基于無人機(jī)攝影的720°全景圖像制作技術(shù)

張巧云，張文君

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽 621010）

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)的快速發(fā)展和人們對(duì)大視域全景圖像的需求迅速增加，全景圖像制作技術(shù)得到了快速提高，其成果也深受人們尤其是廣大攝影愛好者和旅行者的喜愛。目前，全景圖像拼接技術(shù)雖在諸多領(lǐng)域如航空航天、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探等都得到了廣泛應(yīng)用[1]，但全景制作技術(shù)還存在有一定的缺陷，如全景圖像扭曲、局部模糊、有接縫、圖像視角受限以及時(shí)空限制，等等，所以全景制作技術(shù)還需深入研究。

全景圖像拼接技術(shù)是將同一場(chǎng)景的具有重疊部分的多幅圖像，經(jīng)過配準(zhǔn)、拼接等一系列處理，融合成一幅包含全部圖像序列信息的高分辨率和大視域的全景圖像的技術(shù)[2]。本文描述的720°全景圖像是以黃龍景區(qū)為例，選取了具有視覺效果的拍攝點(diǎn)，且使用無人機(jī)搭載高清相機(jī)，以空中懸停的方式獲取圖像，經(jīng)后期全景拼接技術(shù)，制作出具有360°水平視角和360°垂直視角的720°全方位圖像。結(jié)果證明，該技術(shù)方便快捷可節(jié)省大量時(shí)力，在降低成本的同時(shí)還增加了場(chǎng)景的清晰度，為瀏覽者提供更全面、真實(shí)的三維全景漫游。

1 無人機(jī)圖像采集

隨著無人機(jī)技術(shù)的革新與發(fā)展，其在民用領(lǐng)域的使用越來越普及，以無人機(jī)攝影獲取圖像，具有高效率、低成本、操作簡(jiǎn)單、獲取圖像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。如圖1，采集圖像是使用大疆Phantom 3 Advanced無人機(jī)與DronePan飛行控制軟件協(xié)同進(jìn)行，其軟件參數(shù)設(shè)置為偏航角45°，俯仰角22.5°，水平拍攝4行，每行8張，垂直拍攝1張，共33張，拍攝前延遲1秒，飛行高度為20-120m。獲取的圖像分辨率為 4000×3000，焦距20mm，為保證圖像后期拼接的精度，圖像重疊率須高于20%。無人機(jī)在一地點(diǎn)拍攝完成后需及時(shí)導(dǎo)出圖片并分組保存，以防最后因圖片混亂而無法拼接。

圖1 無人機(jī)圖像采集

2 720°全景制作技術(shù)路線

本技術(shù)制作路線流程如圖2：

圖2 720°全景制作技術(shù)路線圖

3 720°全景制作關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Lightroom圖像預(yù)處理

Lightroom是一款適合處理、編輯、優(yōu)化及管理大量數(shù)字圖像的高效率軟件，具有較強(qiáng)的數(shù)字圖像處理功能如污點(diǎn)修復(fù)、降噪功能、鏡頭校正等，利于快速整理和完善大量數(shù)字圖像[4]。由于獲取圖像時(shí)外界光照強(qiáng)度不同或曝光度不同，要將多個(gè)畫面融合在一起，勢(shì)必會(huì)造成同一場(chǎng)景下圖像之間出現(xiàn)局部或整體的亮度差異，拼接后會(huì)存在明顯的拼接縫，嚴(yán)重影響到全景圖像的融合質(zhì)量。使用Lightroom軟件對(duì)圖像預(yù)處理，不僅可以校正圖像的亮度差異使全部圖像達(dá)到趨于一致的效果，還可優(yōu)化潤(rùn)色圖像，提高圖像的清晰度和自然美觀度，有效解決全景圖像過渡帶亮度不同及視差問題，提高圖像間融合質(zhì)量。具體步驟如下：

（1）打開Lightroom軟件，導(dǎo)入同組圖像。

（2）修改圖像，點(diǎn)擊“鏡頭校正”，勾選“啟用配置文件校正”和“刪除色差”，然后按照?qǐng)D像的排列順序分別調(diào)整其色溫、色調(diào)、曝光度、對(duì)比度、高光、陰影、清晰度等，以致同組圖像色調(diào)一致且更清晰美觀。如圖3，在修改圖像時(shí)可查看其修改前后的對(duì)比效果。

（3）修改完成，導(dǎo)出并保存全部圖像。

3.2 PTGui圖像拼接

PTGui是多功能全景制作工具的一個(gè)用戶界面，通過為全景制作工具（Panorama Tools）提供可視化界面實(shí)現(xiàn)圖像拼接，從而創(chuàng)造出質(zhì)量較高的全景圖像[5]。使用PTGui制作全景圖像，操作快捷簡(jiǎn)便還可增加圖像的清晰度。如圖4，導(dǎo)入圖像后點(diǎn)擊“對(duì)準(zhǔn)圖像”，可自動(dòng)配準(zhǔn)圖像參數(shù)進(jìn)行圖像拼接和融合輸出為全景圖像。若圖像質(zhì)量過低或圖像間參照物過少，全景圖像合成效果不佳，可修改或手動(dòng)添加圖像控制點(diǎn)來提高其對(duì)準(zhǔn)和拼接的精度。

圖3 Lightroom圖像預(yù)處理

圖4 PTGui圖像拼接

3.3 Photoshop圖像修補(bǔ)

Photoshop作為一款圖像處理軟件，在去除圖像斑點(diǎn)瑕疵和修補(bǔ)圖像殘損方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，多用于圖像精修和創(chuàng)意合成方面[4]。由于無人機(jī)無法拍攝頂部天空，則需使用Photoshop軟件來補(bǔ)充天空部分圖層以達(dá)到720°全景圖像拼接，如圖5，操作方法如下：

圖5 Photoshop圖像修補(bǔ)

（1）用Photoshop軟件打開PTGui輸出的全景圖像，然后添加一張適合的全景天空素材并調(diào)整其大小及位置，應(yīng)用該變換。

（2）在天空素材的圖層上添加“蒙版”，選擇“漸變工具”，設(shè)置為黑白線性漸變，且從下向上垂直漸變，可避免圖像邊緣相接時(shí)出現(xiàn)明顯的狹長(zhǎng)縫隙現(xiàn)象。使用“橡皮擦工具”抹除蒙版所遮蓋的非天空部分。

（3）極坐標(biāo)濾鏡旋轉(zhuǎn)圖像，檢查修補(bǔ)后的圖像融合效果。如圖6，極坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后圖像完全融合無接縫，720°全景圖像拼接完成。

圖6 極坐標(biāo)全景圖

3.4 720yun全景展示

720°全景拼接完成后，可選用720yun平臺(tái)展示成果。720yun全景展示技術(shù)較為健全，交互功能強(qiáng)，瀏覽效果佳。其操作流程：打開720yun軟件，導(dǎo)入全景圖像，輸入作品信息，可添加熱點(diǎn)、背景音樂、特效等，最后保存作品分享至云端，以便更多的人瀏覽觀賞。

如圖7，黃龍景區(qū)720°全景展示效果圖，瀏覽者足不出戶便實(shí)現(xiàn)與景區(qū)的漫游和交互，圖像高清真實(shí)，猶如身臨其境，其強(qiáng)大的沉浸感更激發(fā)出人們實(shí)地游覽的欲望，該技術(shù)可成為旅游景區(qū)推廣的一種創(chuàng)新手法和宣傳工具。

圖7 黃龍景區(qū)720yun全景展示

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，以及人們對(duì)旅游需求的迅速增加，傳統(tǒng)的平面展示及360°全景漫游已難以滿足人們需求。本文結(jié)合景區(qū)特點(diǎn)制成720°三維全景漫游，不僅擴(kuò)大了瀏覽者的視野范圍，還提高了圖像的配準(zhǔn)精度和拼接質(zhì)量，有效避免了全景圖像拼接常出現(xiàn)的扭曲現(xiàn)象。該技術(shù)是旅游業(yè)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的一種手段，具有一定的先進(jìn)性、實(shí)用性和推廣性，有利于提高旅游業(yè)的服務(wù)質(zhì)量和發(fā)展水平，景區(qū)的規(guī)劃管理及空間資源優(yōu)化配置，促進(jìn)景區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益統(tǒng)一。