360°全景技術在水電工程中的應用

吳小東，聞 平，桂 林，孫嘉駿

（1.中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650015）

360°全景技術在水電工程中的應用

吳小東1，聞 平1，桂 林1，孫嘉駿1

（1.中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650015）

結合水電工程建設和360°全景技術的特點，將360°全景技術應用于水電工程建設中，詳細闡述了360°全景技術制作過程；并探索了360°全景技術在水電工程建設及管理中的優(yōu)勢及價值，為水電工程信息化提供了新的解決方案。

水電工程；360°全景技術；虛擬現實

1 360°全景的特點

全景就是視角超過人正常視角的圖像[3]，本文中的全景特指水平視角360°、垂直視角180°的圖像，是一種對周圍景象以某種幾何關系進行映射生成的平面圖片，只有通過后期技術處理才能成為三維全景。360°全景顧名思義就是給人以三維立體感覺的實景360°全方位圖像，較之真三維場景具有以下優(yōu)點[4]：

1）開發(fā)成本低，360°全景制作無需過多的人力物力，利用數碼相機拍攝照片并采用軟化后期處理即可，采集設備簡易，軟件處理簡單。

2）真實感強，360°全景照片均為實地拍攝，符合日常生活中人眼觀察事物的模式，給瀏覽者很強的真實感和沉浸感。

3）數據量小，360°全景數據僅為圖片，適合以網絡為載體。通過瀏覽器即可瀏覽，對瀏覽者的設備也無特殊要求。

4）交互性強，通過Flash或HTML5的Web端展示，用戶可方便地放大、縮小、平移場景，在分辨率允許的前提下，可快捷查看場景中的細節(jié)。

2 PTGui與Pano2VR

本文采用PTGui與Pano2VR軟件進行全景制作。PTGui為Helmut Dersch公司的全景制作工具Panorama Tools提供了可視化界面，實現對圖像的拼接，其擁有豐富的圖像拼接功能，支持多種視圖、映射方式，此外，用戶可以自定義控制點以提高拼接的精度。圖像拼接后明暗均衡，無明顯拼接痕跡。

Pano2VR 作為全景圖像轉換軟件，能將全景圖像轉換為QuickTime、Flash等格式，同時支持圓形、球面、立方體面等不同的投影方式和jpeg、png等多種文件格式，可制作皮膚，添加熱點、圖片、音頻、視頻等，具有很強的定制功能。

3 全景投影方式對比

360°全景包含無縫覆蓋的空間影像，而在二維平臺上展現的卻是矩形圖像。由球形變換為平面，稱之為投影。常用的全景投影方式有：

1）球面投影，是目前全景技術中普通使用的投影方式。經過投影的全景圖像類似世界地圖，除穿越圖像中間的水平線保持水平外，都在不同程度上扭曲變形，越偏離中線變形越嚴重，上下2個端點形成2條像素線。投影后的全景圖片中，物體水平特征會彎曲，垂直特征則不會變形。球面投影后圖像只有1條接縫，容易處理，可進行精細調整。

2）立方體面投影，是將視點置于立方體的中央，同時對每個視角進行適當的圖像補償，以達到很好的環(huán)視效果。投影后形成6個像素密度和質量一致的正方形圖像，其水平視角和垂直視角均為90°。立方體面投影后圖像有12處接縫，后期不易對接縫處的圖像進行編輯，容易在接縫處出現像素錯位、影調分割等問題，破壞其連續(xù)性。

3）圓形投影，是角投影的一種。投影后圖像類似圓形魚眼鏡頭所拍攝的照片，具有很大的扭曲變形，但其360°的視角形成的整個連續(xù)、無接縫的圖像包含了三維空間的所有信息。由于圖像扭曲程度較大，圓形投影在后期極難對圖像進行編輯。

4）小行星投影，其投影方法與圓形投影相同，但圖像的二維表現效果和圖片形制有所不同，小行星投影可以根據需要進行適當的剪裁處理。投影后圖像由于扭曲程度較大難以后期編輯，不適合作為動態(tài)全景制作的源文件。

4 360°全景制作

圖1 360°全景制作流程圖

4.1 圖像采集

全景圖像的制作必須先使用數碼相機在實地拍攝全方位的場景照片，進行圖像采樣。使用的圖像大部分是采用普通相機拍攝的，拍攝時要求盡量保持相機水平，避免相機鏡頭在上下方向上偏轉過大，繞垂直軸旋轉一周連續(xù)拍攝，同時需要保證相鄰兩張圖像有一定的重疊度，作為后續(xù)圖像拼接的基礎。

4.2 圖像拼接

圖像拼接主要是利用拍攝的圖像數據中相鄰兩幅圖像重疊區(qū)域的相似度來實現[5]，首先在PTGui軟件中找到相鄰圖像中的同名點，將其設置成控制點，通?？刂泣c位置為較明顯、易分辨、能準確定位的細小位置，如物體的角點、線狀物體的交點等；然后根據特定算法，對圖像校正、拼接。圖2為多幅圖片拼接效果。

圖2 圖像拼接效果

4.3 圖像融合

拼接而成的圖像中通常會含有清晰的邊界，圖像拼接痕跡明顯，給全景瀏覽帶來不好的感受[6]。為實現圖像的無縫拼接，必須對圖像的重疊部分進行平滑處理，即將兩幅圖像配準校正之后進行融合，必要時可采用圖片處理軟件作相應處理。圖3為融合后的全景圖片。

圖3 全景圖片

4.4 全景制作

完成圖像采樣、圖像拼接、圖像融合等步驟后，就能得到虛擬水電工程各場景的全景圖片，為了更生動地展現全景圖片，給瀏覽者身臨其境的感覺，采用全景空間編輯器Pano2VR把多幅全景圖像組織成瀏覽者可任意漫游的虛擬全景空間[7]。

4.5 全景發(fā)布

在Pano2VR軟件中將虛擬全景空間發(fā)布為Flash或HTML5格式，可通過網頁形式發(fā)布到網絡上，瀏覽者足不出戶，就可以瀏覽整個虛擬全景空間[8]，了解水電工程的真實狀況。

5 全景拓展

5.1 屬性信息

水電工程建設中屬性信息豐富而全面，將屬性信息直觀準確地展示在虛擬場景中尤為重要，特別是在水電工程應急排險過程中，就更需要快速準確地進行屬性信息掛接，為應急排險決策提供支持。360°全景制作過程中，既可以采用添加興趣點的方式進行快速而簡便的屬性掛接，也可通過程序開發(fā)的方式進行屬性掛接及展示，這種方式不僅展現形式豐富多樣，還可鏈接屬性數據庫，做到屬性信息實時更新，動態(tài)展示[9]。如圖4所示，屬性信息表示當前紅石巖堰塞湖水位為1 175 m，庫容為4 328.75萬m3。

圖4 魯甸地震堰塞湖壩頂360°全景

5.2 全景導航

在水電工程現場一般存在多個全景熱點，而對于大工程甚至存在幾十乃至上百個，文件式管理方式極為不便，并且在進行全景瀏覽時，瀏覽者不易分辨當前瀏覽方位，導航圖無疑是解決這些問題的有效手段[10]，以影像或地圖作為導航圖底圖，將熱點標注其中，點擊即可瀏覽到指定全景，并在導航圖中標示出當前瀏覽的范圍，如圖5所示。

圖5 全景導航

360°全景制作已成功應用于多個水電工程中，并取得了較好的效果；此外，在803魯甸地震形成堰塞湖的應急排險中也發(fā)揮了積極作用。我院測繪人員第一時間登頂堰塞體進行測量并拍攝了堰塞體及堰塞湖照片，制作的360°全景為現場領導及專家真實地展現了堰塞湖及堰塞體的真實面貌，為堰塞湖的整治決策提供了寶貴的第一手資料。

6 結 語

360°全景與其他需要三維建模及仿真技術的虛擬現實技術相比，具有制作簡單、快速、成本低廉、真實感強、數據量小、便于發(fā)布與傳播等優(yōu)點，只需要將所拍攝的圖像拼接，就可使瀏覽者足不出戶便能身臨其境的虛擬漫游。本文將其應用于水電工程虛擬現實中，其所具備的良好沉浸感和立體感給瀏覽者在現實與虛擬之間搭起一座溝通的橋梁，隨著虛擬現實技術的發(fā)展，全景圖技術將會在各領域中得到更廣泛的應用。

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圖5 地類圖斑線局部示意圖

3 結 語

本方法通過GDAL/OGR開源數據庫二次開發(fā)，利用NPOI等技術,無需安裝任何第三方GIS處理軟件和成果編輯輸出軟件，即可一鍵輸出多種數據成果，優(yōu)化了作業(yè)步驟，達到了自動化、高集成數據處理的目標，程序界面簡單友好，在規(guī)范性、實用性、可靠性等方面均滿足生產要求，實現了土地勘測定界數據的快速、標準化生產。通過該方法的推廣使用，可大大減少內業(yè)工作量，提高工作效率和成果質量。

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第一作者簡介：李旺民，碩士，工程師，主要從事工程測量、城市規(guī)劃監(jiān)督測量和地理信息系統(tǒng)應用等方面的技術研究工作。

P258

B

1672-4623（2016）05-0112-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.035水電工程區(qū)域通常采用封閉式管理，非工作人員難以進入，尤其是一些危險區(qū)域更是如此。如何在保證施工安全的前提下，較為真實地展現現場情況，信息化、虛擬化無疑是一種較為妥當的方法。360°全景是基于靜態(tài)圖像的虛擬全景技術[1]，即通過專業(yè)相機捕捉整個場景的圖像信息或使用建模軟件渲染生成圖片，再進行圖片拼接融合，采用專門的播放器進行瀏覽，即可將平面照片或計算機建模圖片變?yōu)?60°全景，形成虛擬現實，把二維的平面圖模擬成真實的三維空間[2]呈現給瀏覽者，并為瀏覽者提供放大、縮小、平移等功能，以達到再現現場真實環(huán)境的效果。該技術在Google街景等網絡虛擬現實中已得到廣泛應用。

吳小東，碩士，主要研究方向為3S集成應用。

2015-03-05。

項目來源：云南省科技資助項目（2013ZB006）。