和紋理來源于實際物理空間，同樣既有全局又有局部展現(xiàn)，展現(xiàn)真實感強。

b)缺點：由于掃描傳感器的本身局限性，沒有空間的全景圖片，因此模型的細節(jié)缺失較嚴重，展現(xiàn)效果差強人意。

綜上，提供一種綜合全景圖片展示和三維建模展示優(yōu)點，空間的展示細膩真實，空間的展示既有整體的全局展現(xiàn)，又有內(nèi)部局部的細節(jié)展現(xiàn)并克服各自方法空間的結構和紋理來源于實際物理空間，同樣既有全局又有局部展現(xiàn)，展現(xiàn)真實感強的，達到完美的對真實空間的展示。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題本發(fā)明采用的技術方案是，提供一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是所述方法包括以下步驟：

1)3D建模，首先通過室內(nèi)全景三維數(shù)據(jù)雙軸自動采集裝置采集待展示空間的深度信息數(shù)據(jù)和全景圖片，利用基于多視角數(shù)據(jù)融合的3D建模方法將采集到的深度數(shù)據(jù)生成一個待展示空間的全局3D模型并將全景圖片生成待展示空間的全局3D模型的材質貼圖。所述待展示空間的全局3D模型以下簡稱3D模型

2)3D模型展示，利用三維圖形庫展現(xiàn)步驟1)生成的完成貼圖的3D模型。

3)全景圖片采集，在待展示空間以室內(nèi)全景三維數(shù)據(jù)雙軸自動采集裝置采集多個預置觀察點的全景圖片同時記錄各個觀察點的準確空間3D坐標信息，以及相應的全景圖片在3D模型中的包括零度角信息的旋轉軸信息。

4)全景圖片映射，利用3D全景映射算法將步驟3)得到的全景圖片映射在步驟1)得到3D模型上。

5)3D模型展示模式與全景圖片展示模式的切換，當從展現(xiàn)的3D模型上某點到與該點最接近的預置觀察點的全景圖片進行切換時，記錄3D模型中的用戶視角，并以該用戶視角展現(xiàn)全景圖片。當從該用戶視角的全景照片切換回3D模型時，將切換到3D模型中的預置觀察點上。

所述的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是所述全景圖片為立方體(Cube)圖

所述的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是所述步驟4)中所述3D全景映射算法具體包括以下步驟

4.1)定義二維的屏幕坐標系X/Y和三維的3D模型坐標系X′/Y′/Z′，所述的3D模型坐標系的方向同3D模型的方位始終保持一致，同時指定3D模型的重心作為3D模型坐標系原點O，定義Z′是3D模型的水平旋轉軸，X′是3D模型的垂直旋轉軸。

4.2)定義全景圖片的水平旋轉軸Z″和垂直旋轉軸X″。將每個全景圖片的水平旋轉軸Z″與3D模型坐標系的水平旋轉軸Z′進行方向對齊，同時將每個全景圖片的垂直旋轉軸X″和3D模型坐標系垂直旋轉軸進行方向對齊，完成全景圖片到3D模型的映射。

所述的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是所述步驟5)具體包括以下步驟

5.1)3D模型展示模式到全景圖片展示模式轉換時，記錄與用戶在3D模型展示模式下選擇區(qū)域最接近的預置觀察點的觀察方向和當前3D模型的水平偏角。所述水平偏角為3D模型坐標系的坐標軸X′和與屏幕坐標系X軸的夾角，

5.2)選出與用戶選擇區(qū)域最接近預置觀察點的全景圖片，并令全景圖片的水平旋轉角Q與步驟5.1)的水平偏角相等；

5.3)根據(jù)步驟5.2)中選出的全景圖片的水平旋轉角、屏幕的顯示范圍及需要的全景圖片顯示比例確定該全景圖片在屏幕上顯示的范圍，將這部分全景圖片展示出來，完成從3D模型展示模式到全景圖片展示模式的轉換。

5.4)逆運行步驟5.1)～5.3)，即可實現(xiàn)從全景圖片展示模式到3D模型展示模式的切換。

所述的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是所述室內(nèi)全景三維數(shù)據(jù)雙軸自動采集裝置由采集全景圖片和深度信息數(shù)據(jù)采集模塊、水平旋轉平臺與俯仰旋轉平臺，能夠同時采集全景圖片和深度信息數(shù)據(jù)。

所述的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是所述的三維圖形庫包括WebGL、本地OpenGL或Direct3D。

所述的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法，其特征是將整個全景圖片的每個像素的計算過程都置于服務器端，將展示3D模型與全景圖片的計算過程置于用戶端，服務器端與用戶端通過網(wǎng)絡相連接，用戶端安裝支持WebGL接口的瀏覽器，運行在用戶端瀏覽器的Javascript腳本會調用WebGL接口實現(xiàn)3D模型在屏幕上的展現(xiàn)；當從3D模型切換到全景圖片時，通過WebGL的shader接口讓3D模型逐漸模糊的同時讓全景圖片逐漸清晰。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：

1、用戶不僅可以看到整個空間的3D格局，同時也可以看到高質量的空間局部細節(jié)。

2、3D模型與全景圖片兩種展示模式的切換非常平滑，使用戶體驗達到最佳。當從3D模型模式到全景圖片模式進行切換時，由于視角的移動完全是正常的3D空間中的源位置到目的位置的移動，且源位置也是與用戶鼠標點擊的目標區(qū)域最近的一個預置觀察點，所以與用戶的預期一致，體驗也就非常平滑，事實上，預置觀察點越密，這種體驗越平滑。在進行切換時用戶很難區(qū)分自己看到的到底是3D模型的材質貼圖還是全景圖片，所以3D模型的材質貼圖過渡到的全景圖片的過程看起來僅僅是顯示區(qū)域放大了而已，難以發(fā)現(xiàn)其中的區(qū)別。

3、從展現(xiàn)的具體技術實現(xiàn)來看，整個全景圖片的的每個像素的計算過程都置于服務器端，將展示3D模型與全景圖片的計算過程置于用戶端，3D模型數(shù)據(jù)和全景圖片數(shù)據(jù)可以分時加載，這樣就會有效縮短數(shù)據(jù)網(wǎng)絡加載時間，減小網(wǎng)絡帶寬對用戶體驗的影響，并有利于將用戶端置于手機等移動終端設備上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施例的全景圖片的水平旋轉軸和垂直旋轉軸及其旋轉方向示意圖；

圖2為本發(fā)明一種實施例的3D模型展示模式的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明一種實施例的記錄水平偏角的原理示意圖；

圖4為本發(fā)明一種實施例的確定全景圖片展現(xiàn)范圍的原理示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明，此處提到的實現(xiàn)方法采用瀏覽器HTML5技術，同時也可以通過類OpenGL/Direct3D等技術實現(xiàn)，但本發(fā)明申請的權利要求保護范圍不受實施具體技術方法的限制。

本發(fā)明提供的一種結合空間全局3D視圖和全景圖片的空間展示方法包括以下步驟：

1)3D建模，首先通過室內(nèi)全景三維數(shù)據(jù)雙軸自動采集裝置采集待展示空間的深度信息數(shù)據(jù)和全景圖片，利用基于多視角數(shù)據(jù)融合的3D建模方法將采集到的深度數(shù)據(jù)生成一個待展示空間的全局3D模型(以下簡稱3D模型)并將全景圖片生成3D模型的材質貼圖。

2)3D模型展示，利用三維圖形庫展現(xiàn)將步驟1)生成的完成貼圖的3D模型。

3)全景圖片采集，在待展示空間以室內(nèi)全景三維數(shù)據(jù)雙軸自動采集裝置采集多個預置觀察點的全景圖片同時記錄各個觀察點的準確空間3D坐標信息，以及相應的全景圖片在待展示空間的3D模型中的包括零度角信息的旋轉軸信息。

4)全景圖片映射，利用3D全景映射算法將步驟3)得到的全景圖片映射在步驟1)得到3D模型上。

實施例

本實施例中，室內(nèi)全景三維數(shù)據(jù)雙軸自動采集裝置包括水平旋轉平臺與俯仰旋轉平臺的三腳架，以及控制水平旋轉角度的步進電機、控制俯仰旋轉角度的步進電機和微軟的Kinect，它們均為市購產(chǎn)品。Kinect安裝在三角架上，可以通過控制步進電機調整其水平和俯仰旋轉角度，以完成對待展示空間內(nèi)全景圖片和深度信息數(shù)據(jù)的采集。

本實施例中全景圖片采用立方體(Cube)方式實現(xiàn)。在一個確定時刻全景圖片只可以將其一部分(根據(jù)屏幕尺寸和顯示比例)展現(xiàn)在屏幕上。用到的3D模型來自于申請人以Kinect的3D掃描方式建立的模型。

所述步驟4)中所述3D全景映射算法具體包括以下步驟

4.1)定義二維的屏幕坐標系X/Y和三維的3D模型坐標系X′/Y′/Z′，所述的3D模型坐標系的方向同3D模型的方位始終保持一致，同時指定3D模型的重心作為3D模型坐標系原點O，定義Z′為3D模型的水平旋轉軸，X′為3D模型的垂直旋轉軸。

4.2)定義全景圖片的水平旋轉軸Z″和垂直旋轉軸X″。由于3D模型的深度信息數(shù)據(jù)和全景圖片數(shù)據(jù)同時采集，因此將每個全景圖片的水平旋轉軸Z″和垂直旋轉軸X″與3D模型坐標系的水平旋轉軸Z′和垂直旋轉軸X′進行方向對齊即可完成全景圖片到3D模型的映射。所述全景圖片的水平旋轉軸和垂直旋轉軸及其旋轉方向示意圖如圖1所示

步驟5)中具體包括以下步驟

5.1)3D模型展示模式到全景圖片展示模式轉換時，記錄與用戶在3D模型展示模式下選擇區(qū)域最接近的預置觀察點C的觀察方向和當前3D模型的水平偏角Q。所述水平偏角為3D模型坐標系的坐標軸X′和與屏幕坐標系X軸的夾角。3D模型展示模式的原理示意圖如圖2所示，記錄水平偏角的原理示意圖如圖3所示

5.2)選出與用戶選擇區(qū)域最接近預置觀察點的全景圖片立方體圖，并令全景圖片的水平旋轉角Q與步驟5.1)的水平偏角相等；

5.3)根據(jù)步驟5.2)中選出的全景圖片的水平旋轉角、屏幕的顯示范圍及需要的全景圖片顯示比例得到該全景圖片應該在屏幕上顯示的范圍，將這部分全景圖片展示出來，完成從空間3D模型展示到全景圖片展示模式的轉換。確定全景圖片展現(xiàn)范圍的原理示意圖如圖4所示。圖中預置觀察點C，全景圖片展現(xiàn)范圍為aa′之間的部分，全景圖片的水平旋轉角Q為3D模型坐標系的坐標軸X′和與屏幕坐標系X軸的夾角(等于3D模型坐標系的坐標軸Y′和與屏幕坐標系Y軸的夾角)

5.4)逆運行步驟5.1)～5.3)，即可實現(xiàn)從3D模型模式到全景圖片模式的切換。

從實際實現(xiàn)效果來看，上述展現(xiàn)的效果非常理想，切換過程最大程度符合人類大腦思維習慣，達到了很好的空間觀察用戶體驗。

本發(fā)明方法充分發(fā)揮了3D數(shù)據(jù)模型展示和全景展示的各自優(yōu)點，并通過合理的算法將兩種展示方法無縫的對接起來，達到了非常理想的效果。