基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游中的應(yīng)用研究

黃強(qiáng) 林宏貴 石卿 劉少宇

摘? 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)各種技術(shù)手段的逐漸成熟，基于三維全景的虛擬旅游開發(fā)研究也逐漸深入，并成為了發(fā)展全域旅游和智慧旅游建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。為了滿足人們?nèi)轿坏臑g覽需求，同時(shí)也滿足景區(qū)在宣傳手段上的多元性與互動(dòng)性，在旅游景區(qū)的展示及宣傳中就要靈活地應(yīng)用各種技術(shù)手段。基于此，以實(shí)現(xiàn)小金縣兩河口旅游全景展示為例，總結(jié)出全景虛擬現(xiàn)實(shí)場景的開發(fā)流程并進(jìn)行快速推廣，完善小金縣乃至阿壩州對外推介宣傳的模式，為阿壩州全域旅游的發(fā)展助力。

關(guān)鍵詞：全景圖像;虛擬現(xiàn)實(shí);智慧旅游

Abstract：With the gradual maturity of various technical means on the internet，the research on the development of virtual tourism based on three-dimensional panoramas has gradually deepened，and has become an important link in the development of global tourism and smart tourism construction. In order to meet peoples all-round browsing needs，and at the same time to meet the diversity and interactivity of scenic spots in publicity means，various technical means should be flexibly applied in the display and publicity of tourist spots. Based on this，this article takes the realization of the panoramic display of the Lianghekou tourism in Xiaojin County as an example，summarizes the development process of the panoramic virtual reality scene and can quickly promote it，improve the model of external promotion and publicity of Xiaojin county and even Aba Prefecture，so as to help the development of tourism in Aba Prefecture.

Keywords：panoramic images;virtual reality;smart tourism

0? 引? 言

旅游業(yè)是現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重要組成部分，是國民經(jīng)濟(jì)的綜合性產(chǎn)業(yè)，是拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的重要?jiǎng)恿?。隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代智能移動(dòng)終端、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等各類新裝備、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，對旅游行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。

小金縣兩河口鎮(zhèn)位于小金縣城以北，是小金縣占地面積、牧草面積和林地面積最大的一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。紅軍長征著名遺址──兩河口會(huì)議遺址以及濃郁的嘉絨藏族民俗風(fēng)情，構(gòu)成了兩河口獨(dú)具特色的旅游資源。隨著旅游的開發(fā)推進(jìn)，針對傳統(tǒng)旅游業(yè)服務(wù)及宣傳模式還無法跟進(jìn)新的旅游發(fā)展態(tài)勢的現(xiàn)狀，本文依托720°的全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游技術(shù)，以阿壩州小金縣全域旅游建設(shè)為契機(jī)，建設(shè)小金縣兩河口全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足廣大游客的旅游公共服務(wù)需求，對阿壩州小金縣旅游的發(fā)展具有積極意義，并在阿壩州全域旅游推廣中具有示范帶頭作用。

1? 基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)

基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)是指將拍攝的涵蓋水平及垂直方向360°的多張照片拼接成一張全景圖像。通過后期融入瀏覽器并加以交互，讓瀏覽者能用鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏、重力加速度傳感器等交互式設(shè)備控制瀏覽的方向，可全方位無限制觀看物體或場景，仿佛身臨其境。同時(shí)360°全景漫游也是一種新興的富媒體技術(shù)，可在制作中添加圖片、聲音、視頻和超鏈接。它比傳統(tǒng)的圖、文、視頻展示更為直觀、互動(dòng)性更強(qiáng)。通過鼠標(biāo)拖動(dòng)、滑動(dòng)屏幕等操作使普通用戶操作更為簡便，可廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)展示，如在線的房地產(chǎn)樓盤展示、虛擬旅游、虛擬教育等領(lǐng)域。

2? 全景圖像的特點(diǎn)與優(yōu)勢

人單眼的水平視角最大可達(dá)156°，雙眼的水平視角最大可達(dá)188°，本文采用360°球形投影圖像，將2：1的矩形全景圖映射到球體模型中。借助基于WebGL的在線全景播放器實(shí)現(xiàn)類似三位全景展示的體驗(yàn)。能夠全方位展示是該技術(shù)的最大特點(diǎn)，相比于基于交互式三維場景的虛擬現(xiàn)實(shí)展示，它具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

（1）全方位：全面位無死角地展示各個(gè)角度的所有景致。

（2）實(shí)景：本案例中的所有場景采用現(xiàn)場記錄真實(shí)的旅游場景，和游客所游覽的景觀一致。

（3）內(nèi)容豐富：除了可以自由操縱任意角度，互動(dòng)性地觀察場景，還可以添加背景音樂、解說音頻、詳細(xì)介紹超鏈接等多種媒體，豐富了展示的效果。

（4）開發(fā)時(shí)效性高、易于傳播：相比三維虛擬現(xiàn)實(shí)場景的制作，該方法無需繁瑣的建模、貼圖、渲染工作，開發(fā)周期短、成本低、時(shí)效性強(qiáng)。

（5）具有良好的適應(yīng)性：WebGL技術(shù)具有良好的跨平臺(tái)性，普通電腦、平板、智能手機(jī)等均支持播放。

3? 技術(shù)原理

圖像拼接是全景虛擬現(xiàn)實(shí)展示的重要的核心技術(shù)之一，它把來自多個(gè)不同視角拍攝的圖像映射到同一視角下，無縫拼接成一張涵蓋所有視覺范圍的圖像。在本案例中，無人機(jī)及單反相機(jī)所獲取的圖像素材需要進(jìn)行拼接。無人機(jī)航拍圖采用的是24 mm（135畫幅等效）焦距鏡頭，單張圖像為1 200萬像素，單反相機(jī)采用的是8 mm（135畫幅等效）魚眼鏡頭。這其中拼接技術(shù)包括三大部分：特征點(diǎn)提取與匹配、圖像配準(zhǔn)、圖像融合。

其拼接原理涉及以下步驟：

（1）檢測并提取圖像的特征和關(guān)鍵點(diǎn)。

（2）匹配兩個(gè)圖像之間的描述符。

（3）使用RANSAC（隨機(jī)抽樣一致）算法以及匹配的特征向量估計(jì)單應(yīng)性矩陣。

（4）拼接圖像。

步驟（1）和步驟（2）過程是運(yùn)用SIFT局部描述算子檢測圖像中的關(guān)鍵點(diǎn)和特征，SIFT特征是基于物體上的一些局部外觀的興趣點(diǎn)而與影像的大小和旋轉(zhuǎn)無關(guān)。對于光線、噪聲、些微視角改變的容忍度也相當(dāng)高，所以用來檢測要拼接圖像的特征及關(guān)鍵點(diǎn)很有優(yōu)勢。

而接下來的步驟（3）是找到重疊的圖片部分，連接所有圖片之后就可以形成一個(gè)基本的全景圖了。匹配圖片最常用的方式是采用RANSAC算法，用此排除掉不符合大部分幾何變換的匹配點(diǎn)。之后利用這些匹配的點(diǎn)來估算單應(yīng)性矩陣，也就是將其中一張圖像通過關(guān)聯(lián)性和另一張匹配。

通過拼接后的全景圖像投影到球體中，使平面圖像呈現(xiàn)出全景效果，在瀏覽器中以WebGL作為平臺(tái)進(jìn)行展示，具有良好的交互性。

4? 項(xiàng)目實(shí)施

本虛擬現(xiàn)實(shí)展示案例為兩河口旅游區(qū)全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游場景，如圖1所示，并延伸覆蓋到小金縣城、撫邊鄉(xiāng)、四姑娘山等區(qū)域。由阿壩藏族羌族自治州全域旅游研究所工作人員負(fù)責(zé)點(diǎn)位規(guī)劃及游覽線路設(shè)計(jì)，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院相關(guān)工作人員負(fù)責(zé)素材采集以及后期合成編輯和平臺(tái)搭建。素材采集采用大疆Marvic 2無人機(jī)、Insta360 ONE X全景相機(jī)、搭配全景云臺(tái)的佳能EOS 6D單反相機(jī)對項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行了空中及地面的采集拍攝，共計(jì)完成約40余個(gè)點(diǎn)位的全景素材采集。全景素材中戶外場景分辨率最高達(dá)14 000×7 000像素，室內(nèi)場景分辨率為6 080×3 040像素，完全能夠滿足移動(dòng)平臺(tái)及計(jì)算機(jī)平臺(tái)上全景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的展示需要。拍攝后的全景圖片存放在720yun平臺(tái)，通過WebGL技術(shù)進(jìn)行展示，用戶直接通過瀏覽器進(jìn)行查看，具有速度快、跨平臺(tái)、交互性強(qiáng)、易推廣的特點(diǎn)。同時(shí)也可提供離線文件，方便離線展示，以及管理、規(guī)劃工作。

4.1? 素材的采集

本案例中戶外場景主要使用無人機(jī)及單反相機(jī)采集素材，其中無人機(jī)采用定高的、定位的方式進(jìn)行不同角度的拍攝，單反相機(jī)采用三腳架搭配機(jī)械式全景云臺(tái)進(jìn)行拍攝。臨近照片具有25%～50%左右的交疊區(qū)域，保障其可以通過軟件識(shí)別關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)順利的拼接。而室內(nèi)場景因圖像間關(guān)鍵點(diǎn)相對不明顯，在拼接過程中易出現(xiàn)重影，因此采用Insta360 ONE X一次成像全景相機(jī)進(jìn)行場景拍攝。

4.2? 圖像的拼接

采集后需要拼接的場景使用PTGui軟件進(jìn)行拼接。PTGui軟件可以支持多種格式的圖像文件輸入，構(gòu)建普通圖片、圓柱以及球形的全景照片。拼接之后的圖像過渡相對較為自然，沒有過于明顯的拼接痕跡。在處理中首先載入圖像、然后進(jìn)行鏡頭設(shè)置、選擇投影模型、合理設(shè)置控制點(diǎn)、進(jìn)行蒙版和優(yōu)化處理，最后輸出圖片。在本案例中，投影方式采用矩形球面投影進(jìn)行圖像映射。使用單反相機(jī)拍攝的全景素材中的低角度相片會(huì)將三腳架拍攝入畫面內(nèi)，可使用PTGui中的蒙版功能將其去除。而使用無人機(jī)拍攝的場景無法將所有天空畫面包含，因此在后期使用Photoshop導(dǎo)入球天素材，使用蒙版功能使其與場景漸變過渡，達(dá)到畫面無縫融合的效果。

4.3? 系統(tǒng)生成

考慮到小金縣地區(qū)的特點(diǎn)，不適宜建設(shè)專用展示服務(wù)器，因此在合成全景圖之后，通過720yun.com平臺(tái)對場景進(jìn)行發(fā)布展示，任何有網(wǎng)絡(luò)的地方均可查看。將場景上傳至云服務(wù)器后添加導(dǎo)航熱點(diǎn)將不同場景關(guān)聯(lián)，并通過圖形化漫游制作平臺(tái)進(jìn)行處理，并進(jìn)行地圖添加以及標(biāo)注處理，在瀏覽者到達(dá)某一個(gè)景點(diǎn)之后，在尋找臨近景點(diǎn)時(shí)可以點(diǎn)擊鏈接熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速切換，具有較好的交互性。

5? 結(jié)? 論

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，我們可以歸納出基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)在旅游中應(yīng)用具有如下特點(diǎn)：

（1）全方位：全面地展示了節(jié)點(diǎn)景致，可通過劃動(dòng)屏幕、鼠標(biāo)、鍵盤等操作查看任意角度畫面，仿佛置身于場景中，能給人以立體的空間感。

（2）真實(shí)的場景：全景場景均為現(xiàn)場實(shí)景采集，最大限度地保留了場景的真實(shí)性和時(shí)效性。特別適合用于旅游景點(diǎn)的展示。

（3）高解析度：采用無人機(jī)或全景云臺(tái)所拍攝的場景一般為15張及以上多張圖片進(jìn)行拼接，使用PTGui拼接后能達(dá)到超過1億個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，具有足夠高的像素滿足展示的需求。

因此在旅游活動(dòng)中，基于全景圖的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠高清晰度展示景區(qū)的優(yōu)美環(huán)境，給觀眾一個(gè)身臨其境的體驗(yàn)，結(jié)合景區(qū)現(xiàn)有的導(dǎo)覽系統(tǒng)及解說系統(tǒng)，可讓觀眾自由穿梭于各景點(diǎn)之間，同時(shí)也可整合入景區(qū)現(xiàn)有的語音導(dǎo)覽系統(tǒng)以及智慧旅游系統(tǒng)。該技術(shù)在旅游營銷、豐富旅游體驗(yàn)、輔助旅游管理、旅游開發(fā)等方面都將發(fā)揮巨大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] youkiaaa.全景拼接原理及實(shí)現(xiàn) [EB/OL].（2019-03-31）.https：//blog.csdn.net/qq_37374643/article/details/88930316.

[2] 楊晗，唐珊，肖怡然.基于三維全景的虛擬旅游系統(tǒng)開發(fā) [J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（22）：42-43.

[3] 常志英，崔維淼，劉群.基于全景技術(shù)的虛擬旅游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2019，36（1）：19-20.

作者簡介：黃強(qiáng)（1969—），男，漢族，四川仁壽人，所長，副研究員，本科，研究方向：生態(tài)旅游;林宏貴（1982—），男，漢族，四川隆昌人，副所長，副研究員，本科，研究方向：生態(tài)旅游;石卿（1982—），男，回族，四川汶川人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，本科，研究方向：人文旅游;劉少宇（1986—），男，漢族，四川德陽人，講師，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智慧旅游。