全景圖技術(shù)在校園全景漫游中的應(yīng)用研究

董春俠++司占軍

摘要：通過沉浸式全景漫游的方式，方便學(xué)生特別是剛?cè)雽W(xué)新生了解校園教學(xué)樓及宿舍樓的分布，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)部的全景展示和交互漫游。以天津科技大學(xué)河西校區(qū)的實(shí)景為研究對象，首先對校區(qū)的分布狀況進(jìn)行分析，確定合理的采集點(diǎn)；然后利用單反相機(jī)拍攝圖片，借助PTGui合成全景圖；最后通過720云平臺完成交互場景的制作和發(fā)布。該應(yīng)用具有校園整體瀏覽、位置點(diǎn)實(shí)景展示、實(shí)景漫游的功能，能夠?yàn)樾枰私庑@位置信息的用戶提供更直接的途徑和更精確的信息，同時對學(xué)校也起到了一種宣傳作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；校園；全景漫游；720云；位置信息

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0210-02＼

Application and Research of Panorama Technology in Campus Panorama Roaming

DONG Chun-xia， SI Zhan-jun

（School of Packaging and Printing Works， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300222， China）

Abstract： By way of immersive panorama， students especially freshmen can understand the distribution of campuss buildings conveniently， achieving panoramic display and interactive roaming inside the campus. Tianjin University of Science and Technology in Hexi District as the research object， Firstly， the distribution of campus was analyzed to determine the reasonable collection point； Then shooting photographs using SLR， and compounding the panorama with PTGui. Finally， the interactive scene was made and released through 720 yun platform. This application has the function of overall browsing， virtual display and virtual roaming. It can provide more direct and accurate information for users who wants to know the location information of the campus， as the same time it plays a promotional role for the school.

Key words： virtual reality； school； panorama；720 yun； location information

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對交互體驗(yàn)要求越來越高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展和逐步流行，使得校園實(shí)景展示正朝著“逼真、自然、交互性強(qiáng)、便捷”的方向更加深入發(fā)展[1]。三維全景展示以其交互性強(qiáng)、真實(shí)呈現(xiàn)、漸變快速、深沉全景等特點(diǎn)[2]，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)領(lǐng)域、地圖領(lǐng)域、虛擬展示不夠逼真等缺陷，滿足了現(xiàn)代虛擬展示領(lǐng)域的基本交互要求，受到日益廣泛的關(guān)注。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對校園全景漫游展示系統(tǒng)的研究有三方面原因，一是科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并且在各行各業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[3]；二是數(shù)字校園工程的推進(jìn)，許多高校建設(shè)了基于Web技術(shù)的虛擬校園，其中校園全景漫游系統(tǒng)成為虛擬校園技術(shù)應(yīng)用的一個熱點(diǎn)[4]；三是基于全景圖像的漫游有良好的用戶體驗(yàn)。并且具有開發(fā)成本低、展示效果形象直觀、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)[5]。其意義在于為廣大新生或是想了解學(xué)校外貌的用戶提供更直接的途徑和更精確的位置信息服務(wù)，同時對學(xué)校也起到了一定的宣傳作用。

1 全景圖技術(shù)

全景圖技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個重要分支，是一種新興的可交互的富媒體技術(shù)[6]，具有采集和制作簡單、視角全方位、記錄性和再現(xiàn)性強(qiáng)、系統(tǒng)要求低等特點(diǎn)。

目前常用的全景圖模型包括立方體全景圖、柱面全景圖、球星全景圖和單魚眼全景圖。其獲取全景圖的方式主要分為兩大類[7]，一種是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的三維幾何模型建模和繪制（GBMR），該方法通過三維建模、貼圖渲染出全景圖，其效果與真實(shí)場景不完全相符，且制作周期長；另一種是基于圖像的建模和繪制（IBMR），該方法通過拍攝照片獲取真實(shí)場景的信息，然后通過拼圖軟件合成全景圖，能夠?qū)φ鎸?shí)場景進(jìn)行很好的還原，并且采集和更新的速度快。

目前，在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行展示全景圖像的第三方技術(shù)有VRML、X3D、Java、QuickTime、Flash等[8]。這幾種展示方式都需要一定的語言基礎(chǔ)和安裝瀏覽器插件，且不能夠跨平臺發(fā)布。HTML5技術(shù)是目前比較新的一種技術(shù)，它的出現(xiàn)可以解決一次開發(fā)，多平臺應(yīng)用，并且不需要安裝額外的插件，具備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是也需要一定的編程基礎(chǔ)。也可以通過VRP、Unity3D、Virtools、Pano2VR等軟件開發(fā)[9]，而VRP、Unity3D、Virtools、都是在三維建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，其制作周期長，技術(shù)水平要求高，專業(yè)性要求較強(qiáng)，軟件仿真操作起來較為復(fù)雜。720云基于全景圖像進(jìn)行開發(fā)，且不要任何語言基礎(chǔ)，開發(fā)簡單快速。

2 設(shè)計(jì)思路與整體框架

首先對校園位置信息進(jìn)行分析，確定合理的位置點(diǎn)，并使用單反相機(jī)采集照片；然后將采集的照片在PTGui中進(jìn)行全景圖的拼接，PhotoShop中對拼接完成的全景圖像進(jìn)行修飾調(diào)整；最后將處理完的全景圖導(dǎo)入到 720云平臺中進(jìn)行漫游制作，創(chuàng)建背景音樂和和文字信息，制作交互熱點(diǎn)，完成發(fā)布。其思路流程圖如下圖1所示：

3 基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境說明

系統(tǒng)需求：64位操作系統(tǒng)。

軟件要求：PhotoShop圖像處理軟件、PTGui全景圖拼合軟件、720云全景漫游制作軟件。

720云是一個集上傳、制作、分享、交易全景的綜合性服務(wù)平臺，一方面它的制作簡單，不需要任何語言基礎(chǔ)，能夠集成多種交互功能，并且在VR眼鏡盛行的情況下，該平臺能夠支持佩戴VR眼睛進(jìn)行更加沉浸的漫游功能；另一方面相比于其他語言或是平臺開發(fā)的全景開發(fā)周期短，成本低。該平臺分為網(wǎng)頁版和客戶端版，其中客戶端僅支持64位操作系統(tǒng)，相對于網(wǎng)頁版，客戶端版支持HTML5文件導(dǎo)出功能，可將導(dǎo)出的文件放置于指定的服務(wù)器中進(jìn)行發(fā)布。本設(shè)計(jì)基于720云平臺制作校園場景漫游交互效果，并借助其提供的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)發(fā)布。

4 制作過程

4.1 圖像采集

在采集圖像之前首先進(jìn)行位置點(diǎn)的分析，確定合理的拍攝地點(diǎn)。天津科技大學(xué)河西校區(qū)教學(xué)區(qū)主要由主樓、各學(xué)院教學(xué)樓、各部門辦公樓、圖書館、湖心花園、操場組成，經(jīng)過實(shí)地勘察和分析共設(shè)置 53個位置點(diǎn)，這些位置點(diǎn)主要分布于交叉路口或標(biāo)志性建筑物處。

圖片的采集是使用Canon 60d單反相機(jī)、全景云臺和腳架。由于普通單反鏡頭的拍攝范圍為50°左右，而在全景圖拼接時必須有重疊部分才可以更好的拼接，因此要采集水平360°方向的信息需要分角度進(jìn)行拍攝，如每隔30度取景一張，連續(xù)取景12張。水平方向采集完后，調(diào)整相機(jī)上下角度，即正負(fù)45度，再分別拍攝場景上面部分和地面部分的圖片素材，這樣，即可完成一個位置點(diǎn)的取景。同時在拍攝過程中曝光量、白平衡、對焦距離、反差等參數(shù)要保持一致，避免拼接時出現(xiàn)明顯的色差。

4.2 全景圖拼接

全景圖的拼接是在PTGui軟件中完成。步驟簡述如下：

1）加載圖像，即將描述同一位置點(diǎn)的圖片導(dǎo)入到軟件中，并設(shè)置鏡頭類型為“直線（普通鏡頭）”；

2）對準(zhǔn)圖像，讓軟件進(jìn)行重合點(diǎn)的識別對準(zhǔn)；

3）調(diào)整控制點(diǎn)，對準(zhǔn)圖像完成后，若存在一些沒有對準(zhǔn)的控制點(diǎn)，可手動調(diào)整進(jìn)行圖像對準(zhǔn)；

4）優(yōu)化圖像，“優(yōu)化全景圖”工具，讓軟件自動進(jìn)行微調(diào)，也可設(shè)置曝光度等參數(shù)；

5）創(chuàng)建全景圖。

通過PTGui合成的全景圖像殘缺不整，明暗不一，因此需要借助PhotoShop進(jìn)行修改完善，通過仿制圖章、曲線等工具修補(bǔ)殘缺、調(diào)整光線缺陷。

4.3 交互效果制作

本系統(tǒng)的交互效果是在720網(wǎng)頁端中制作，在制作之前首先需要注冊該平臺的賬號。制作中，首先進(jìn)入“發(fā)布”界面，通過輸入作品的名稱，上傳全景圖片或是選擇素材庫中的全景圖片，點(diǎn)擊“發(fā)布”即可完成作品的創(chuàng)建；在“全景圖片”中會看到創(chuàng)建的作品，創(chuàng)建完成的作品會有默認(rèn)的左右拖動瀏覽、場景選擇的功能，通過編輯按鈕可進(jìn)入作品的編輯界面如下圖2所示，通過該界面可以實(shí)現(xiàn)功能的開啟與關(guān)閉。

通過“全景高級設(shè)置”進(jìn)入全景高級界面，可以實(shí)現(xiàn)更加個性化的設(shè)置，如全景切換、超鏈接、初始視角等，全景高級設(shè)置界面如下圖3所示。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了全景圖的特點(diǎn)、全景圖模型、獲取全景圖的方式以及實(shí)現(xiàn)全景漫游的技術(shù)和軟件，對比得出720云是開發(fā)全景漫游展示系統(tǒng)的最簡單快速的方式；然后以天津科技大學(xué)河西校區(qū)為研究對象，介紹了全景漫游展示系統(tǒng)的制作過程?；趯?shí)景的全景漫游展示可以直觀真實(shí)的展示場景信息，為用戶提供位置信息服務(wù)，同樣可以應(yīng)用于旅游景點(diǎn)、博物館內(nèi)部的場景展示。

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