基于三維GIS 的實景VR 漫游場景生產(chǎn)制作技術(shù)研究

胡永進，楊小花，魯禺州

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，句容 212400）

1 引言

VR 攝影技術(shù)又名全景攝影，是指通過對環(huán)境、場景或具體靜物進行720°的實地或?qū)嵨锱臄z，將圖片拼接為720度全景圖，并利用虛擬漫游軟件將場景或物體各個角度的二維圖片模擬成具有一定交互功能的、具有三維效果的展示空間[1]。當前的實景VR 場景，包括實景拍攝的全景照片及全景視頻，通常采用空中無人機、地面騎行/車行等攝影平臺搭載Gopro 等3D 攝像機進行全方位720度拍攝視頻/照片。用戶在觀看視頻/照片的時候，可以隨意調(diào)節(jié)視頻上下左右進行觀看，從而達到沉浸式體驗效果，廣泛應(yīng)用于旅游景點拍攝、醫(yī)療上的觀察、或者娛樂性用途。但一般VR 漫游場景制作為事先規(guī)劃，由無人機搭載全景相機進行視頻拍攝，該技術(shù)受拍攝當天的場地、地形、空域、天氣等影響，無法保障視頻/照片拍攝質(zhì)量；而且拍攝路線固定，表現(xiàn)場景單一，且后期視頻/照片制作再創(chuàng)造性不強。

本研究提出了基于三維GIS 系統(tǒng)的實景VR 漫游場景的制作方法和工藝流程，利用GIS 三維平臺展示手段，通過將DOM 影像和DEM 高程相配準、疊合，在平臺中進行切片、渲染，隨著用戶操作實時調(diào)入影像和地形將渲染后的三維地形展示出來，可解決任意時刻、任意視角、任意手段路線的實景VR場景制作問題，降低了實景VR 場景的制作門檻，為實景VR 漫游場景制作提供新的技術(shù)方法。

2 試驗區(qū)概況及方案選擇

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)為某河流流域兩岸，面積約20平方公里，成果包括1：2000比例尺的地形數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM），詳見圖1。要求采用區(qū)別于傳統(tǒng)的三維GIS 展示技術(shù)，實現(xiàn)720度VR 虛擬漫游效果。

圖1 試驗區(qū)高精度數(shù)據(jù)成果

2.2 方案選擇

在三維地形表達中，如采用GIS 三維平臺僅僅是將影像和地形疊合，形成地形三維。漫游展示效果為導(dǎo)演視角前進式看到的局部場景，不如720度全景沉浸感強。具體GIS 三維效果詳見圖2。

如對測區(qū)重新進行全景視頻航拍，通常采用空中無人機、或地面騎行等攝影平臺進行全方位720度進行全景視頻拍攝，但該方法實施難度大且無人機的行進路線固定，最終展示效果呆板。該方法適用于測區(qū)、地形、天氣情況良好，可進行固定展示路線航拍。

圖2 測區(qū)三維地形展示

圖3 全景拍攝示意

經(jīng)試驗測試，本研究結(jié)合了大范圍、高精度的DOM、DEM地理信息數(shù)據(jù)，以及VR 展示效果的技術(shù)要求，采用了一種全新的基于三維GIS 的實景VR 漫游技術(shù)方法，得到了大范圍的實景VR 漫游場景。

3 技術(shù)流程以及關(guān)鍵技術(shù)方法

3.1 總體生產(chǎn)技術(shù)流程

圖4 總體技術(shù)流程圖

利用現(xiàn)有的高精度DEM 和高清晰的DOM 影像，在三維地理信息平臺中構(gòu)建地形三維場景，并以此為基礎(chǔ)，在空間三維中選取全景瀏覽視角點，形成全景漫游瀏覽路線。依次獲取每個視角點的720度全景場景圖片，按照一定幀速度形成720度全景視頻，并通過后期音效、特效制作等，形成具有一定創(chuàng)意效果的全景漫游視頻，從而達到用戶沉浸式體驗?？傮w生產(chǎn)制作技術(shù)流程見圖4：

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與方法

在三維GIS 的實景VR 漫游場景生產(chǎn)制作過程中，主要環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)源的獲取、漫游路線構(gòu)建、全景場景制作、視頻后期編輯處理等。

（1）三維GIS 場景的數(shù)據(jù)源保證

三維地理信息數(shù)據(jù)可以通過遙感衛(wèi)星、中高空大飛機、低空無人機等多種遙感平臺獲取，對于大范圍的場景制作宜采用高分辨率的衛(wèi)星或航空遙感影像數(shù)據(jù)；對于小范圍的實景漫游展示，建議采用無人機航拍數(shù)據(jù)。因在后期全景圖片、視頻處理過程中，需做一系列的圖像處理工作，影像質(zhì)量有所降低，為確保后期VR 漫游效果，建議原始地面分辨率不低于0.2米。

通過后期數(shù)據(jù)處理，形成高精度地形DEM 和正射影像DOM數(shù)據(jù)。通過坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)，將已有成果數(shù)據(jù)與三維GIS 平臺進行配準統(tǒng)一。通過導(dǎo)入疊加高精度的DEM 和DOM 數(shù)據(jù)，構(gòu)建精細三維地形模型。

（2）漫游路線構(gòu)建

三維GIS 平臺已具備三維空間坐標，在三維空間中可任意選取漫游視角點位。在實際漫游視角點選取過程中，需考慮最終漫游路線的連貫性、轉(zhuǎn)換角度的舒適性、重點待展示地形地貌的獨特性等因素，根據(jù)漫游腳本分別選擇添加多個全景VR 漫游視角點位，構(gòu)建全景漫游瀏覽路線。

通過路線預(yù)覽查看，檢查漫游路線的合理性。根據(jù)要求對路線上的每個視角點進行編輯，調(diào)整每個視角點的三維坐標、播放時間等，直到預(yù)覽效果滿足要求。

（3）720度全景漫游場景制作

全景視頻的漫游體驗效果好壞取決于每一幀全景圖片質(zhì)量，以及整體播放速度。為確保在合適的數(shù)據(jù)量前提下，選擇合理的幀速率，才能確保最終播放效果的流暢度。

根據(jù)本文試驗，選擇按照不低于30幀/秒的VR 視頻播放速度生成幀序列的實景720度場景圖片。每個場景通過在三維平臺中進行前/后/左/右/上/下六個方位依次截取場景，通過各場景的重疊區(qū)拼接形成每個視角點的720度全景圖片。

檢查生成的大量全景圖片是否按幀序列命名、場景畫面色彩、清晰度等質(zhì)量是否符合要求，并進行局部圖像編輯，如去除雜物、顏色調(diào)整等。

（4）視頻后期編輯處理

在視頻編輯軟件中如常用的Adobe Premiere 軟件，批量導(dǎo)入編輯后的幀序列全景圖片，輸出選擇與播放硬件（如HTC、大鵬等品牌的VR 眼鏡）相匹配的格式、分辨率等參數(shù)設(shè)置，生成實景VR 漫游視頻。

根據(jù)項目需求，可在視頻編輯軟件中添加文字、配音、配樂，調(diào)整播放速度等剪輯工作，形成成片。經(jīng)VR播放設(shè)備調(diào)試合格后，最終進行全景漫游產(chǎn)品發(fā)布。

圖5 地形三維全景輸出

4 結(jié)束語

本研究面向大場景的實景VR 漫游需求，結(jié)合項目實踐探討了高精度地理信息數(shù)據(jù)成果在實景VR 漫游中的具體應(yīng)用點，提出了基于三維GIS 的實景VR 漫游視頻制作方法，并結(jié)合試驗區(qū)項目實踐、效果比對，總結(jié)提出了生產(chǎn)制作工藝流程和技術(shù)方法，解決了任意時刻、任意視角、任意路線的實景VR 場景制作問題，降低了實景VR 場景的制作門檻。經(jīng)實踐證明該技術(shù)方法效率高、成本低、風(fēng)險系數(shù)小，可在旅游、地理教學(xué)等行業(yè)中進行實踐應(yīng)用。