基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統(tǒng)研究★

付 廣 付 暉* 張 娟

(海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 儋州 571737)

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·計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用·

基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統(tǒng)研究★

付 廣 付 暉* 張 娟

(海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 儋州 571737)

以熱帶果園三維全景虛擬漫游系統(tǒng)的構(gòu)建為目標(biāo)，利用魚(yú)眼鏡頭和單反數(shù)碼相機(jī)獲取全景圖像，并對(duì)全景圖像進(jìn)行拼接制作了三維全景虛擬漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱帶果園的數(shù)字化、虛擬化、信息化展示，從而提升了熱帶果園的信息化管理水平及熱帶水果的知名度和品牌效應(yīng)。

全景圖像，三維全景，虛擬漫游，熱帶果園，芒果園

1 概述

我國(guó)熱帶和南亞熱帶地區(qū)(熱區(qū))自然條件比較優(yōu)越，熱量高，雨水充沛，濕熱同季，終年無(wú)嚴(yán)寒，極少霜凍，作物越冬條件優(yōu)越，適宜發(fā)展熱帶水果產(chǎn)業(yè)。我國(guó)熱帶果樹(shù)種類(lèi)繁多，各具特色，熱帶水果產(chǎn)品價(jià)值高，經(jīng)濟(jì)效益好，是典型的高效特色農(nóng)業(yè)。隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)熱帶水果數(shù)量和品質(zhì)的需求也在不斷增加。然而，在我國(guó)熱帶果園生產(chǎn)管理過(guò)程中，普遍存在果園規(guī)劃建設(shè)不合理、種質(zhì)資源匱乏、栽培技術(shù)落后、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)水平低、信息化服務(wù)鏈不足、產(chǎn)品品牌競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)等問(wèn)題。因此，需要從果園規(guī)劃和基本建設(shè)、種質(zhì)資源保護(hù)、豐產(chǎn)栽培技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)、信息服務(wù)鏈和品牌建設(shè)等方面開(kāi)展研究，從而促進(jìn)熱帶水果產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、農(nóng)民增收增效、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)繁榮與和諧發(fā)展。

以數(shù)字智慧農(nóng)業(yè)為代表的農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化等方面研究，有利于農(nóng)業(yè)形成專(zhuān)業(yè)化的生產(chǎn)、集約化的經(jīng)營(yíng)、現(xiàn)代化的管理模式。同時(shí)，還有利于農(nóng)業(yè)教育、科研和推廣的“三位一體”發(fā)展。三維全景虛擬漫游技術(shù)是基于全景圖像的真實(shí)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，全景是利用相機(jī)對(duì)實(shí)景進(jìn)行360°拍攝的一組或多組照片拼接成一個(gè)全景圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位互動(dòng)式觀看的真實(shí)場(chǎng)景[1-4]?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于城市街景、旅游景點(diǎn)、文物古跡、博物館、校園、酒店房產(chǎn)、展覽展會(huì)等方面的展示[5-10]。

針對(duì)我國(guó)熱帶果園生產(chǎn)管理的現(xiàn)狀與問(wèn)題，以海南省芒果園為對(duì)象，選取其具有代表性的路線(xiàn)、位置、視角、方位為熱點(diǎn)，利用GPS技術(shù)、全景攝影技術(shù)、三維實(shí)景虛擬技術(shù)，構(gòu)建基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統(tǒng)，以360°全景圖的方式實(shí)現(xiàn)在多個(gè)不同場(chǎng)景中的交互式虛擬漫游效果，再現(xiàn)熱帶果園的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的漫游，從而達(dá)到對(duì)芒果園的數(shù)字化、虛擬化、信息化展示，并借此提高熱帶果園的信息化管理水平，提高熱帶水果的知名度和品牌效應(yīng)。

2 芒果園三維全景虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三維全景虛擬漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要相應(yīng)的硬件和軟件的結(jié)合。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

2.1 前期準(zhǔn)備

1)實(shí)地調(diào)查：選擇海南省的芒果園，了解其地理信息、基礎(chǔ)設(shè)施、種植面積、種植計(jì)劃、工作人員、生產(chǎn)管理等信息(見(jiàn)圖2)，為下一步開(kāi)展全景攝影做準(zhǔn)備。

2)硬件設(shè)備準(zhǔn)備：合理的器材搭配，能夠最大限度的發(fā)揮各設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，獲得高品質(zhì)的影像[2]。在相機(jī)的選擇上，常用的有單鏡頭數(shù)碼相機(jī)、普通卡片相機(jī)等。由于普通卡片相機(jī)的性能普遍不足，本研究中相機(jī)選擇為尼康單反數(shù)碼相機(jī)(Nikon D300 s)。在魚(yú)眼鏡頭的選擇上，現(xiàn)在普遍使用的魚(yú)眼鏡頭有圓形魚(yú)眼(Circle)、鼓形魚(yú)眼(Drum)和全幀魚(yú)眼(Full Frame)三種，鼓形魚(yú)眼鏡頭由于在360°全景照片拍攝數(shù)量和照片質(zhì)量上均有保證，故選擇西格瑪鼓形魚(yú)眼鏡頭(Sigma 8 mm)。另外需選擇全景攝影云臺(tái)(Agnos Mrotator T)、三腳架以及其他輔助設(shè)備(見(jiàn)圖3)。

3)后期制作軟件選擇：常用拼接軟件有Autodesk Stitcher Unlimited，PTgui，Panotour Pro，Pano2VR，ArcSoft Panorama Maker，Photoshop-PTLens，杰圖造景師軟件等。經(jīng)過(guò)多種嘗試，最終選擇使用杰圖造景師8.0企業(yè)版軟件進(jìn)行全景圖像的拼接，后期交互界面制作選擇上海杰圖軟件公司的漫游大師4.3企業(yè)版。

4)針對(duì)芒果園的基本情況，制訂詳細(xì)的拍攝計(jì)劃，選擇合理的拍攝路線(xiàn)、拍攝時(shí)間和相機(jī)機(jī)位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)中選擇芒果園中的主干道路為主體拍攝線(xiàn)路，一般選擇上午或下午太陽(yáng)較弱的時(shí)候進(jìn)行拍攝。相機(jī)機(jī)位選擇視角寬闊，并且是場(chǎng)景中心的位置。

2.2 圖像拍攝

1)安裝硬件設(shè)備，關(guān)鍵在于將鏡頭節(jié)點(diǎn)放在云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸心上。2)調(diào)整相機(jī)的拍攝參數(shù)，關(guān)鍵是得到合適的光圈值和快門(mén)值，拍攝一個(gè)點(diǎn)的過(guò)程中只能用同樣的曝光參數(shù)。3)拍攝，魚(yú)眼鏡頭焦距為8 mm時(shí)的視角約為180°，為保證圖片的重疊區(qū)域達(dá)到50%，每個(gè)場(chǎng)景需要拍攝6張圖片(前后左右加天、地)，每旋轉(zhuǎn)90°拍攝一張(見(jiàn)圖4)，為后期拼合形成360°環(huán)形圖片做好準(zhǔn)備，期間需注意設(shè)備的水平和垂直穩(wěn)定。

2.3 圖像拼接與處理

全景圖像的拼接主要分以下三個(gè)步驟進(jìn)行：1)單張圖片處理：采用8 mm魚(yú)眼鏡頭進(jìn)行拍攝時(shí)，視角約為180°，相機(jī)底部的三腳架會(huì)進(jìn)入圖片中，拼合后可能會(huì)留有三腳架的影像，可以在生成全景圖之前用Photoshop對(duì)單張圖片進(jìn)行處理。2)圖像拼接：采用杰圖造景師8.0企業(yè)版軟件進(jìn)行圖像的拼接，杰圖造景師軟件能夠自動(dòng)識(shí)別相鄰圖片中的圖形轉(zhuǎn)折點(diǎn)、色差較大的細(xì)部節(jié)點(diǎn)等作為重疊部分，通過(guò)設(shè)置與查找重疊區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)，可以將相鄰兩張圖片中的關(guān)鍵點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，設(shè)置好相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)，選擇球形全景類(lèi)型，即可拼合360°全景圖(見(jiàn)圖5)。3)拼接后與三維特效處理：對(duì)拼合的360°全景圖片的頂部、底部進(jìn)行補(bǔ)充?？梢赃x擇拍攝合適大小的天空、地面圖片(相機(jī)垂直90°向上、向下)用于后期對(duì)全景圖頂、底部的修飾，使頂部和底部更自然和美化。之后進(jìn)行三維特效處理，生產(chǎn)符合三維全景虛擬漫游系統(tǒng)需要的全景圖像(見(jiàn)圖6)。

2.4 三維全景虛擬漫游系統(tǒng)構(gòu)建

三維全景虛擬漫游系統(tǒng)的構(gòu)建分為以下三個(gè)步驟進(jìn)行：1)利用地理信息系統(tǒng)軟件制作芒果園地圖，用于全景漫游導(dǎo)航。并利用拍攝場(chǎng)景GPS定位設(shè)置為熱點(diǎn)，制作完成熱點(diǎn)導(dǎo)航地圖。2)利用杰圖漫游大師軟件，制作系統(tǒng)視圖界面(場(chǎng)景播放器、地圖播放器等)、控制按鈕、選擇組件、描述文本和圖像以及多媒體播放(視頻、音樂(lè)等)，完成系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。3)同步設(shè)置場(chǎng)景與熱點(diǎn)互動(dòng)，完成交互式操作，添加背景音樂(lè)，預(yù)覽并調(diào)試完善系統(tǒng)，最后將系統(tǒng)發(fā)布成flash格式或HTML格式，并進(jìn)行展示應(yīng)用(見(jiàn)圖7)。

3 結(jié)語(yǔ)

三維全景虛擬漫游技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化方面的應(yīng)用尚處于起步階段。本文針對(duì)我國(guó)熱帶果園生產(chǎn)管理的現(xiàn)狀與問(wèn)題，以海南省芒果園為對(duì)象，利用GPS技術(shù)、全景攝影技術(shù)、三維實(shí)景虛擬技術(shù)，構(gòu)建基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統(tǒng)，以360°全景圖的方式實(shí)現(xiàn)在多個(gè)不同場(chǎng)景中的交互式虛擬漫游效果，再現(xiàn)熱帶果園的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的漫游，從而達(dá)到對(duì)熱帶果園的數(shù)字化、虛擬化、信息化的管理與展示，以此提高熱帶果園的信息化管理水平，從而節(jié)約生產(chǎn)成本、提升宣傳效果、增加果園的經(jīng)濟(jì)效益。未來(lái)該系統(tǒng)結(jié)合地理信息空間數(shù)據(jù)展示，作為果園管理系統(tǒng)的輔助應(yīng)用，也會(huì)具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 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):115-117.

[2] 於 迪.南京仙林大學(xué)城全景虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京師范大學(xué),2013.

[3] 王鴻飛.三維全景漫游技術(shù)在旅游業(yè)中的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2013.

[4] 王玉瓊.三維全景漫游技術(shù)及應(yīng)用研究[D].昆明：云南財(cái)經(jīng)大學(xué),2013.

[5] 楊 琳,趙建民,朱信忠,等.虛擬校園三維全景漫游技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2007(10):26-28.

[6] 郭長(zhǎng)青,曹 芳.三維全景技術(shù)在旅游景區(qū)介紹中的應(yīng)用[J].地理空間信息,2009(1):46-48.

[7] 陳丁山,喬 波.三維全景虛擬校園的研究與應(yīng)用[J].福建電腦,2008(5):96,104.

[8] 程 剛,鄭小華,陽(yáng) 鋒,等.三維全景視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(34):19854-19856,19878.

[9] 周亦鵬,胡 娟.基于三維全景技術(shù)的數(shù)字礦山漫游系統(tǒng)[J].金屬礦山,2012(5):116-120.

[10] 江 婕,況 揚(yáng).三維全景技術(shù)在紅色文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng),2013(3):152-154.

Construction of the three-dimensional panoramic walkthrough system in tropical orchard based on panoramic image★

Fu Guang Fu Hui * Zhang Juan

(InstituteofTropicalAgricultureandForestry,HainanUniversity,Danzhou571737，China)

In this paper, 3D panoramic walkthrough system of tropical orchard is build based on panoramic image. The panoramic images were mosaic from single fisheye lens image by use of digital camera fisheye lens and a single electric digital camera. The system displayed tropical orchard in digital and virtual way. And it can be to improve the tropical orchard information management level, and to raise awareness and brand effect of tropical fruits.

panoramic image, three-dimensional panoramic, virtual reality walkthrough, tropical orchard, mango orchard

1009-6825(2017)14-0255-03

2017-02-25★：海南省教育科學(xué)規(guī)劃一般課題(QJY1251503)；海南大學(xué)教育教學(xué)研究課題立項(xiàng)項(xiàng)目(hdjy1646)

付 廣(1982- )，男，助教

付 暉(1985- )，女，博士，講師

TP319

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