基于全景地圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)濟(jì)南歷史建筑立體展示

張晨輝

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

1 引 言

歷史建筑是一個(gè)民族，一座城市的生動(dòng)面孔，也是生活在歷史之中的一部分人的共同記憶和身份憑據(jù)。隨著城市規(guī)劃發(fā)展越來越快，歷史建筑保護(hù)問題就顯得越來越迫在眉睫。濟(jì)南是國(guó)務(wù)院1986年公布的國(guó)家歷史文化名城，2018年1月29日，濟(jì)南公布了第一次歷史建筑普查名單，共366處歷史建筑，現(xiàn)有歷史建筑展示主要有圖片、視頻、網(wǎng)頁等常規(guī)方式，這些方式存在效果不夠震撼、無交互性等問題。隨著科技的發(fā)展，三維全景技術(shù)逐漸發(fā)展起來，三維全景技術(shù)則是利用實(shí)景歷史建筑照片建立虛擬環(huán)境，按照現(xiàn)狀照片采集→圖像處理→全景拼接→場(chǎng)景發(fā)布→地圖標(biāo)注的模式來完成歷史建筑虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)建，該技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，使用戶足不出戶即可身臨其境，感受歷史建筑的720°風(fēng)貌。因此，本文通過三維全景技術(shù)，輔以電子地圖、HTML技術(shù)，綜合、全面、立體形象地展現(xiàn)濟(jì)南歷史建筑風(fēng)采。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全景圖拼接技術(shù)

本文使用PTGui Pro來進(jìn)行濟(jì)南歷史建筑全景圖拼接，該軟件將拍攝的每個(gè)場(chǎng)景不同視角的魚眼照片拼合為一張全景圖。拼接過程中適當(dāng)添加控制點(diǎn)，確保魚眼照片之間連接正確、不錯(cuò)位。拼接完成后使用PTGui Viewer軟件對(duì)全景圖進(jìn)行瀏覽檢查。

2.2 全景圖像轉(zhuǎn)換應(yīng)用技術(shù)

本文使用Pano2VR來進(jìn)行濟(jì)南歷史建筑全景圖像的漫游、發(fā)布等。該軟件把全景圖片轉(zhuǎn)換輸出成HTML5格式的網(wǎng)頁，轉(zhuǎn)換過程中可定制各種皮膚以及熱點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，經(jīng)緯度添加等功能。用戶可通過手機(jī)、電腦等設(shè)備點(diǎn)擊隨時(shí)隨地觀看。

2.3 電子地圖、HTML技術(shù)

本文發(fā)布的濟(jì)南歷史建筑全景圖網(wǎng)頁文件，通過調(diào)用百度地圖API，將歷史建筑的實(shí)際地理位置進(jìn)行地圖標(biāo)注。用戶可通過點(diǎn)擊標(biāo)注，了解歷史建筑的基礎(chǔ)信息、周邊搜索和三維全景導(dǎo)覽，并查詢指定位置到當(dāng)前歷史建筑的路線規(guī)劃。

3 全景地圖制作流程

全景地圖的主要內(nèi)容為各個(gè)歷史建筑的全景導(dǎo)覽數(shù)據(jù)，以文件夾形式進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，并將其配置到地圖上。地圖全景導(dǎo)覽的建設(shè)流程包括現(xiàn)狀照片采集、圖像處理、全景拼接、場(chǎng)景發(fā)布、地圖標(biāo)注。下面分別對(duì)各工序的工作方法進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

3.1 現(xiàn)狀照片采集

全景圖拍攝采用的設(shè)備為單反相機(jī)、魚眼鏡頭、云臺(tái)和三腳架。為保證優(yōu)秀的展示效果，每個(gè)歷史建筑選取6個(gè)～8個(gè)場(chǎng)景，綜合拍攝建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境；單個(gè)場(chǎng)景拍攝10張～12張現(xiàn)狀照片，復(fù)雜環(huán)境適當(dāng)增加照片拍攝數(shù)量。全景數(shù)據(jù)采集如圖1所示，拍攝流程如下：

(1)使用全景云臺(tái)及配備魚眼鏡頭的單反相機(jī)，在預(yù)規(guī)劃好的歷史建筑全景點(diǎn)位處進(jìn)行架設(shè)，三腳架調(diào)整水平，保證每一處歷史建筑圖片都是在同一水平狀態(tài)下拍攝。

(2)拍攝時(shí)采用360°旋轉(zhuǎn)相機(jī)機(jī)身、每隔20°拍攝一張照片的方式進(jìn)行，單個(gè)全景點(diǎn)拍攝照片數(shù)量提高到20張左右。水平全景拍攝完畢后，原地旋轉(zhuǎn)相機(jī)，拍攝2張?zhí)炜杖啊?張地面全景；移動(dòng)三腳架，另外拍攝一張不同位置處的地面全景，用于后期的補(bǔ)地處理。拍攝完成后回溯檢查，確保照片拍攝質(zhì)量滿足要求，無逆光、虛化、失真等問題照片出現(xiàn)。

(3)移動(dòng)相機(jī)，完成歷史建筑其余全景點(diǎn)位的拍攝。

(4)全景數(shù)據(jù)采集完成后，換用普通鏡頭的單反相機(jī)，對(duì)歷史建筑入口、建筑主體進(jìn)行現(xiàn)狀照片拍攝，作為建筑圖文簡(jiǎn)介的原始圖片素材。

圖1 全景數(shù)據(jù)采集

3.2 圖像處理

使用Adobe Photoshop軟件，對(duì)采集獲得的現(xiàn)狀照片進(jìn)行后期處理，如圖2所示，主要處理內(nèi)容包括：勻光勻色、畸變處理、圖像校正、雜物消除等，確保處理后的圖片圖像清晰、構(gòu)圖勻稱，同一場(chǎng)景及同一建筑色調(diào)柔和相似，可用于后續(xù)的圖像拼接及全景制作工序。

圖2 全景圖像處理

3.3 全景拼接

全景拼接基于PTGui Pro軟件進(jìn)行，用于將單個(gè)全景點(diǎn)位拍攝的全部局部全景照片(包括平面全景、天空全景及地面全景)拼合為一張全景圖。拼合后的全景圖可以直接通過全景圖片瀏覽軟件加載展示，呈現(xiàn)以拍攝點(diǎn)位為中心720°全景展示效果。主要流程如下：

(1)打開PTGui Pro軟件，統(tǒng)一加載單個(gè)全景點(diǎn)位拍攝的全部全景照片，如圖3所示。

圖3全景照片加載

(2)軟件自動(dòng)根據(jù)全景點(diǎn)照片內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)匹配對(duì)準(zhǔn)。在自動(dòng)匹配的基礎(chǔ)上，通過控制點(diǎn)功能頁，為未能準(zhǔn)確匹配、或?qū)?zhǔn)出現(xiàn)錯(cuò)誤的相鄰照片添加控制點(diǎn)，如圖4所示。為保證對(duì)準(zhǔn)效果，相鄰兩張全景照片之間的控制點(diǎn)應(yīng)在3個(gè)以上，且盡量保證控制點(diǎn)在照片中分布均勻。

(3)通過編輯工具，對(duì)地面全景照片中的三腳架支架、入鏡的拍攝人員進(jìn)行消隱。調(diào)整不同地面全景照片在拼合圖中的位置及拉伸狀況，在保證相鄰地面紋理對(duì)接無紕漏的基礎(chǔ)上，覆蓋局部消隱導(dǎo)致的畫面空白，確保拼合后的全景圖地面完整。

圖4添加控制點(diǎn)

(4)使用全景圖創(chuàng)建功能，對(duì)拼合完成后的全景圖進(jìn)行創(chuàng)建輸出，完成單個(gè)全景點(diǎn)的全景圖拼接工作，如圖5所示。

圖5 全景圖拼接成果

3.4 場(chǎng)景發(fā)布

基于Pano2VR軟件，對(duì)單個(gè)歷史建筑涉及的全部全景圖像進(jìn)行集成，創(chuàng)建用戶交互按鈕及全景場(chǎng)景熱點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，并完成場(chǎng)景發(fā)布。主要流程如下：

(1)全景數(shù)據(jù)加載。以歷史建筑為單位，將該建筑全部全景點(diǎn)位拍攝拼接完成的全景圖像導(dǎo)入Pano2VR軟件。

(2)基于不同場(chǎng)景之間的位置交互關(guān)系，添加不同場(chǎng)景點(diǎn)之間的跳轉(zhuǎn)熱點(diǎn)，設(shè)置跳轉(zhuǎn)后下一場(chǎng)景的視角范圍。

(3)創(chuàng)建場(chǎng)景交互皮膚。主要包括三個(gè)部分：功能按鈕區(qū)、場(chǎng)景縮略圖區(qū)、導(dǎo)航區(qū)，另外還包括熱點(diǎn)皮膚、熱點(diǎn)說明文字等內(nèi)容的設(shè)置。

①功能按鈕區(qū)：

如圖6所示，提供空中全景跳轉(zhuǎn)、鏡頭左移、鏡頭上移、鏡頭下移、鏡頭右移、視角放大、視角縮小、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)控制、縮略圖控制按鈕。場(chǎng)景發(fā)布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標(biāo))點(diǎn)擊按鈕的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能的應(yīng)用。

圖6 功能按鈕

②場(chǎng)景縮略圖區(qū)

通過功能按鈕區(qū)的縮略圖控制按鈕，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景縮略圖區(qū)域的顯示與隱藏，如圖7所示。

本區(qū)域以縮略圖形式對(duì)當(dāng)前歷史建筑的主要全景點(diǎn)位進(jìn)行了整理展示，供用戶瀏覽查看。各個(gè)縮略圖添加對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)動(dòng)作設(shè)置，場(chǎng)景發(fā)布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標(biāo))點(diǎn)擊縮略圖的形式，實(shí)現(xiàn)到指定場(chǎng)景的快速跳轉(zhuǎn)。

圖7 場(chǎng)景縮略圖區(qū)

③導(dǎo)航區(qū)

如圖8所示，整理各個(gè)歷史建筑的頂部航拍圖，作為導(dǎo)航區(qū)底圖。對(duì)歷史建筑的各個(gè)全景點(diǎn)位進(jìn)行圖上標(biāo)注，同時(shí)設(shè)置位置熱點(diǎn)，并預(yù)設(shè)跳轉(zhuǎn)動(dòng)作及跳轉(zhuǎn)后視角。場(chǎng)景發(fā)布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標(biāo))點(diǎn)擊導(dǎo)航區(qū)圖上定位點(diǎn)的形式，實(shí)現(xiàn)到指定場(chǎng)景的快速跳轉(zhuǎn)。

圖8 導(dǎo)航區(qū)

④場(chǎng)景發(fā)布

設(shè)定首頁全景，設(shè)置全景自動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度，添加對(duì)應(yīng)歷史建筑的語音導(dǎo)覽文件(MP3格式)作為背景音樂并循環(huán)播放，以html格式對(duì)全景場(chǎng)景進(jìn)行發(fā)布。

3.5 地圖標(biāo)注

首先通過外業(yè)測(cè)繪，測(cè)出各個(gè)歷史建筑精確坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換成百度坐標(biāo)。如圖9所示，調(diào)用百度地圖API，圖上標(biāo)注歷史建筑具體位置，使用InfoWindow信息窗口，展示歷史建筑文字簡(jiǎn)介、圖片、全景超鏈接、周邊搜索、導(dǎo)航等功能信息。用戶可通過地圖實(shí)現(xiàn)歷史建筑全景瀏覽以及其他各類信息資料展示，提升了歷史建筑展示效果。

圖9 地圖標(biāo)注

4 制作難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 全景圖扭曲

外業(yè)人員通過魚眼鏡頭拍攝歷史建筑照片，數(shù)據(jù)處理人員進(jìn)行全景照片拼接過程中，合成照片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)房屋不正、樹木不直等扭曲現(xiàn)象，產(chǎn)生扭曲的原因一般是拍攝時(shí)三腳架水平?jīng)]有校正，對(duì)于空中全景，因?yàn)轱L(fēng)力也會(huì)引起無人機(jī)姿態(tài)的不水平而可能導(dǎo)致最終拼接畫面扭曲，當(dāng)然有時(shí)也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境影響而拼接后扭曲。如果數(shù)據(jù)處理人員沒有注意到這一細(xì)節(jié)而進(jìn)行后續(xù)的拼接、美化，等質(zhì)檢人員檢查出問題，就要重新拼接，造成很大的工作量。

針對(duì)上述問題，數(shù)據(jù)處理人員在使用PTGui Pro軟件進(jìn)行全景拼接過程中，首先須進(jìn)行數(shù)字校正，保持主要建筑橫平豎直，如圖10、圖11所示，然后再進(jìn)行后續(xù)的拼接、美化工作。

圖10 數(shù)字轉(zhuǎn)換

圖11 數(shù)字校正前后對(duì)比

4.2 全景圖拼接錯(cuò)位

數(shù)據(jù)處理人員進(jìn)行全景照片拼接過程中，合成照片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斑馬線、房屋、樹木、電線桿等拼接錯(cuò)位問題，如圖12所示。導(dǎo)致錯(cuò)位問題的原因主要是拍攝過程中鏡頭的節(jié)點(diǎn)不準(zhǔn)確造成的。

圖12 近景拼接瑕疵

針對(duì)上述問題，解決方法有很多，比如在PTGui Pro軟件中手工在錯(cuò)位處加控制點(diǎn)，比如勾選視點(diǎn)矯正等等。最有效的處理方法是使用PTGui Pro軟件中的模板工具，該工具通常用于修改局部瑕疵，模板處理的原則是把瑕疵留給天空和遠(yuǎn)方。

由于節(jié)點(diǎn)的誤差，錯(cuò)位有可能出現(xiàn)在任何部位，節(jié)點(diǎn)誤差對(duì)近景影響大，而景物越遠(yuǎn)，錯(cuò)位漸小。用蒙版將接縫安排在遠(yuǎn)景。圖13是一個(gè)典型的十字路口，東西南北四條馬路可由近而遠(yuǎn)。通過紅綠蒙版的組合應(yīng)用，將接縫避開了近景，而將這些接縫留給了天空和遠(yuǎn)方(圖13箭頭指處)。盡量使景物中的歷史建筑主體保持完整，在一幅魚眼圖中，比如一幢大樓，地面上的十字標(biāo)識(shí)等。而天空、江河湖海、草地沙灘、柏油馬路、不規(guī)則紋理的墻壁、森林等等，都可以容錯(cuò)。

圖13 蒙版拼接技巧

5 總 結(jié)

全景地圖技術(shù)是目前迅速發(fā)展并逐步流行的一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)分支，本文采用PTGui Pro和Pano2VR工具將實(shí)地拍攝獲取的歷史建筑照片發(fā)布成全景效果，通過調(diào)用百度地圖API，將歷史建筑的實(shí)際地理位置進(jìn)行地圖標(biāo)注，結(jié)合歷史建筑各類信息資料，展現(xiàn)給用戶。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)歷史建筑虛擬觀看，免受時(shí)間與空間的限制，是一種新型歷史建筑保護(hù)手段。