全景圖片漫游系統(tǒng)在隧道施工中的應(yīng)用研究

陳軍程，程梨明，周永，尹晨旭，馬軍旗，王進進，張志增

（1.中電建路橋集團玉溪市江通高速公路有限公司，云南玉溪 653100；2.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州450007）

1 引言

隨著我國綜合國力的不斷提升，交通運輸業(yè)對我國的發(fā)展也越來越重要。其中公路運輸與鐵路運輸在交通運輸業(yè)起著不可替代的作用，由于隧道能夠通過改善線型和縮短距離來減少旅行與運輸時間，有效地提高運營收益和達到節(jié)能減排的效果，所以隧道工程在公路與鐵路的發(fā)展中被廣泛應(yīng)用。隧道施工的管理相對復(fù)雜，施工過程中存在著較多的安全隱患。需要準確地對施工狀況進行分析判斷，以便于及時做出正確的決策，來確保工程質(zhì)量和避免延誤工期。在施工的過程中也需要留存施工過程中的相關(guān)材料，以便于在后期有需要時進行查看。

全景漫游是指在全視角圖像里進行場景切換，模擬瀏覽不同的場景的技術(shù)[1]。因其真實性強、互交性好、科技感強等特點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。利用一體式全景相機拍攝可達到4K（4 096×2 160)或8K(8 192×4 320)分辨率的全景圖片制作全景漫游系統(tǒng)，相對于三維建模具有制作成本較低、耗時較短、分辨率高、真實感強，能夠還原所有真實場景[2]，是一種被廣泛采用且較為實用的方法。

隨著“智慧地下工程”時代的到來，在隧道施工的過程中，利用全景漫游技術(shù)，根據(jù)需求拍攝不同時期與地點的全景圖片，利用全景圖像技術(shù)將全景圖片、音頻、視頻、文本等相關(guān)資料整合在一起形成的全景圖片漫游系統(tǒng)，用于工程檔案的留存、工況分析、輔助決策等，不僅符合了時代的要求，也為隧道施工帶來了一些便利與經(jīng)濟效益。相關(guān)技術(shù)人員與專家在不進入施工現(xiàn)場的情況下，能夠觀看到現(xiàn)場的實體景象，輔助其做出正確的分析判斷與決策，保證施工的正常進行。全景圖片漫游技術(shù)系統(tǒng)在隧道施工中的應(yīng)用不僅能減少交通開支，還能避免很多意外事故的發(fā)生。

2 制作流程

利用全景相機采集現(xiàn)場不同場景畫面，后期將各種相關(guān)資源整合到全景漫游系統(tǒng)之中，可以利用電腦、手機進行水平360°與垂直180°的瀏覽。配備頭戴式VR 播放設(shè)備更是能體驗到身臨其境的效果，是二維圖像所不能達到的。利用全景圖片制作隧道全景漫游系統(tǒng)的制作基本流程如下：（1）選取合適的拍攝全景圖片的全景相機、云臺、三腳架[3]。（2）選取合適的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。（3）對需要拍攝的隧道線路圖結(jié)合實際需求進行分析，擬訂相對合適的拍攝位置，進行整理編號，以便于后續(xù)操作。（4）進入隧道實地考察，核實確定拍攝點并進行標記，對不適宜拍攝的位置根據(jù)實際情況進行調(diào)整，確定最后的拍攝點。（5）進行實地拍攝，在拍攝的過程中檢查所拍攝的全景圖片是否符合標準，以便于及時對不合格的圖片進行補拍。圖片的整理編號應(yīng)和已經(jīng)確定好的拍攝點一一對應(yīng)，以保證后續(xù)拼接工作的連續(xù)性。（6）對導(dǎo)出的全景圖片進行編號管理及預(yù)處理，調(diào)整亮度、飽和度、對比度等，可以使全景圖的清晰度、色彩等達到最佳狀態(tài)。（7）整理相關(guān)工程資料。（8）將全景圖片和相關(guān)對應(yīng)資料進行整合。（9）打包導(dǎo)出后進行審核發(fā)布。

3 硬件配置

全景圖片拍攝有2 種方式：（1）利用單反相機搭配魚眼或超廣角鏡頭進行拍攝，每個場景按照前、后、左、右、上、下至少拍攝6 張照片，照片數(shù)量越多拼接成的全景圖片效果越好。拍攝完成后利用以PTGui 為代表的720 全景拼接與合成軟件進行全景圖片的拼接。（2）利用一體式全景照相機進行拍攝，一體全景相機具有多個鏡頭，能夠一次性拍攝完成，可以自動完成全景圖片的合成與拼接。相對于單反相機搭配魚眼或超廣角鏡頭拍攝全景圖片來說，一體式全景相機的拍攝更為簡便，也免去了全景圖片的拼接環(huán)節(jié)，可以直接拍攝出全景圖片，省時、省力、省工，對使用者來說相對友好。一體式全景相機選用應(yīng)該具有良好的防抖性能且成圖像素不得低于8 192×4 096，搭配云臺與三腳架由人工進行拍攝。拍攝好的全景圖片利用720 云進行搭接成全景漫游場景，以便于后期使用頭戴式VR播放設(shè)備進行移步換景式的沉浸式觀看。

4 系統(tǒng)的制作

4.1 拍攝點的確定與布置

根據(jù)隧道當(dāng)前工況并結(jié)合隧道路線圖，先擬訂拍攝點并進行編號。原則為每隔5～7 mm 設(shè)置一個拍攝點，鄰接場景必須有重疊景物以確保拍攝的圖片具有連續(xù)性。人工實地對拍攝點進行核實與標記，結(jié)合實際情況，根據(jù)是否有施工機械占壓、遮擋等因素對拍攝點進行調(diào)整。

4.2 全景圖片拍攝

到達提前標記好的拍攝點進行設(shè)備的安裝與調(diào)試，隨即進行正式拍攝。由隧道一端入口開始，根據(jù)標記的拍攝點依次進行拍攝。全景圖片拍攝時應(yīng)保證拍攝點周圍有較好的光線條件，這樣才能拍攝到色彩飽和，光影豐富的全景圖片。一張全景圖片拍攝完成后進行自檢工作，然后才可進行下一張圖片的拍攝，不合格的全景圖片需進行補拍。全景圖片自檢項目如下：（1）全景圖片是否存在過曝或欠曝的現(xiàn)象[4]；（2）全景圖片是否存在跑焦現(xiàn)象；（3）全景圖片是否存在不清晰現(xiàn)象；（4）全景圖片是否有黑點或遮擋物。

4.3 隧道全景漫游系統(tǒng)的整合

導(dǎo)出全景圖片后，將全景圖通過漫游軟件處理與制作得到全景漫游系統(tǒng)。本文以720 云的處理方法為例，介紹了全景圖片漫游系統(tǒng)的整合。720 云具有良好的擴展性以及易用性，具有簡單便捷、性能突出的特點，功能較為強大，操作也更為便捷。利用720 云進行隧道全景地圖的制作步驟如下：（1）將需要的全景圖片進行編號整理，另準備一張所拍攝的隧道平面路線圖放入一個文件夾；（2）將準備的素材在720 云上進行上傳；（3）將準備的隧道平面圖作為電子沙盤，將提前確定好的各個拍攝點對應(yīng)編碼的圖片，插入電子沙盤相應(yīng)的位置；（4）按照全景圖片的順序，依次插入熱點與圖片說明。場景的盡頭插入可以切換到下一場景的全景切換熱點；（5）對圖片必要的位置進行標注，可以鏈接到提前整理好的文字說明介紹、圖片、視頻、音頻。這樣隧道全景漫游系統(tǒng)就完成了；（6）將作品導(dǎo)出后，通過審核便可傳入項目文件服務(wù)器供相關(guān)人員根據(jù)賬號進行有權(quán)限的管理、瀏覽、下載服務(wù)。同時，提供二維碼供手機掃描進行查看。

4.4 隧道全景圖片漫游系統(tǒng)的使用

在文件服務(wù)器下載全景地圖文件后，通過相關(guān)全景圖片查看軟件，可以在手機、電腦、平板上進行查看，也可以通過頭戴式VR 眼鏡進行身臨其境的觀看。

用戶軟件直接進入主界面，左右上下轉(zhuǎn)動鼠標便可觀看此場景下的畫面。場景的切換有2 種方式，通過界面電子沙盤任意切換自己想進入的場景，也可按順序點擊畫面切換指示箭頭進行切換。點擊畫面內(nèi)的相關(guān)鏈接說明，便可得到相對應(yīng)的圖片、視頻、音頻和文字信息。

5 結(jié)語

全景圖片漫游技術(shù)在隧道內(nèi)的應(yīng)用，適應(yīng)了“智慧地下工程”的時代，提供了一種新的記錄與呈現(xiàn)隧道施工情況的方法。不同于傳統(tǒng)紙質(zhì)化、平面化的材料，它生動、立體、科技含量高，是信息時代下的產(chǎn)物。將其應(yīng)用在隧道施工過程中不僅能提高施工管理質(zhì)量，還能夠減少技術(shù)人員與專家進入隧道的次數(shù)，不僅避免了安全隱患，也能節(jié)省一部分工程開支。隨著技術(shù)的成熟，由于其具有高性價比，在不久的將來會大范圍地應(yīng)用在隧道施工中，全景漫游技術(shù)在其他領(lǐng)域也將逐漸嶄露頭角。