基于VR全景技術的三維校園漫游系統(tǒng)場景搭建

陳展鵬 黃建澤

摘 ?要：隨著高科技和自媒體的快速發(fā)展，人們?nèi)找孀非笞悴怀鰬艏纯色@得身臨其境的生活體驗，為滿足技術提升所帶來的用戶對高效便捷的需求，使用戶的參與感變強，文章以廣州工商學院三水校區(qū)校園外景虛擬場景搭建為例，主要研究基于720云平臺的全景制作流程和關鍵技術，全方位展示校園的特色。通過硬件與軟件的相互結(jié)合，使用全景拍攝、拼接、圖像處理、優(yōu)化、交互等技術，最終完成廣州工商學院三維校園漫游系統(tǒng)的場景搭建工作。

關鍵詞：全景圖;虛擬場景;校園漫游;720云

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0087-05

Scene Construction of 3D Virtual Campus Based on VR Panoramic Technology

——Take Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an Example

CHEN Zhanpeng，HUANG Jianze

（Institute of Technology，Guangzhou College of Technology and Business，F(xiàn)oshan ?528138，China）

Abstract：With the rapid development of high technology and we media，people are increasingly pursuing to get immersive life experience without going out. In order to meet users demand for efficiency and convenience brought by technology upgrading，and make users have a stronger sense of participation. Taking the virtual scene construction of campus exterior view from Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an example，this paper mainly studies the panoramic production process and key technologies based on 720 cloud platform，and displays the characteristics of the campus in an all-round way. Through the combination of hardware and software，using panoramic shooting，mosaic，image processing，optimization，interaction and other technologies，the scene construction of 3D virtual campus of Guangzhou College of Technology and Business is completed finally.

Keywords：panorama;virtual scene;virtual campus;720 cloud

0 ?引 ?言

全景虛擬現(xiàn)實技術可以較好地展示目標場景，讓人感受到虛擬影像中的三維立體空間關系，實現(xiàn)全方位瀏覽圖像景色[1]。近年來全景技術飛速發(fā)展，包括360°全方位實景圖像或視頻和VR（虛擬現(xiàn)實技術），以及后來由VR進一步衍生出的AR（增強現(xiàn)實技術），均在各行業(yè)被廣泛應用且得到了很好的反饋[2]。所謂虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是圖形圖像領域內(nèi)的一種高新技術，在計算機技術的支持下，模擬出一個虛擬世界，主要表現(xiàn)為三維空間，可對三維空間內(nèi)事物開展無限制觀察，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包含沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、增強現(xiàn)實系統(tǒng)等[3]。隨著5G時代的到來，這一技術得到了快速的發(fā)展和應用，如可以通過全景虛擬現(xiàn)實技術的手段，讓新生在入校前通過網(wǎng)絡即可熟悉校園，這種手段就是VR虛擬漫游技術。通過互聯(lián)網(wǎng)，讓新生在全國各地足不出戶就可以游覽熟悉校園，提前了解教學場所、實驗場地、實訓課室，增強新生們對學校的了解和認同，還可通過交互式互動，掌握更多有用信息。因此比起傳統(tǒng)的校園推廣，全景虛擬現(xiàn)實技術更具影響力和針對性，效果會更好[4]。

1 ?場景搭建

1.1 ?拍攝

拍攝前首先調(diào)整相機參數(shù)，對相機的光圈和曝光度進行調(diào)整。

1.1.1 ?調(diào)整光圈

通過調(diào)整相機的光圈大小可以得到不同景深的場景素材，景深關系到拍攝時在焦點外的區(qū)域的清晰程度。大景深代表著焦點外區(qū)域都會呈現(xiàn)出更加清晰的狀態(tài)，反之則代表焦點外的區(qū)域呈現(xiàn)模糊的狀態(tài)。數(shù)值越大的光圈，景深就越大，焦點外的光圈越清晰，背景虛化效果優(yōu)秀，本次研究光圈的系數(shù)統(tǒng)一設置為10～12系數(shù)之間。

1.1.2 ?調(diào)整曝光度

曝光度也被稱之為曝光值，曝光值代表能夠給出同樣曝光的所有相機光圈快門的組合。簡單說就是在拍照時，明明很亮的場景或物體，照出來反應在相機上時卻很暗，這就表明，相機的曝光度不夠，需要把相機的曝光度值調(diào)高。反之，過亮就減少曝光值。大部分時候可以通過相機的P檔自動調(diào)節(jié)相機的曝光度，只需要記住P檔位的快門速度和ISO系數(shù)，然后回到M檔位手動輸入P檔位的系數(shù)就可以。同時由于環(huán)境的不同也可以手動調(diào)節(jié)相機的快門速度和ISO系數(shù)以達到要求的曝光效果。

1.2 ?拍攝

1.2.1 ?拍攝目標

完成廣州工商學院三水校區(qū)三維虛擬場景的構(gòu)建，以體育場館、公園等綠化景觀為主，包括國際學院及教工宿舍和部分學生宿舍的虛擬場景構(gòu)建。最終目標是和項目組的其他成員及其他項目組成員共同完成整個三水校區(qū)的虛擬校園。

1.2.2 ?素材采集規(guī)劃

本次拍攝采用團隊合作的方式采集廣州工商學院三水校區(qū)的實景素材。所以計劃從校門口開始往校園內(nèi)部逐步拍攝，途經(jīng)校門口，商業(yè)街，國際樓，素質(zhì)拓展中心，桃李園，運動場，圖書館，廣場，學生活動中心，花園，宿舍樓，飯?zhí)?，最后到教師公寓，?3個步驟拍攝。

1.2.3 ?素材采集

首先從學校門口開始，在陽光明媚的天氣中選定學校門口的中心位置，搭建好拍攝設備，調(diào)整相機參數(shù)，在校門口的正中心以面朝門口的方向為起點，以支架為中心，繞支架360度，以90度為分界拍攝4張素材，拍攝的素材之間的重疊至少為20%～25%。然后旋轉(zhuǎn)相機對準天空和地面再拍攝兩張素材。一個場景共拍攝6張場景素材，如圖1所示。在拍攝的過程中注意不同的素材中應避開相同的人影重疊，避免車輛的運行，車輛的快速運行會在素材中留下重影，保持拍攝角度，拍攝水平的一致。

1.3 ?拼接素材

1.3.1 ?合成初始全景圖像

素材拼接選擇PTGUI軟件。它是一款接片軟件，它能自動讀取底片的鏡頭參數(shù)，識別圖片重疊區(qū)域的像素特征，然后以“控制點”的形式進行自動縫合，并進行優(yōu)化[5]。導入之前采集好的6張場景素材到PTGUI軟件，通過對齊影像自動計算控制點縫合成初始的全景圖像，全景編輯模式中發(fā)現(xiàn)全景圖像存在偏移的情況可以把全景圖像拉正。如果發(fā)現(xiàn)導入素材有誤也可以返回工程助理項目，點擊添加更多影像和刪除或重組排列影像來調(diào)整導入的素材。

1.3.2 ?初始影像的檢查

通過預覽模式可以發(fā)現(xiàn)初始全景圖像存在的問題，由于素材采集和拼接全景圖像的過程中出現(xiàn)各種問題是不可避免的，所以拼接的初始全景圖像會存在各種不同的問題需要修復。這個時候就根據(jù)不同影像存在的不同問題來進行處理。

2 ?虛擬場景的問題優(yōu)化

2.1 ?基于PTGUI的全景優(yōu)化

2.1.1 ?遮罩處理

在素材采集的過程中會有人影或全景云臺陰影的殘留，可以運用PTGUI的遮罩功能進行處理，如圖2所示。用遮罩畫筆把需要遮罩的范圍先用畫筆圈起來，然后填充滿整個區(qū)域。需要注意的是，遮罩功能是通過其他5張素材與選中素材的重合區(qū)域?qū)φ谡治恢玫淖詣犹畛?，進行遮罩之后不可避免地會出現(xiàn)誤差，所以應該盡量減少填充的區(qū)域。

2.1.2 ?修剪處理

因為在拍攝過程中曝光度和水平方向不一致，會出現(xiàn)全景圖像存在明顯的裂縫或縫合痕跡較為明顯的情況，可以通過PTGUI自帶的修剪功能進行處理。首先在修剪項目中把素材的范圍小幅度縮小，然后選中獨立設置就可以解決上述問題。如果在修剪的過程中發(fā)現(xiàn)素材光圈并沒有在圖像的中間，光圈位置出現(xiàn)了明顯的偏移，需要先擺正光圈的位置。

2.1.3 ?控制點處理

運用PTGUI進行自動拼接時，可能會岀現(xiàn)拼接不了或拼接錯位等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象多數(shù)是由于圖像沒有控制點或控制點混亂所造成的。解決辦法就是要找出錯誤的控制點。這類錯誤的控制點往往出現(xiàn)在非相鄰的圖像中，應全部刪除。重疊部分必然會有控制點，用此方法逐一檢查每一圖像，刪除所有錯的控制點，最后進行優(yōu)化就能得到正確的拼接圖像。

2.1.4 ?視點矯正

由于補地的一張底片是移開三腳架之后拍攝的，它的視點與其余的底片并不在一起，所以在拼接的時候就會出現(xiàn)像素點偏離和線條錯亂等現(xiàn)象。這個時候需要運用PTGUI自帶的視點矯正功能來修復它：導入一組場景素材，對齊圖像之后，對全景圖像進行優(yōu)化。當然對于沒有能夠自動識別調(diào)整回來的地方，就需要手動調(diào)整控制點或者運用pano2vr軟件進行分解、處理、合成來調(diào)整。

2.2 ?基于Photoshop的圖像處理

2.2.1 ?填充處理

經(jīng)過PTGUI遮罩處理之后，由于素材與素材之間的重疊部分不足以填充遮罩部分的像素，導致部分被遮罩區(qū)域出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，這個時候就需要把全景圖像拉到Photoshop軟件之中填充缺失部分。在Photoshop中通過3D（D）項目中的球面全景打開全景圖像，選中出現(xiàn)問題的區(qū)域，然后通過內(nèi)容識別填充空白區(qū)域。

2.2.2 ?調(diào)整色調(diào)曲線

拍攝素材時環(huán)境的影響會導致場景色調(diào)暗沉或高光。這個時候可以運用Photoshop的調(diào)整曲線功能，通過調(diào)整全景圖像的色調(diào)曲線來調(diào)整全景圖像的色調(diào)。

2.2.3 ?置換天空

有些素材因為拍攝時天氣氣候的影響會使天空出現(xiàn)偏暗、發(fā)白、發(fā)灰的現(xiàn)象。如果要讓合成的場景能夠更好地展現(xiàn)，需要通過Photoshop更換天空，使得照片看上去明亮。首先將要換天的素材用Photoshop軟件打開，然后利用裁剪工具，將照片的比例裁剪為2：1。打開濾鏡，根據(jù)照片調(diào)整照片的色彩，提高飽和度，使素材較之前比顯得飽滿和諧。調(diào)整素材的天空將原圖所有的天空覆蓋，然后為素材天空添加蒙版。需要特別注意天空和地平面的相接處，要將天空素材調(diào)整至剛才和原圖同樣的色調(diào)。

2.3 ?基于pano2vr的圖像處理

2.3.1 ?分解全景圖像

在拍攝素材的過程中，如果有時地面和天花板出現(xiàn)有較多線條的場景，那么在合成全景圖像后，地面和天花板難免會出現(xiàn)線條錯亂的現(xiàn)象。此時便不能直接用Photoshop軟件直接進行處理，需要把合成好的全景圖像通過pano2vr分解成6張圖像，轉(zhuǎn)換輸入圖片的類型為立方體面片，再用Photoshop軟件處理出現(xiàn)問題的區(qū)域。

2.3.2 ?Photoshop處理

查看6張分解后的圖像，找到出現(xiàn)問題的圖像之后，拉到Photoshop中處理。通過Photoshop的套索工具和圖層遮罩等功能來調(diào)整全景圖像線條錯亂的問題。

2.3.3 ?合成全景圖像

經(jīng)過Photoshop軟件的處理之后，需要把分解的6張圖片重新導入到pano2vr中合成成全景圖像。把6張圖片中編號為0的第一張圖片導入pano2vr，這時pano2vr會自動把6張圖片導入到文件框之中，待系統(tǒng)識別導入完成之后，轉(zhuǎn)換輸入圖片的類型為矩形球面陰影即可。

以上便是本次研究所遇到的圖像經(jīng)過初始合成后出現(xiàn)的各類問題，將所有的問題經(jīng)過匯總與分析，如圖3所示，主要包括了遮罩處理，修剪處理，填充處理，色調(diào)，置換天空，分解場景六大問題。

3 ?基于720云平臺的全景漫游

3.1 ?創(chuàng)建漫游系統(tǒng)

首先登錄720云平臺（https：//720yun.com/vip），注冊并登錄平臺賬號，選擇平臺免費的3 GB容量的漫游系統(tǒng)，把制作好的全景圖片上傳到720云全景制作平臺中，選中全部上傳的全景圖片，填寫右邊選框的標題，標簽等內(nèi)容后點擊及發(fā)布就可以創(chuàng)建一個全景漫游系統(tǒng)，界面如圖4所示。

3.2 ?基于720云平臺的全景編輯

創(chuàng)建完全景漫游系統(tǒng)之后就可以對上傳到720云平臺的全景漫游系統(tǒng)進行更加精細的編輯加工。720云平臺自帶的功能分別為視角編輯，沙盤編輯，遮罩處理，嵌入處理，音樂添加，特效處理，導覽，足跡天際，細節(jié)等功能，如圖5所示，不同的功能可以為用戶帶來不同的瀏覽體驗，靈活運用720云平臺自帶的功能，能夠給用戶帶來更強烈的視覺沖擊。

3.2.1 ?視角編輯

視角編輯功能可以調(diào)整用戶打開時的第一視角，通過不斷地旋轉(zhuǎn)調(diào)整找到最合適的第一視角，好的第一視角可以讓用戶對當前場景留下更加深刻的印象，還能引導用戶更好的瀏覽當前場景。

3.2.2 ?遮罩處理

遮罩功能不僅能遮蓋全景圖像不需要展現(xiàn)的區(qū)域，或者無法修改的瑕疵等，同時還可以通過遮罩功能添加需要添加的圖標，如以廣州工商學院為示例的學校?；?。

3.2.3 ?添加音樂

通過語音功能上傳提前錄制好的音頻文件，然后為指定場景添加語音講解和背景音樂。添加背景音樂能夠使用戶在瀏覽的過程中得到視覺和聽覺的雙重享受，給部分區(qū)域添加語音講解，能讓用戶擁有身臨其境的感覺，對瀏覽區(qū)域了解更加深入。

3.2.4 ?熱點添加

瀏覽全景場景時需要在不同的場景間進行不斷地切換，不熟悉當?shù)貓鼍胺植嫉挠脩舨涣私鈭鼍爸g的相互聯(lián)系，此時就需要在場景之中添加熱點標識符引導用戶了解場景分布和相互之間的關系。通過熱點功能給指定場景添加指引用戶切換場景的標識符，標識符與生活中的路標大同小異，給場景中的不同地段添加標識符能起到很好的引導作用。

3.2.5 ?特效添加

為了使用戶在瀏覽當前場景時能夠更加融入到場景的意境之中，增強用戶得體驗感，可以為指定場景添加不同的場景特效，平臺自帶的特效包括太陽光、下雪等。

3.2.6 ?添加沙盤

沙盤能夠在用戶瀏覽全景場景時為用戶提供準確的位置標志和視野區(qū)域顯示，具有重要的導向的作用。以廣州工商學院三水校區(qū)為例，通過沙盤選項，上傳廣州工商學院三水校區(qū)地圖制作成為沙盤，選中指定場景在電子沙盤上面對應的位置添加標記，同時還可以對應場景中的第一視角調(diào)整標記的視角。

4 ?結(jié) ?論

本文以廣州工商學院全景漫游系統(tǒng)為實例，全面介紹分析了全景漫游系統(tǒng)的制作過程，其中包括設備的搭建，素材的采集，素材的合成，全景圖形的處理和優(yōu)化，720云平臺的使用方法等方面詳細刨析了全景漫游系統(tǒng)的方方面面。同時通過這次的研究，實現(xiàn)了廣州工商學院全景漫游的完整展現(xiàn)，基于720云平臺更加直觀得為用戶展示校園得特色和地理位置，使用戶可以足不出戶就能夠詳細得了解校園的地理場景和校園歷史。具有巨大的研究價值和商業(yè)價值。

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作者簡介：陳展鵬（1997—），男，漢族，廣東廣州人，實驗員，本科，研究方向：虛擬現(xiàn)實技術;黃建澤（1998—），男，漢族，廣東湛江人，本科在讀，研究方向：計算機科學與技術。