基于全景模型的室内虚拟环境建模方法

In view of these two advantages, interaction and the panorama, this project proposes a multi-stage and semi-interactive modeling technique for the indoor virtual environment based on panoramic frame. Multi-stage means that when modeling for the indoor virtual environment, three different modeling results are respectively obtained to meet different application demands, including the 2D planar graph of indoor environment, texture indoor virtual environment and fine indoor virtual environment. Semi-interaction means that when modeling for the indoor virtual environment, increase slight interaction in the key steps to improve the modeling efficiency and raise the modeling accuracy. The main contents include: First, build a data model suitable for expression of the indoor environment; Second, on the basis of the architectural drawings of indoor environment, the planar graph is recreated; Third, the panorama of the indoor environment is obtained through the catadioptric panoramic imaging system, and then the 3D reconstruction techniques, intelligent interaction and perspective extrusion technology are utilized to achieve the semi-automatic reconstruction for the rough model and the fine model; meanwhile, the modeling process suitable for the indoor environment is formed; Fourth, analyze the modeling errors accumulated in the reconstruction process and assess the modeling accuracy of indoor virtual environment; Last, achieve the three-dimensional display of the indoor virtual environment, then utilize the spatial cognition theory to test and evaluate the indoor virtual environment and summarize its spatial cognition rules.

鉴于交互和全景图两方面的优点，本课题提出多阶段、半交互、基于全景框架的室内虚拟环境建模技术研究。多阶段指在室内虚拟环境建模的过程中，分别得到室内环境二维平面图、纹理型室内虚拟环境、精细型室内虚拟环境三个不同的建模成果，满足不同的应用需求。半交互指向关键步骤中增加少量交互，用以提高建模效率，增加建模精度。主要内容包括：第一，构建适合室内环境表达的数据模型；第二，以室内环境建筑工程图为基础，生成室内虚拟环境平面图；第三，利用折反射全景成像系统获取室内环境的全景图像，运用三维重建、智能交互和透视挤压等技术，实现室内虚拟环境从粗糙模型到精细模型的半自动重建，制定适用于室内虚拟环境的建模流程；第四，分析重建过程中累积的建模误差，评估室内虚拟环境的建模精度；第五，运用空间认知理论对构建的室内虚拟环境进行实验与评估，总结基于室内虚拟环境的空间认知规律。

本项目旨在研究如何高效、精确地重建室内虚拟环境的建模方法，以满足不同用户的需求。 项目的主要研究内容归纳为如下几个方面：(1)根据室内模型和室外模型的差异，提出了室内地图数据模型，用作室内环境概念建模的基础；(2)研制了“室内全景数据采集装置”，用于室内全景图像的快速采集；(3)结合室内建筑制图规则和图形理解技术，提出了基于建筑平面图的室内平面地图自动提取算法，实现了墙体连通性恢复、墙体中线提取、拓扑关系构建等内容；(4)提出了基于相机标定的全景图拼接方法，实现了全景图像高效、可靠的拼接；(5)提出了交互式提取墙角线算法，可靠提取了构成室内全景图的墙角线信息，为纹理型室内虚拟环境的构建奠定了图像数据基础；(6)在纹理型室内虚拟环境的基础上，利用透视挤压算法实现了室内附属物的提取，提出了利用双目立体视觉获取物体三维几何信息的算法，实现精细型室内虚拟环境的重建；(7)研究了基于室内虚拟环境的空间认知规律。 基于以上研究内容，形成了一系列研究成果，包括：（1）学术论文：总结相关研究成果，撰写了17篇学术论文，其中SCI、EI检索论文5篇；（2）专著和译著：在开展相关研究的同时，公开出版了译著2部；（3）专利成果：在开展相关研究的同时，提高知识产权保护意识，申请了1项国家发明专利,1项国家实用新型专利和1项计算机软件著作权。（4）学术交流：参与了国内外学术交流10余次，分别在不同的会议上做相关研究内容的学术报告，扩大了学术影响力。（4）人才培养：指导了2名博士生、3名硕士生、6名本科生顺利毕业，其中1人获得信息工程大学优秀博士学位论文，2人获得信息工程大学地理空间信息学院“十佳”本科毕业设计论文。