360°全景技術的應用和發展歷程

摘要:360°全景可稱為虛擬現實全景。目前360°全景制作所使用的較為普遍的硬件設備包括:數碼單反相機，魚眼鏡頭，全景云臺以及三角架等，通過這些設備進行圖片資料的采集，然后經過特定軟件的拼接和多媒體制作軟件的處理，最后再通過網頁或者軟件集成的方法發布出來。360°全景的網頁展示方式非常的多樣化，它支持地圖導航，熱點虛擬漫游，外部網頁、視頻、動畫、音頻等的連接。它還可以與三維地理系統聯系起來，集成在軟件中進行展示，如Google Earth。總之，360°全景的應用領域十分廣泛，不論商業領域，文化領域，還是科技領域，甚至在地震災害方面都能發揮它特有的優勢。

關鍵詞:360°全景;需求領域;制作流程;拍攝設備;地震災害

中圖分類號:TH762 文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)03-713-03

The Application of 360°Panoramic Technology and Development Course

QUAN Zheng-huan

(China Seismological Administration and Institute of Seismology， Wuhan 430071， China)

Abstract: 360°panorama can be called Virtual reality panorama. Currently， the most common equipments of shooting 360 panorama contains DSLR， fish-eye lens， panorama head， tripod and so on. We can collect pictures with these equipments to， stitch with the specific software， and process with the multimedia making software， finally publish works on the web page or integrate in a sofeware， such as Google Earth. In a word， 360°panorama has broad application fields， either in commerce or in civilization， or in science and technology， and even in the aspect of earthquake disaster it can also play a particular role.

Key words: 360°panorama; fields of recruitment; making process; shooting equipment; earthquake disaster

全景 (panorama)來源于希臘語，它的意思是“都能看見”。從廣義上講，360°全景是基于圖像處理的虛擬漫游，也叫虛擬現實(Virtual Reality)全景[1]。目前拍攝360°全景所使用的最為普遍的設備包括:數碼單反相機，魚眼鏡頭，全景云臺以及三角架等。360°全景按照拍攝方式的不同，可分為柱形全景、球形全景、以及對象全景。柱形全景，類似于寬屏幕的效果;球形全景包括了整個視域范圍;對象全景在于全方位的展示物體。360°全景的制作流程分為以下幾步:1)全景拍攝模式的選擇以及照片的采集;2)全景圖的拼接與合成;3)全景多媒體文件以及虛擬漫游的制作;4)成果的發布。

從19世紀開始，伴隨著圖形圖像處理技術的進步，以及拍攝設備的不斷改進，到了21世紀，虛擬現實全景已開始在今日的國際市場大展宏圖。2008年國際市場涌現大量一次成像設備，成像的方式有靜態圖像模式以及視頻模式，使全景的制作更加的便捷，展示方式也更加的生動。

360°全景將是一項不斷革新的技術，除了在商業上的應用，還將會在科技民生方面大展拳腳，如衛星探測計劃，GPS車載導航。

1 360°全景的現實意義及發展歷程

1.1 360°全景的現實意義

360°全景是一種基于圖像的虛擬現實技術，它用真實的照片得到三維立體的感覺，這是一般圖片和三維建模都無法達到的。360°全景與一般圖片一樣都可以起到展示和記錄的作用，但是一般圖片的視角范圍有限，也毫無立體感，而360°全景不但有360°的視角，更可以帶來三維立體的視覺感，讓觀者猶如身臨其境。相對來說，三維建模立體感和沉浸感無疑比360°全景更強，但是三維建模的制作投入較少的話，就會有畫虎不成反類犬的后果，在希望達到非常真實程度的情況下，360°全景無疑是性價比較高的選擇。360°全景的拍攝和制作投入少，制作簡單，一個全景從拍攝到完成制作發布只需要短短的幾分鐘時間，它的數據量很小，對系統的要求低，適合各種方式，各種終端設備上觀看。

全景虛擬現實的需求領域比較廣泛。真實互動的360°全景和三維產品展示不僅可以為科學研究提供重要的圖片資料，還可以成為商家有效拓展業務范圍，提供競爭力的手段。具體應用如下:

相關商業網絡平臺:如攜程網、搜房網、愛國者全景(北京)網絡科技發展有限公司等，采用360°虛擬三維全景和產品的三維展示方式，為酒店、房產開發商以及汽車銷售商提供服務。

醫學領域的應用:如一張口腔全景圖，清晰地展示了全口牙列的體層影像，從而提高了醫師診斷的準確率，也為制定正確的治療計劃打下了鋪墊[2]。

旅游事業:如旅游網站將景區的平面布置圖與全景多媒體文件結合，做成熱點鏈接，只需點擊鼠標，即可從一個景點進入下一個景點，引導訪客實現網上虛擬旅游。

文化領域:如采用柱形或球形全景介紹其場館建筑，而且用對象全景做工藝美術，繪畫，雕塑，文物等360°三維展示，拖動鼠標，即可觀看目標對象的全貌。再如虛擬校園展示以及教育單位重點實驗室展示和特殊課件制作 [3]。

科學技術研究領域:2004年1月“探路者”火星探測器所拍攝的火星高清晰360°球狀全景彩色照片，為人類研究火星提供了真實又寶貴的的資源。

工程項目的展示以及地震監測環境和儀器的管理:如用于后期系統檔案驗收的黃河水利委員會各階段可視化記錄，結合GIS的北京西城區規劃，以及筆者本次所參與制作的廣西壯族自治區地震局10個臺站的環境及監測儀器的全景展示。

地震災害領域的應用:全景展示具有真實性，全面性以及素材獲取的便捷性。在地震發生現場，使用此法可以更全面的反映地震發生時的地層破裂信息，斷層信息以及滑坡泥石流堰塞湖等震害信息。這些信息可為地震應急部門，地震預報人員以及地震研究人員，地震災害損失評估提供珍貴的圖像資料，也為地震決策部門迅速把握災情，發布地震災情信息，以及做出正確的決策提供可靠的依據。圖1是一張地震監測臺站的全景圖，它全面的展示了地震監測臺站的環境。后期將全景圖轉換成視頻文件后，我們就可以任意的查看我們想看的每一個點，不遺漏重要的信息。

1.2 360°全景技術的發展歷程

1.2.1 19世紀全景的發展

19世紀關于全景的最大創舉就是全景相機的產生。那一時期的產物包括傳奇的Cirkut，Cirkut No.10相機采用一個扇狀物控制的時鐘機械裝置，使用10英寸膠片，可拍攝360°影像[4]。

1.2.2 20世紀全景的發展

20世紀全景的拍攝設備在國內外展現出蓬勃的生機。在這一時期，全景的拍攝器材包括寬幅相機，轉機，搖頭機，以及遮幅全景相機。

轉機可稱得上是“真正的全景照相機”，因為它可以把相機四周的景物拍得最全。對于大范圍的拍攝對象，可以將其圍成一個圈來拍攝。轉機在中國使用的歷史比較長，如1970年天津產的“晨光”、 上海產的“海鷗”、山西產的“曲沃”，1990年代浙江上虞俞鐵階的“神龍”、廣東江門的“銀河”等。在進口的同類相機中，瑞士生產的“環攝” (Roundshot)轉機最為著名[1]。

搖頭機的最大拍攝角為145°，可以手持拍攝。在常見的搖頭機中，德國的諾寶(Noblen)、日本的威德勒克斯(Widelux)都是著名的品牌。

遮幅全景相機，是一種“假全景”的相機。由于這類相機鏡頭焦距未改變，故拍攝角度也沒擴大，只能給人以全景照片的感覺[5]。

1.2.3 21世紀全景技術的發展

1.2.3.1 全景拍攝設備的發展

2004年，Google公司開展了地圖街景項目。街景(StreetView)拍攝是由一個多鏡頭攝像機完成，可安裝在汽車或者人力三輪車上。人力三輪車一般用于不允許汽車通行區域或者狹窄路段。用它所拍攝的圖片質量總體來說還不錯，但在某些角度圖片有些模糊，可能是曝光不足或者過度曝光。

2005年1月，亞馬遜旗下搜索引擎A9.com在本地搜索服務中首先推出了街景查看功能。該公司花了8個月時間，從2004年開始用GPS定位車輛對美國22個城市的主要街道進行拍攝，在此基礎上編輯出3500萬張圖片的龐大數據庫。Google于2007年5月30日推出了Google地圖街景查看工具(Google Maps Street View)，這是Google地圖服務增加的一項新功能，可顯示所選城市街道的360度全景圖像。另外，查看街景圖的方式，還可以通過安裝Google Earth軟件，在輸入經度緯度，或者地名，就可查詢到某個城市某一角的360°全景。

2008年，國際市場涌現出不少的一次成像設備，如Pano Pro公司和3DVista公司各自推出的一次成像設備，它配合特定的適配器，可以在0.1秒左右捕獲360°范圍的景色。由于這類設備可自動將焦距和曝光量調節一致，因此使全景圖的合成，更加的快捷方便。但是它也有不足之處，由于垂直方向的視角只有105°，因此會在上下視野中出現兩片空缺。同年，加拿大的POINT GREY公司也優先推出了更加高端的視頻全景拍攝設備，使靜態的虛擬現實全景演變成為動態的虛擬現實全景。該公司提供從制作到觀看的全套軟硬件設備，如球狀視頻全景設備Ladybug2和Ladybug3。Ladybug2有6個高質量的2.5mm焦距長度的微攝鏡，Ladybug3有6個高質量的3.3mm焦距長度的微攝鏡[6]。

此類設備所拍攝制作的視頻文件，更加具有動態感，景隨車動。觀看者想看哪一點的全景，只要點擊當前視頻畫面，移動鼠標，即可觀看該點任意方向的景物，猶如觀看真實的視頻全景電影。此設備制作的案例可參見國內蒙牛乳品研發中心的項目。

1.2.3.2 全景圖像質量以及查看器的演變過程

2000年，國內外的虛擬現實全景技術已經發展到爐火純青的地步。人們已經不滿足一般的二維全景的查看方式(如二維全景圖片瀏覽器Wpanorama)，開始采用球面變形，將一個2:1的矩形平面360°照片還原成一個球狀全景，透視變形的結果產生一種模擬三維的效果。我們也可以稱之為 “真正三維虛擬現實” [1]。目前市面上已經有很多制作球狀全景的軟件，如QuickTime VR、pano2VR等。以Pano2VR為例，它可以將全景圖轉換成不同的投影模式，如矩形球面投影、立方體面片、柱形、頭像條、十字形、T形，也可以將這類圖片轉換成flash文件。

全景的圖像質量一直是全景攝影愛好者心頭的一塊腫瘤，由于受網絡帶寬，PC機處理器的性能及全景制作設備和播放插件的限制， 全景照片在分辨率，圖像質量上與常規攝影作品相差太遠。2000年10月份，蘋果公司推出QuickTime 5播放器，并在接下來幾年又不斷推出新的版本，到2009年，已經推出了第七版本系列。該軟件的推出，使全景播放中的圖像質量有了質的飛躍， QuickTime支持大幅面的立方體全景，全景照片的顯示尺寸不再受任何限制。現在我們已經可以在網上看到流暢的高清晰全屏全景。

2 360°全景的制作流程

此次講述，筆者選擇的硬件設施為:鏡頭機身可分離的單反相機，適馬8mm魚眼鏡頭，全景云臺，三角架，快門線;軟件配置為PTGui Pro，photoshop以及Pano2VR，并以此來講述柱狀和球狀全景的制作過程。另外，對象全景的制作可以選用Object2VR來完成，它的制作過程與pano2VR近似，在此不做詳述。

2.1 照片的拍攝

照片的拍攝是全景制作的重要一環。拍攝鏡頭我們選用魚眼鏡頭，由于魚眼鏡頭的視野范圍超過180°，所以鏡頭旋轉一周只需拍攝4張張即可合成一張全景圖。若選用普通鏡頭，則須拍攝多層，且每層需根據鏡頭焦段的不同張數也有所不同，增加了不少工作量。根據經驗，拍攝時，有以下幾點需注意:

1) 為了防止照片局部變形嚴重的情形，以拍攝6張為宜，以全景云臺來確定轉動的角度。

2) 拍攝模式建議選擇手動模式。

3) 對于拍攝一周的照片，以下參數應該一致:尺寸大小一致;焦距一致;快門速度和光圈一致;白平衡一致。

4) 為了降低照片中的噪點，拍攝過程中不要打閃光燈，且ISO值不宜過高。一旦噪點過多而又無法補拍，我們可以選用噪點消除軟件來處理，如Noiseware。

5) 相機需以鏡頭的光學中心為軸旋轉拍攝，以保證照片拼接的無錯位。通過調節全景云臺上的刻度，找到鏡頭節點，并記住相應的刻度，以后遵循此刻度安裝云臺。

6) 拍攝時，鏡頭最好上仰5度左右，以完全覆蓋天頂部分。

7) 使用三角架進行拍攝，并調整三角架或者云臺上的氣泡來使相機水平。

2.2 全景圖的合成

啟動PTGui Pro，并加載要拼接的圖片，輸入鏡頭參數，選擇對準圖像，一般情況下，到此步，全景圖已經合成了，個別情況下，軟件無法找到足夠的控制點而無法合成全景圖，就需要手動添加控制點并進行優化，直到可以合成拼接成功的全景圖。

接下來是祛除全景圖中腳架的部分。啟動Pano2VR軟件，輸入已經拼好的全景圖，將圖片轉換成6個立方體面片，再用photoshop修補有腳架的面片，腳架祛除后，重新選擇輸入6個立方體面片，然后將立方體面片轉換為與祛除腳架前大小一致的矩形球狀全景圖。

2.3 360°全景多媒體文件的制作

首先回到剛剛Pano2VR已經生成理想全景圖片的界面，然后打開參數設置一欄，調節flash首顯畫面，以及視場的縮放程度和縮放限制范圍，利用此軟件，還可以為多媒體文件添加音頻文件和熱點交互區域，熱點交互可以連接全景flash文件以及網頁。

Pano2VR的輸出文件有三種模式:flash模式、QuickTime模式以及變形模式。

選擇Flash模式，其中皮膚編輯器是重要一環節，通過編輯皮膚工具，設計更加多樣化的播放按鈕，并且可以在全景中添加地圖或索引圖自動導航，此地圖可顯示可隱藏。

選擇QuikeTime模式(即QTVR模式)，可以生成mov格式的文件，此文件需由蘋果公司所研發的播放器QuikeTime Player來播放。

選擇變形模式，通過選定不同的圖片輸出模式，如(極坐標投影(小行星效果))，矩形球面投影等，可以生成各種png格式的變形縮略圖，圖2為小行星效果的縮略圖，此圖片可以作為熱點漫游中銜接的標志，點擊它，即可以進入此圖片所對應的全景視頻。

此外，隨著全景多媒體文件制作工具的更新換代，它的展示方式變得更加豐富，如2008年6月發布的任我游RM Virtual Tour V2.2，相對于Pano2VR來說，它除了具備和Pano2VR一樣的功能外，還可以連接外部的視頻、動畫文件。

2.4 將制成的多媒體文件發布到網站

這個過程涉及到網站的建設。利用ASP.net以及Java技術，編寫程序，將flash或者mov文件添加到與場景所對應的規劃圖或者各類地圖上，最后再將生成的html文件發布到網站。

3 360°全景技術的感想

針對全景的發展現狀，筆者提出以下幾點感想:

1) 隨著網絡帶寬以及PC機性能的普遍改善，圖像的質量將得到普遍的提高，數據的更新也會更便捷。

2) 360°全景將在車載導航中大顯身手。目前Google正進軍GPS車載導航，通過MapAPI來使用街景及其他數據。GPS導航的發展趨勢將使汽車能與家用個人電腦使用相同的服務。希望將來使用速度更快的無線通信網，以谷歌的地圖數據為依據，對設施實行三維圖像顯示。將來，估計會需要類似于電腦鍵盤的、更安全的汽車專用用戶界面。如果車載導航儀能與云計算(Cloud Computing)設備連接，便可經由通信網絡進行服務升級，使車載導航儀達到互聯網的速度[7]。

3) 360°全景的智能獲取方式。未來應該創造出更加智能的拍攝儀器，通過人工操作使其深入一些人類無法進入的區域進行拍攝，從而獲取寶貴的資料。2005年，埃姆斯研究中心的的Randy Sargent和Charmed實驗室有限公司的的Rich LeGalrand一起為標準數碼相機設計和制造了一款千兆像素的機器人平臺——Gigapan。Gigapan本質上一種智能的三角架，使用者調節好全景攝影機的左上角和右下角，它就可以進行自動化的拍攝。2008年底，他們已推出較大型攝影機專用元件。目前，一種慢速拍攝的Gigapan機器人設備正在開發中[8]。

4) 360°全景通過Goole Earth的完美展示，為真三維地理信息系統技術及應用打下了很好的鋪墊，希望將來在更多領域發揮它的潛在價值。

參考文獻:

[1] 白木，周潔.漫談全景攝影[J].攝影與攝像，2003(10):48-49.

[2] 張麗芳，林新平.全景片在口腔正畸臨床上的應用[J].現代口腔醫學雜志，2006，20(5):536-538.

[3] http://www.jietusoft.com/solution_edu.html.

[4] 錢元凱.全景攝影全方位[J].中國攝影，2004(1):123-144.

[5] 陳瑞祥.話說全景照相機[J].照相機，1996(2):26-27.

[6] http://www.ptgrey.com/index.asp.

[7] http://industry.yidaba.com/dzdgdq/200908/280105401006100100000110834.shtml.

[8] 火星全景攝影技術使全景拍攝輕而易舉[J].軍民兩用技術與產品，2009(7):35-35.