360°全景漫游在校園虛擬展示設(shè)計中的應(yīng)用研究

高曉晶 馮麗露

摘 要： 近幾年，基于全景圖像的漫游逐漸成為實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的一個分支，在地圖導(dǎo)航、室內(nèi)展示中扮演著重要的角色。文章以校園建筑及景色為主要的實景素材收集對象，通過合成全景軟件PanoramStudio 2 Pro、創(chuàng)建漫游系統(tǒng)軟件pano2vr將照片合成為視覺上的三維場景，使觀賞者產(chǎn)生身臨其境的感覺，具有一定的交互性、沉浸感，真正實現(xiàn)足不出戶漫游大學(xué)校園。

關(guān)鍵詞：校園；PanoramaStudio 2 Pro；全景漫游；pano2vr：沉浸感

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）06-0085-04

基于圖像的繪制是一種新興的虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)方法，以計算機視覺和圖像處理等理論和方法為基礎(chǔ)，嘗試利用真實的圖像代替?zhèn)鹘y(tǒng)的幾何建模，同時又利用圖像空間的變換操作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繪制過程。由于基于圖像的繪制技術(shù)在構(gòu)造真實感場景和繪制速度上與傳統(tǒng)計算機圖形學(xué)相比有很大的獨特優(yōu)勢，近年來逐漸成為圖形學(xué)發(fā)展的一個熱點，尤其是在虛擬環(huán)境的構(gòu)造上有著很好的應(yīng)用場景[1]。就學(xué)校而言，大一新生在異地可以通過全景漫游觀看學(xué)校的資料、圖片等信息，如教學(xué)大樓、圖書館、宿舍、餐廳等等，而紙質(zhì)版的圖片信息宣傳冊已經(jīng)滿足不了學(xué)生和家長的需求，制作宣傳冊成本較高，且僅能表現(xiàn)部分信息，而全景漫游可以完整展示學(xué)校各個地方，信息量大，使用戶不用來學(xué)校就能在網(wǎng)上考察學(xué)校，方便了全國各地的用戶。

一、全景漫游虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

全景圖像拼接技術(shù)是一種利用兩張圖片的重疊部分將其拼接到一起，從而形成一系列包含各圖像序列信息的全景圖的技術(shù)。全景圖像漫游是將一系列普通的全景圖制作成一套完整的全景展示系統(tǒng)，利用軟件內(nèi)置的皮膚編輯器豐富系統(tǒng)功能模塊，最終生成的文件可獨立運行于各種設(shè)備[2]。

目前國內(nèi)外市場都非常重視這個新興發(fā)展起來的行業(yè)——三維全景。三維立體全景適應(yīng)性廣，制作簡單，投資小，數(shù)據(jù)量小，見效快，全景漫游是目前最親民最真實的一種虛擬方式?；趫D像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)對校園全景漫游展示系統(tǒng)的研究有三方面的原因，一是隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用到各個行業(yè)，逐漸成為當下熱門的構(gòu)造虛擬場景的方式之一；二是數(shù)字校園工程的推進，許多高校通過建立本校的虛擬漫游進行宣傳，同時方便在校師生；三是基于圖像的虛擬現(xiàn)實繪制技術(shù)的各種優(yōu)點決定了其較高的實用性。

全景漫游在當下主要應(yīng)用于地圖導(dǎo)航、建筑行業(yè)的室內(nèi)外展示、旅游景點的再現(xiàn)。

1.地圖導(dǎo)航

地圖導(dǎo)航無疑是比較適合全景漫游的實例，在國內(nèi)使用率比較高的百度地圖、騰訊地圖都提供了地圖的實景導(dǎo)航，對每個城市的主要干道都有實景圖片。不僅如此，百度地圖和騰訊地圖還提供了場景轉(zhuǎn)換，平面地圖和實景圖片相結(jié)合來為用戶導(dǎo)航，交互性的增加為用戶的出行提供極大的便利。圖1展示的是百度地圖實景圖片。

在國外，許多app也提供實景地圖，例如Mapquest、谷歌地圖 Google Maps、雅虎地圖 Yahoo！ Maps and Driving Directions等。

2.旅游景點再現(xiàn)

旅游景點的實景再現(xiàn)，可以實現(xiàn)用戶足不出戶就可以體會到身臨其境的感受，不僅如此，如果因為自然因素或是人為因素建筑物遭到破壞，實景圖還可以還原建筑物之前的樣貌。在圖2中，利用實景再現(xiàn)技術(shù)，展示北京故宮博物館實景圖。

二、基于pano2vr實現(xiàn)全景展示的可行性分析

校園全景展示采用2D圖片合成全景圖片技術(shù)，再應(yīng)用pano2vr實現(xiàn)校園漫游。運用傳統(tǒng)3D建模軟件搭建三維場景模型，然后通過計算機圖形技術(shù)對場景模型進行消隱、著色、光照等一系列處理，進而產(chǎn)生虛擬場景。這種傳統(tǒng)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實情境的方法存在的問題也日益凸顯出來：①對于布局復(fù)雜以及形態(tài)不規(guī)則的自然場景來說，建模工作比較費力和耗時；②虛擬場景生成對計算機性能的要求很高，而且很多都是逐幀渲染，耗時較長，對于普通用戶來說，硬件設(shè)備遠不能滿足要求；③基于傳統(tǒng)建模技術(shù)生成的全景漫游系統(tǒng)占用的存儲空間較大，對于圖片顯示質(zhì)量要求很高，所以使用時往往需要很長的時間來加載。

Pano2vr相對于其他全景漫游制作軟件具有以下特點：①輸出文件時，添加了場景與瀏覽器同樣大小的設(shè)置，這樣在播放時顯示尺寸就可以在顯示器上全部顯示。②新增了熱點透視，無論在哪里添加熱點，添加上的熱點就可以生動地融入場景當中。③生成的動畫文件所占用的存儲空間非常小。其導(dǎo)出格式可以選擇swf文件，使用任何一個瀏覽器都可以瀏覽。④無水印，相比于企業(yè)出版的漫游軟件來說，這款軟件可以無償使用，且不會附帶水印。⑤操作簡單。使用漢化版可以很快上手，并對各個功能模塊有所了解。

三、全景展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.系統(tǒng)總體設(shè)計思路

2.全景圖片合成

（1）全景圖像模型的選擇

全景圖像模型主要分為柱面模式、360度模式和球形模式。此次設(shè)計由于器材的限制，無法使每張全景都涉及到完整的天和地，因此在選擇模型時主要采用柱面模式和360度模式這兩種模式。對于標志性建筑物，比如在采集慎思樓的圖像時，因其高度和拍攝時選取的地理位置的限制，所以需要從上到下各個層次多層拍攝合成全景圖。從一個場景轉(zhuǎn)入到下一個場景，有時不需要涉及背后的景象，便采用180度或者270度環(huán)繞，這便是柱面模式，其余采用360度環(huán)繞一圈。

（2）圖像獲取

在采集圖像之前首先進行位置點的分析，確定合理的拍攝地點。采集全景圖像主要運用到的是單反和三腳架。單反像素較高，能很好的滿足在漫游時放大場景的需求，將其與三腳架結(jié)合，固定上下?lián)u動，只利用其左右搖動，會在拍攝過程中大大減少工作量，每張素材基本都可以使用。因為在合成柱形全景圖時需要平面360度環(huán)繞一圈，將上一張照片的最后五分之一處作為下一張照片剛開始的五分之一處，且整個全景圖分類下的每張照片焦距不能變，以便于合成全景時能夠更真實，更自然。每一張照片最大限度的利用，避免導(dǎo)出渲染全景圖時自動裁剪上下邊緣，使之范圍大大縮減。

（3）圖像拼接

圖像拼接是全景圖制作的關(guān)鍵過程。由于在實際拍攝中數(shù)碼相機拍攝時存在一定的夾角，它可以利用匹配算法對圖像進行拼接，最后進行拼接和邊緣融合。為了保證拼接時的準確真實性，在采集圖像時要盡可能保證兩張圖像間的重疊部分。

3.全景圖生成

本系統(tǒng)制作全景圖采用PanoramStudio 2Pro軟件拼接合成全景。PanoramStudio 2Pro利用相鄰兩張圖片的重疊部分將其拼接到一起，從而合成完整的全景圖。具體實現(xiàn)過程如下（以校門口為例）：

（1）導(dǎo)入圖像

打開PanoramStudio 2Pro軟件，導(dǎo)入圖像，其效果如圖4所示，這些圖像均為合成校門全景所需。加載完成之后依據(jù)布局對圖片的位置順序進行調(diào)整。對需要裁減的部分可直接編輯圖片。某些圖片因曝光過度需要調(diào)整，可預(yù)先在Photoshop中進行編輯。

（2）設(shè)置焦距和視野

因為在拍攝時已經(jīng)保持焦距不變，在此軟件中可以選擇焦距未知（自動），軟件自動估算焦距。視野應(yīng)設(shè)置為與拍攝時人眼一般的高度，這樣合出來的圖片錯誤較少，大大節(jié)省了工作量。

（3）對齊圖像

選擇對齊圖像對全景圖進行初步合成。針對各個全景的需要選擇合成排列性（局部）全景或者360度排列全景，其效果如圖5所示。

（4）全景圖修改

有時會因為視野設(shè)置不合適，或者采集圖像時重疊部分太少，出現(xiàn)個別重疊部分完全消失、路燈等彎曲的問題，需要利用軟件中的“修改圖像排列”和“修改細節(jié)調(diào)整”進行對重疊部分的完善。

（5）全景圖導(dǎo)出

在采集圖像時會因為光線角度，導(dǎo)致每張照片的色彩飽和度有所不同，尤其在合到一起之后會更加明顯，所以在導(dǎo)出保存之前需要對該全景圖進行著色，使整張圖看起來更加流暢自然。之后進行保存。有時在著色完成之后，整張全景圖的飽和度偏亮或偏暗，可以采用優(yōu)化選擇，調(diào)整其色彩曲線。

4.基于pano2vr的全景展示實現(xiàn)

將所有的全景圖合成之后，在軟件pano2vr中開始漫游系統(tǒng)的制作。此軟件的關(guān)鍵部分是皮膚編輯器，基本所有的功能模塊都需通過它實現(xiàn)，熱點、縮略圖、平面地圖等。皮膚編輯器主要由容器、矩形、節(jié)點、圖片、文字幾部分構(gòu)成。每部分之間又有很嚴謹?shù)膶蛹夑P(guān)系，矩形、節(jié)點、圖文可以放置于容器中，節(jié)點、圖文也可以放置于矩形中，但容器不能放置于容器中。

在皮膚編輯器中，對各個物體錨點的設(shè)置決定了其在場景中的位置。它的相對關(guān)系僅僅是針對上一級，容器是最高的層級，左上錨點位置便是場景中的左上，例如矩形的上一層級是容器，左上錨點位置便是容器左上，而不是場景左上。錨點的位置必須設(shè)置準確，在制作過程中很多錯誤都是由于錨點位置的錯誤引起。關(guān)鍵制作過程如下：

（1）導(dǎo)入全景圖

將第一張全景圖導(dǎo)入到軟件中后，修改其顯示參數(shù)，因這張全景圖可以360度環(huán)繞，將水平視角設(shè)置為360度，在顯示圖中設(shè)置剛開始場景，如圖6所示。

（2）添加熱點

熱點鏈接是連接兩張全景圖的橋梁，通過點擊進入下一張全景。熱點的設(shè)置需要兩部分來完成，一是在全景圖中設(shè)置交互熱點，為了方便，其ID名與皮膚ID名設(shè)置成相同的英文字符，URL連接到下一張全景圖，熱點圖是系統(tǒng)默認的圖片，其效果如圖7所示；二是將熱點圖更換成自己在Photoshop中制作好的png格式的圖片。在皮膚編輯器中導(dǎo)入自己的熱點圖片，其ID名必須與全景圖上的熱點名一致，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，編輯文字，將圖片與文字放置于同一節(jié)點下，為節(jié)點添加動作。

（3）添加文字

在場景中需要完成鼠標放置到熱點上時顯示文字、離開時隱藏的效果，在皮膚編輯器中添加文本，將其與相對應(yīng)的熱點放置于同一個熱點下，并在熱點上設(shè)置動作，操作界面如圖8所示。

（4）添加背景音樂

添加音樂有兩種模式，一是為整個背景添加，使音樂貫穿于所有場景之中；二是為單張全景圖添加音樂，在切換到下個場景后音樂停止。此次設(shè)計考慮到音樂的連通順暢，避免卡頓現(xiàn)象，選擇在第一張全景圖上為整個背景添加并設(shè)置，使之完整的播放。

（5）添加平面地圖

通過平面地圖可以更直觀的反映出用戶目前的視野區(qū)域，隨著用戶在場景中的移動，其節(jié)點的顏色也會發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣用戶便可以知道自己目前正處的位置。Photoshop中準備工作主要包括校區(qū)地圖、節(jié)點標記制作。在pano2vr軟件中將其導(dǎo)入到地圖列表下，在彈出窗口中將每個場景對應(yīng)到平面地圖的相應(yīng)位置，然后要在該位置添加圖片熱點鏈接到相應(yīng)的場景，為其添加修改器命令。

（6）添加縮略圖

縮略圖在系統(tǒng)中起指導(dǎo)性作用。用戶通過點擊縮略圖可以快速進入相對應(yīng)的全景。制作縮略圖需要將圖片與文字放置于同一節(jié)點下，為節(jié)點添加動作，在鼠標進入、離開時設(shè)定元素比例大小、鼠標激活、停用時分別更改、設(shè)定元素透明度，對縮略圖進行明暗變化、大小的處理。對皮膚編輯器中縮略圖錨點位置一定要設(shè)置準確，否則為其添加的動作無法實現(xiàn)，不能達到預(yù)期效果。

（7）添加熱鍵

熱鍵是系統(tǒng)的重要組成部分，在場景中起指示作用。主要包括放大、縮小、上移、下移、左移、右移、播放、暫停、縮略圖、全屏、導(dǎo)航圖幾部分。在Photoshop中進行制作。在皮膚編輯器中將這幾部分放置到同一容器中，并為每個熱鍵添加相應(yīng)的動作。

（8）輸出文件

在輸出文件時，對各個參數(shù)進行設(shè)置。鼠標靈敏度設(shè)置成偏低，避免用戶在移動時出現(xiàn)暈眩。最關(guān)鍵輸出時要設(shè)置成滿屏，以便在網(wǎng)頁中瀏覽時成百分之百的視圖。

（9）預(yù)覽與發(fā)布

完成場景漫游之后，選擇輸出swf格式的文件，在網(wǎng)頁上預(yù)覽。

四、結(jié)束語

三維全景漫游從誕生以來發(fā)展迅速，已經(jīng)應(yīng)用于地圖導(dǎo)航、景點實景展示、校園漫游等方面，正是發(fā)展的黃金時期，尤其是在地圖導(dǎo)航中的街景方面以及旅游業(yè)的古建筑景點漫游方面發(fā)展迅速，全景漫游可以更加真實的再現(xiàn)實際場景中的建筑物和環(huán)境，使用戶可以完全的身臨其境，未來的發(fā)展趨勢可能會將3D建模和全景圖片實現(xiàn)漫游相結(jié)合，更好的實現(xiàn)虛擬全景漫游。

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（編輯：魯利瑞）