廣東省地震數(shù)字科普館360°全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建

葉佳寧， 何 霆

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣州 510070）

廣東省地震數(shù)字科普館360°全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建

葉佳寧1，2，3， 何 霆1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣州 510070）

360°全景系統(tǒng)以其良好的用戶體驗(yàn)在互聯(lián)網(wǎng)上獲得廣泛應(yīng)用。本文介紹了360°全景技術(shù)及其主要特點(diǎn)，并以廣東省數(shù)字地震科普館系統(tǒng)的建設(shè)為例，介紹以普通單反相機(jī)對全景圖獲取的技巧，以及對全景圖像進(jìn)行拼接、修正并制作360°全景漫游的廣東省數(shù)字地震科普館系統(tǒng)的方法。

360°全景；圖像；科普館

0 引言

廣東省數(shù)字地震科普館是虛擬現(xiàn)實(shí)的地震科普館，是實(shí)體地震科普館的補(bǔ)充。該館建成后，打破了時(shí)間、地點(diǎn)的限制，能讓網(wǎng)絡(luò)用戶足不出戶，就能身臨其境的欣賞地震科普館，獲取地震科普知識，為更多的用戶帶來了便利，也大大拓寬了防震減災(zāi)知識的宣傳范圍。要使用戶在網(wǎng)絡(luò)上有身臨其境的感覺，便要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得瀏覽者可以通過網(wǎng)絡(luò)，在瀏覽器上實(shí)現(xiàn)虛擬地震科普館場景的漫游，通過良好的互動(dòng)和逼真的感官刺激而有效的獲取地震科普知識。

隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸脫穎而出。360°全景以強(qiáng)烈的真實(shí)感和方便快捷的特點(diǎn)受到日益廣泛的應(yīng)用。本文構(gòu)建的廣東省數(shù)字地震科普館采用的便是360度全景技術(shù)。

1 360°全景技術(shù)及其主要特點(diǎn)

360°全景給人一種前所未有的瀏覽體驗(yàn)，讓你足不出戶就能身臨其境的感受到現(xiàn)場的環(huán)境。360°全景其實(shí)是利用相機(jī)環(huán)拍360度所得的一組照片，再通過專業(yè)軟件無縫處理拼接所得的一張全景圖像，然后采用flash技術(shù)制作為swf格式的圖像。該圖像可以用鼠標(biāo)隨意上下、左右、前后拖動(dòng)觀看，亦可以通過鼠標(biāo)滾輪放大、縮小場景。圖像內(nèi)部可安放熱點(diǎn)，點(diǎn)擊可以實(shí)現(xiàn)場景的來回切換。除此之外還可以插入語音解說，圖片及文字說明[1]。

與以往的建模、圖片等表現(xiàn)形式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，360°全景具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[2]：

（1）真實(shí)感強(qiáng)，基于對真實(shí)圖片的制作生成，相比其他建模生成對象更真實(shí)可信。

（2）比平面圖片能比能表達(dá)更多的圖像信息，并可以任意控制，交互性能好。

（3）經(jīng)過對圖像的透視處理模擬真實(shí)三維實(shí)景，沉浸感強(qiáng)烈，給觀賞者帶來身臨其境的感覺。

（4）生成方便，制作周期短，制作成本低。

（5）文件小，傳輸方便，適合網(wǎng)絡(luò)使用，發(fā)布格式多樣，適合各種形式的應(yīng)用。

2 360°全景的廣東省數(shù)字地震科普館的制作

360°全景系統(tǒng)的制作一般利用相機(jī)與三角架對場景進(jìn)行圖像采集，然后用圖像拼接軟件對所拍攝的圖像進(jìn)行拼接，用圖像處理軟件對拼接的圖像進(jìn)行細(xì)節(jié)修正，最后將全景圖發(fā)布成可以播放和瀏覽的格式嵌入至網(wǎng)站中以供瀏覽。具體的制作過程如圖1所示。

圖1 漫游系統(tǒng)制作流程圖Fig.1 Production flow chart of navigation system

2.1 圖像采集

目前，獲取全景圖的方法大致可以分為以下三種[3]：

（1）使用全景相機(jī)來直接采集一張柱面全景圖像。由于該方法需要特殊的相機(jī)設(shè)備，設(shè)備價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜，因此不適合普通人群，適合于專業(yè)攝影人員。

（2）使用視域較大的鏡頭進(jìn)行拍攝，例如魚眼鏡頭。此鏡頭相較于全景相機(jī)價(jià)格便宜，但對于普通人群價(jià)格仍然昂貴，并且拍攝出的圖像存在較大的變形，生成球面全景之前必須進(jìn)行矯正和變換。

（3）使用普通單反相機(jī)、配備三角架拍攝若干能夠覆蓋整個(gè)景物空間的照片序列，再利用拼接軟件對照片序列進(jìn)行拼接，從而獲得寬視野的全景圖。

拼接軟件對全景圖的拼接成功與否與圖像采集時(shí)所采用的方法息息相關(guān)，為使后續(xù)的圖像拼接能夠盡量多的產(chǎn)生匹配點(diǎn)。本文對科普館的圖像采集采用以下方法：

（1）選用佳能70D單反相機(jī)，配24～70 mm標(biāo)準(zhǔn)焦段鏡頭和帶手柄的三角架。

（2）科普館實(shí)際占地面積為730 m2，平面圖形狀狹長且有拐角，為了使漫游系統(tǒng)達(dá)到最真實(shí)的體驗(yàn)效果，因此拍攝點(diǎn)的分布設(shè)計(jì)非常重要。本文根據(jù)所要科普館平面圖，將拍攝點(diǎn)均勻分布在拍攝區(qū)域內(nèi)，以達(dá)到漫游系統(tǒng)所獲得的虛擬環(huán)境的毫無遺漏，如圖2所示。

圖2 拍攝點(diǎn)示意圖Fig.2 Sketches of photo points

（3）由于科普館的實(shí)際高度約為5 m，遠(yuǎn)高于普通建筑的單樓層，為完成360°全景圖，在沒有魚眼或者更高端鏡頭的支持下，實(shí)際在拍攝中將每個(gè)拍攝點(diǎn)分為上、中、下三層。

（4）由于選用普通的相機(jī)鏡頭，為達(dá)到相連接圖片完美的拼接效果，采用了以下四點(diǎn)技巧：

①拍攝中，規(guī)定每個(gè)拍攝點(diǎn)的起始拍攝方向?yàn)橥粋€(gè)方向；其次要注意相機(jī)鏡頭和三腳架轉(zhuǎn)軸處于同一中心點(diǎn)。

②為達(dá)到最好的圖像拼接效果，本次拍攝將水平方向均分12份，即為鏡頭每轉(zhuǎn)30°拍攝一張；將垂直方向分為上、中、下三層，其中水平為0度，向上45°，向下45°進(jìn)行拍攝。為嚴(yán)格控制拍攝的角度，本文的拍攝采用飛行系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器，并將其放置在鏡頭上方，精確定位每一次拍攝的角度。

③每個(gè)拍攝點(diǎn)拍攝時(shí)，按上、中、下的順序，分別完成向上180度12張照片的拍攝、水平12張照片的拍攝、向下12張照片的拍攝，全部完成后再以相同的方法對下一個(gè)拍攝點(diǎn)進(jìn)行拍攝。

④拍攝過程中，盡量不出現(xiàn)移動(dòng)的物體或者變換的背景，以免由于圖像的變換而造成圖像的拼接錯(cuò)位。

2.2 圖像拼接

2.2.1 全景圖拼接技術(shù)

將相互存在重疊區(qū)域的圖像序列通過配準(zhǔn)、融合等技術(shù)處理，將其中的重疊、冗余信息去除，寬視野的、完整的、高分辨的新的全景圖圖像的相關(guān)技術(shù)就是圖像拼接（image mosaic）技術(shù)[4]。在實(shí)際的制作過程中，全景圖的拼接是360°漫游系統(tǒng)制作的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，全景圖拼接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域等。

全景圖的拼接是全景圖像生成最重要的步驟，現(xiàn)有的拼接技術(shù)主要分為以下三個(gè)步驟：① 圖像預(yù)處理；② 圖像配準(zhǔn)；③ 圖像融合與邊界平滑?，F(xiàn)有的圖像拼接軟件一般基于以上三個(gè)步驟生成全景圖。

2.2.2 拼接軟件

現(xiàn)今，能夠生成全景圖的拼接軟件較多，較著名的有Stitcher Unlimited、Kolor Autopano、PTGUI、Panora-maMaker、Hugin、Photoshop-PTLens軟件等。拼接軟件可以把導(dǎo)入的一連串照片快速進(jìn)行組合，使每張圖片可以相互重迭在適當(dāng)?shù)奈恢蒙先ソM成一個(gè)新的圖像。此外，拼接軟件可以通過渲染的功能在每張照片的邊緣自動(dòng)地調(diào)整顏色，以使其對全景的影像提供一致的色調(diào)；另一方面，它也能自動(dòng)地調(diào)整相鄰的照片去除掉變形的可能，便可得到高質(zhì)量的全景圖[3]。

2.2.3 科普館全景圖的拼接

現(xiàn)有的拼接軟件已將全景圖拼接技術(shù)完成的非常完善，且能快速獲得高品質(zhì)全景圖，因此本系統(tǒng)采用拼接軟件對所拍攝的圖像進(jìn)行拼接。圖像采集時(shí)將科普館全景分為12個(gè)拍攝點(diǎn)，即共有12張全景圖。每個(gè)拍攝點(diǎn)又分為上、中、下三個(gè)層次進(jìn)行拍攝，每個(gè)層次的拍攝又以30°為間隔，360°全景拍攝則有12張圖片，因此一個(gè)拍攝點(diǎn)共采集36張圖像。每張全景圖則由36張圖片合成，圖3為拍攝點(diǎn)P3拼接后的全景圖，此圖為拼接軟件自動(dòng)生成，未經(jīng)過圖像修正。

由于嚴(yán)格按照垂直方向同一的角度、水平位移同一的角度進(jìn)行拍攝，在圖像拼接過程中無需人工手動(dòng)對特征點(diǎn)配置和圖像的反復(fù)調(diào)整，只需導(dǎo)入原始圖像、渲染后便可快速獲得優(yōu)良的全景圖像，大大降低了在圖像拼接過程中所花費(fèi)的人力成本。

圖3 拍攝點(diǎn)P3全景圖Fig.3 Panorama of photo point P3

2.3 圖像修正

當(dāng)圖像中出現(xiàn)大面積的單一色彩，尤其是在拼接的重合部分出現(xiàn)的全是單一色彩時(shí)，往往就會出現(xiàn)拼接錯(cuò)位，這是采集技術(shù)不可彌補(bǔ)的拼接缺陷，這種缺陷只能由人工手動(dòng)的對圖像進(jìn)行調(diào)整。科普館因面積大，在全景圖中地面、墻面、柱子都大量的出現(xiàn)，且圖像辨識不具備明顯的特征即特征點(diǎn)較少，因此出現(xiàn)不可避免的錯(cuò)位，如圖4所示。由于這種錯(cuò)位常常都是微小的錯(cuò)位，但往往又存在多數(shù)的拼接圖中，因此圖像修正成為必不可少的環(huán)節(jié)。本文利用Photoshop軟件對這種錯(cuò)位情況一一做了修正。

圖4 拼接后的錯(cuò)位圖Fig.4 Mismatched when picture stitched

2.4 廣東省地震數(shù)字科普館全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建

科普館在拍攝時(shí)以十二個(gè)拍攝點(diǎn)進(jìn)行拍攝，因此具有十二個(gè)球面全景圖，而每個(gè)球面全景圖則作為一個(gè)場景。一個(gè)場景僅僅是一個(gè)視點(diǎn)的瀏覽，并不能稱為真正的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)景。針對位置和場景的變換，對每個(gè)場景進(jìn)行合理的編輯和組織后，即可形成360°全景漫游，達(dá)到身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)景。

2.4.1 熱點(diǎn)區(qū)域的配置

科普館的全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建涉及到大量的展板知識、互動(dòng)系統(tǒng)和媒體文件。在漫游系統(tǒng)內(nèi)，為跟瀏覽者達(dá)到良好的互動(dòng)，熱點(diǎn)區(qū)域的配置尤為重要。在每個(gè)場景中，都需對所有出現(xiàn)在場景中的熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行配置，而同一個(gè)熱點(diǎn)出現(xiàn)在不通場景中則需要保證命名一致。如此配置，在瀏覽者對場景切換時(shí)能獲得良好的感觀體驗(yàn)。

2.4.2 全景圖的調(diào)試

全景圖在客戶端上進(jìn)行瀏覽要獲得最真實(shí)的體驗(yàn)效果，對全景圖調(diào)試是必不可少的。市面上有許多針對全景圖調(diào)試的成熟軟件，但是當(dāng)利用某個(gè)軟件對全景圖進(jìn)行調(diào)試后，生成的文件往往需要同類軟件才可使用，這就大大限制了對全景圖的使用。為使系統(tǒng)的制作具有后續(xù)的延展性和可變性，針對本課題的360°全景漫游系統(tǒng)，筆者開發(fā)了全景圖調(diào)試器。為后續(xù)編程中距離計(jì)算的便捷性，調(diào)試器選用球面幾何體。

全景圖調(diào)試器的作用是將二維的圖形切割成數(shù)個(gè)貼片，貼至三維的幾何體上，使得在圖像瀏覽時(shí)獲得真實(shí)的感官體驗(yàn)。但是在貼片的數(shù)量、貼片的位置、瀏覽的視角等方面都具有多種選擇，如選擇不當(dāng)則出現(xiàn)的場景往往會出現(xiàn)錯(cuò)位、扭曲、變形，這就需要利用全景圖調(diào)試器針對以上問題對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還原真實(shí)場景。

在全景圖調(diào)試器中，設(shè)置了面片分段數(shù)、水平邊距、垂直邊距、視角、垂直偏移及橢圓率等參數(shù)來解決場景的扭曲問題。全景圖調(diào)試器如圖5所示。調(diào)試時(shí)，可采取選擇圖內(nèi)某個(gè)規(guī)則的參考點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試。例如，選擇場景中的電視機(jī)作為參考點(diǎn)，在調(diào)整參數(shù)時(shí)，以電視機(jī)不變形的前提對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終完成整幅全景圖的調(diào)試。

圖5 全景圖調(diào)試器Fig.5 Debugger of panorama

3 結(jié)語

全景虛擬漫游技術(shù)是一個(gè)非常充滿活力、具有很大發(fā)展?jié)摿Φ膶?shí)用技術(shù)。本文以廣東省數(shù)字地震科普館漫游系統(tǒng)的制作為例，介紹了360°全景虛擬漫游系統(tǒng)的制作方法及技巧，特別是在圖像采集方面提供了一套切實(shí)可行且有利于圖像拼接的采集方法。另外，本課題針對360°全景系統(tǒng)制作的延續(xù)性和可變性，開發(fā)了全景圖調(diào)試器，它考慮并設(shè)置了各種影響圖像質(zhì)量的參數(shù)，達(dá)到了全景圖調(diào)試器的基本要求，同時(shí)也為將來同類360漫游系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。本文提供的制作方法及全景圖調(diào)試器，大大降低了制作360°全景漫游系統(tǒng)制作的人力、財(cái)力的投資，為其他科普館類基地相同全景漫游系統(tǒng)的制作提供一個(gè)良好的借鑒。

[1]百度百科.360度全景攝影.[EB/OL][2014-07-17] http∶//baike.baidu.com/link?url=WBGHy75avpQ8xBalKz3-Uzt1M4YTloNDn4RdXNbq5giJLmXVEYvo_4tSP0-UV9P-xkADagyRP1o55-3iXuF1Rxq.

[2]百度百科.360度全景.[EB/OL] [2014-07-17]http∶// baike.baidu.com/view/2131542.htm?fr=aladdin

[3]馮建平，吳麗華.基于全景圖像的三維全景漫游系統(tǒng)的構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013（1）：121-123

[4]呂曉帆，姜明.全景圖拼接的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011（6）：56-59.

Construction of 360 Degrees Panoramic Navigation System of Guangdong Province Digital Earthquake Museum

YE Jianing1，2，3，HE Ting1，2，3
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects，Guangzhou 510070，China）

The 360-degree panoramic system has been widely used on the Internet because of its good user experience.The paper introduces the 360-degree panoramic technology and its main characteristics.Taking the construction of Guangdong province digital earthquake museum system as an example,the paper introduces the panorama access methods by using a single electric digital camera,as well as the panoramic image stitching, correction and produce 360 degrees panoramic navigation method of Guangdong province digital earthquake museum system.

Virtual Reality；Image；Museum

TP391

A

1001-8662（2015）04-0086-06

10.13512/j.hndz.2015.04.13

葉佳寧，何 霆.廣東省地震數(shù)字科普館360°全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建[J].華南地震，2015，35（4）：86-91.[YE Jianing，HE Ting.Construction of 360 Degrees Panoramic Navigation System of Guangdong Province Digital Earthquake Museum[J].South china journal of seismology，2015，35（4）：86-91.]

2014-08-18

葉佳寧 （1985-），女，工程師，主要從事網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與地震應(yīng)急.

E-mail：510889962@qq.com.