靜態(tài)全景技術(shù)在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用與實(shí)踐

李夢(mèng)

摘要：靜態(tài)全景技術(shù)是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境重要手段之一，按其呈現(xiàn)方式可分為柱形全景、球形全景、立方體全景和對(duì)象全景。本文介紹了四種靜態(tài)全景的制作原理、技術(shù)特點(diǎn)、拍攝技巧、后期處理、拼接技術(shù)及其在行業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)全景技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0244-02

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了攝影攝像技術(shù)、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境主要有以下三種情況：一是完全對(duì)真實(shí)世界中的環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)；二是完全虛擬的、人類(lèi)主觀構(gòu)造的環(huán)境；三是對(duì)真實(shí)世界中人類(lèi)不可見(jiàn)的現(xiàn)象或環(huán)境進(jìn)行仿真。靜態(tài)全景技術(shù)主要應(yīng)用于第一種情況，其類(lèi)型主要包括柱形全景、球形全景、立方體全景、對(duì)象全景等。

2 靜態(tài)全景技術(shù)

2.1柱形全景

柱形全景是最為簡(jiǎn)單的全景虛擬，為水平360度（或某一較大角度）環(huán)景，一般應(yīng)用于基于普通PC平臺(tái)的小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（即使用個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）或初級(jí)圖形PC工作站去產(chǎn)生仿真，計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的窗口），使用鼠標(biāo)在水平方向左右拖動(dòng)，可以觀察到左右兩側(cè)的景色，但是如果用鼠標(biāo)上下拖動(dòng)時(shí)，上下的視野將受到限制，因?yàn)轫敳亢偷撞渴强瞻椎模荒軌蜻M(jìn)行俯視或者仰視。

柱形全景使用普通照相機(jī)即可完成拍攝，目前許多智能手機(jī)具有均有全景模式，其拍攝方法即開(kāi)啟全景模式后，點(diǎn)擊快門(mén)，對(duì)著拍攝對(duì)象從左往右或從右往左慢勻速移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)手機(jī)鏡頭，此時(shí)手機(jī)屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小滑塊，跟著小滑塊移動(dòng)，注意保持手機(jī)水平穩(wěn)定，盡量減少垂直偏移，否則全景照片會(huì)出現(xiàn)銜接斷層的情況，在小滑塊進(jìn)度結(jié)束前可以隨時(shí)點(diǎn)擊快門(mén)結(jié)束拍攝，相機(jī)就會(huì)自動(dòng)生成全景照片。目前市面上絕大部分手機(jī)的自帶的全景模式至少可以拍攝180度全景照片，許多手機(jī)還能夠拍攝240度甚至270度的圖像，安裝某些軟件后也支持360度拍攝，即“拍一圈”。但是手機(jī)全景拍攝，非?？简?yàn)手持拍攝的穩(wěn)定能力，稍有不慎就可能前功盡棄。

因此，為得到高質(zhì)量的全景照片，多采用普通照片進(jìn)行合成拼接。即按照順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)拍攝普通大小的照片若干張，注意相鄰照片的邊界處要有一定的重合部分，然后使用圖像處理軟件（如Photoshop）對(duì)照片的亮度、對(duì)比度、色調(diào)、銳度等進(jìn)行調(diào)整，再將照片導(dǎo)入靜態(tài)全景制作軟件（如Pix Maker）中，可根據(jù)需求對(duì)照片進(jìn)行插入、刪除、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、重新排列等操作，最后將這些照片合成全景照片或網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行發(fā)布。

2.2球形全景

球形全景為水平360度，上下180度，能夠看到場(chǎng)景的所有角度，可以更加真實(shí)地對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，若用于封閉的場(chǎng)景配合音響系統(tǒng)將用戶的視聽(tīng)覺(jué)與外界隔離，使用戶完全置身于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境之中，會(huì)讓用戶產(chǎn)生一種身臨其境、完全投入和沉浸于其中的感覺(jué)。

球形全景照片的制作比較專(zhuān)業(yè)，首先必須用專(zhuān)業(yè)魚(yú)眼鏡頭拍攝兩張照片，然后用專(zhuān)業(yè)的軟件把它們拼接起來(lái)，做成球面展開(kāi)的全景圖像。目前國(guó)內(nèi)在這一塊做得比較好的如中海達(dá)iScan系列，其中的外業(yè)采集設(shè)備中多頭魚(yú)眼高清相機(jī)可完成素材照片的拍攝，且其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理全景拼接軟件HdPanoFactory可根據(jù)算法完成數(shù)據(jù)檢查、全景輸出、輸出檢查、全景PS處理、生成縮略圖等功能。此外，該系列設(shè)備和軟件還可以利用GPS定位系統(tǒng)收集點(diǎn)云并進(jìn)行建模，對(duì)圖片進(jìn)行切片并生成街景，高清攝像機(jī)的連續(xù)拍攝功能還可形成連續(xù)的全景圖片并由HD MapCloud RealVision軟件完成漫游操作。

除了較為專(zhuān)業(yè)的球形拍攝，普通手機(jī)可以通過(guò)軟件完成拍攝，如Google Camera（谷歌相機(jī)） 有一個(gè)Photo Sphere模式，手機(jī)為“球”的中心，用藍(lán)色“大圓點(diǎn)”引導(dǎo)用戶逐步采集球形全景照片拼接所需要的畫(huà)面。關(guān)于這款360度全景拍攝軟件，谷歌建議用戶，在拍攝球形全景照片的時(shí)候，手機(jī)需要貼近臉部，這樣能夠使合成率提高，同時(shí)在拍攝的過(guò)程中避免近景和遠(yuǎn)離人群，以免鬼影的出現(xiàn)。但是在實(shí)際操作過(guò)程中，由于該軟件本質(zhì)還是多張照片進(jìn)行拼接，在拍攝過(guò)程中對(duì)于手機(jī)角度的把握至關(guān)重要，否則會(huì)由于照片角度問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)拼接縫隙或者拼接不整齊的情況，良片率較低。

2.3立方體全景

立方體全景技術(shù)是另外一種實(shí)現(xiàn)全景視角的拼合技術(shù)，它打破了原有單一球型全景的拼合技術(shù)，能拼合出更高精度和更高儲(chǔ)存效率的全景。立方體全景主要應(yīng)用于構(gòu)建室內(nèi)虛擬環(huán)境，如房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商模擬樣板房，客戶只需要坐在電腦前通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)就可以較為全面和真實(shí)地查看各種樣板房的立體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。若需要進(jìn)一步身臨其境地去體驗(yàn)，可以利用洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，可提供一個(gè)房間大小的四面（或六面）立方體投影現(xiàn)實(shí)空間，參與者完全沉浸在一個(gè)投影畫(huà)面包圍的高級(jí)虛擬仿真環(huán)境中，借助相應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備獲得身臨其境的高分辨率三維立體視聽(tīng)影像和六個(gè)自由度的交互感受。

立方體全景照片的制作也比較復(fù)雜，首先拍攝照片時(shí)，要把上下前后左右全部拍下來(lái)，但是可以使用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝，只不過(guò)普通相機(jī)要拍攝很多張照片（最后拼合成六張照片），然后再用專(zhuān)用的軟件（如Pano7cd）把它們拼接起來(lái)，做成立方體展開(kāi)的全景圖像。

普通手機(jī)也可以通過(guò)軟件完成立方體拍攝，如Google Camera（谷歌相機(jī)），在“全景”模式下有一個(gè)“□”（立方體拍攝模式），同樣是使用藍(lán)色“大圓點(diǎn)”引導(dǎo)用戶逐步采集照片拼接所需要的畫(huà)面。該模式拍攝出的照片透視感比較強(qiáng)，但是對(duì)于拍攝照片的方位要求較高，否則在近處的畫(huà)面容易出現(xiàn)透視變形的情況。

2.4對(duì)象全景

對(duì)象全景不同于風(fēng)景全景，拍攝時(shí)攝像頭要對(duì)準(zhǔn)對(duì)象，采用赤道儀或環(huán)繞拍攝的方法，即以被拍攝體的中軸線為中心，使三腳架環(huán)繞被拍攝體轉(zhuǎn)動(dòng)拍攝一張張照片，然后選用對(duì)象全景的拼接和播放軟件生成和瀏覽對(duì)象全景照片。對(duì)象全景技術(shù)主要在商業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如汽車(chē)行業(yè)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布汽車(chē)三維全景模型方便用戶直觀地看車(chē)、買(mǎi)車(chē)。不過(guò)近幾年對(duì)象全景技術(shù)還在文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方面有諸多應(yīng)用，如結(jié)合三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)的三維重建或再現(xiàn)，使文物脫離地域限制，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享，真正成為全人類(lèi)可以“擁有”的文化遺產(chǎn)。

為了讓對(duì)象全景更加真實(shí)，還可利用三維激光掃描技術(shù)獲取對(duì)象的粗糙點(diǎn)云模型及影像數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取對(duì)象顯示的不同的各種細(xì)節(jié)作為紋理材質(zhì)，再使用圖像處理軟件（如Photoshop）對(duì)照片進(jìn)行必要的切割、拼接、扭曲、銳化等操作，最后利用三維建模軟件（如3ds max）對(duì)粗糙點(diǎn)云模型進(jìn)行完善、貼圖、打光等操作，如此形成對(duì)象全景在構(gòu)建虛擬環(huán)境中搭建場(chǎng)景時(shí)更加生動(dòng)、逼真、全面，而且可操作性更強(qiáng)。

3 靜態(tài)全景技術(shù)的應(yīng)用

全景技術(shù)是由拍攝的多張真實(shí)照片經(jīng)處理后由專(zhuān)業(yè)軟件拼接而成，具有高度還原真實(shí)場(chǎng)景的逼真效果，因此在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境時(shí)經(jīng)常應(yīng)用于虛擬展示，并可通過(guò)程序或插件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。隨著靜態(tài)全景技術(shù)的日趨成熟，越來(lái)越多的領(lǐng)域嘗試采用該項(xiàng)技術(shù)。除了文中提到的房地產(chǎn)行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)和文物保護(hù)產(chǎn)業(yè)，靜態(tài)全景技術(shù)目前還廣泛應(yīng)用于旅游風(fēng)景展示、企業(yè)院校展示、虛擬展示業(yè)等行業(yè)。

3.1旅游風(fēng)景展示

為提高景區(qū)知名度，吸引更多的游客，目前許多景點(diǎn)都采用360度全景介紹和展示景區(qū)風(fēng)光，觀賞者可通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)或觸摸屏幕調(diào)整觀賞方位，根據(jù)自身喜好在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行瀏覽與欣賞，相比較于使用傳統(tǒng)文字和圖片更具真實(shí)性和趣味性，張家界、神農(nóng)架、武當(dāng)山、洞庭湖等許多著名景點(diǎn)均制作了虛擬漫游全景體驗(yàn)進(jìn)行推廣。

3.2企業(yè)院校展示

目前諸如北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、北京師范大學(xué)等許多高校均有采用靜態(tài)全景技術(shù)制作全景校園虛擬展示，可360度瀏覽校園，并以鏈接的形式在校園內(nèi)不同的地點(diǎn)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。企業(yè)采用全景虛擬展示則為企業(yè)增添了科技感與活力元素，與時(shí)俱進(jìn)的理念有助于弘揚(yáng)企業(yè)文化，招募優(yōu)秀人才，吸引合作伙伴。

3.3虛擬展示業(yè)

靜態(tài)全景技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于虛擬展示行業(yè)，許多實(shí)體博物館或展覽館均有開(kāi)設(shè)虛擬展示館，如故宮博物館、南昌起義紀(jì)念館、北京自然博物館等，游客可不受地域、空間的限制在這些虛擬展示館里學(xué)習(xí)和參觀，有助于不同地域?qū)崿F(xiàn)資源共享，同時(shí)可提高展館知名度，擴(kuò)大影響力，達(dá)到更好的宣傳效果。

4 結(jié)語(yǔ)

使用靜態(tài)全景技術(shù)能夠讓構(gòu)建的虛擬環(huán)境更加貼近真實(shí)、效果逼真，但是僅純粹簡(jiǎn)單的圖片拼接加上網(wǎng)頁(yè)跳轉(zhuǎn)鏈接，觀感和體驗(yàn)并不理想。因此要構(gòu)建理想的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境還需要靜態(tài)全景技術(shù)與三維建模技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合才能達(dá)到身臨其境的效果。

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