Web地理空間360°全景技術研究

陶鯖宇 劉漢湖 陳建華 許開行 盧健

摘 要：全面分析了Web地理空間360°全景從圖像采集的兩種要求、平面投影、球形投影、柱形投影和立方體投影等四種圖像投影方式、基于面積和特征的兩種圖像匹配的方法以及圖像的融合方法探究；再分析了全景瀏覽的步驟和其不同的實現方法，并簡單闡述了不同方法之間的優缺點；還分析對比了360°全景和二維圖片、三維建模等表現形式及各自具備的優勢；以及360°全景可觀的發展前景。

關鍵詞：360°全景；圖像投影；圖像融合

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0158-03

Abstract： This paper studies the 360°Panorama Technology of Web Geospace in terms of two image acquisition requirements， four image projection methods， i.e. plane projection， spherical projection， cylindrical projection and cube projection， and two kinds of image matching methods based on area and feature as well as image fusion methods. Then， it analyzes the steps of panoramic browsing and its different methods of implementation， and briefly describes the advantages and disadvantages of different methods. Besides，the paper compares the 360° Panorama， two-dimensional pictures， three-dimensional modeling and other forms of representationas well as their respective advantages. Finally， it describes the considerable development prospects of 360° Panorama.

Keywords： 360° Panorama； image projection； image fusion

Web地理空間360°全景技術是基于地理環境和視覺效果討論空間信息所反映的規律知識的技術。它是計算機虛擬現實技術的一個分支，真正實現了數據可視化。隨著二維影像成像技術的成熟、三維建模技術的發展，360°全景因其更高的真實性、更小的體積、更短的開發周期、更好的網絡傳播性和更強的擴展性，在場景展示方面占據了一席之地。

1 全景圖像處理

全景圖像的制作流程為：原始圖像采集及處理、圖像投影、圖像匹配與拼接、圖像融合。

1.1 圖像采集及處理

全景圖像采集通常有兩種方法。

一種是使用專業全景相機，相機具有多個超廣角攝像頭，將拍攝數據導入與相機配套的設備軟件，軟件會自動處理并導出一張全景照片，照片是可以獲得用于生成360°全景圖像的二維圖片。這種方式具有采集方便、操作簡單等優點，但設備價格昂貴，不適于所有人。

另一種是使用手機等具有普通拍照功能的設備，使設備原地轉動360°，拍攝從天空到地面的景象，保證照片有一定重疊率，然后將得到的數張圖片導入到如PTGui等全景像片處理軟件，自己手動處理這些照片，然后生成一張用于生成360°全景圖像的二維圖片。這種方式可以完全不需要購買設備，如人手持手機就可以做到。但這種方式對拍攝要求較高，為了保證很好地對準、合并圖片，拍攝時需要盡量使設備在同一水平面上進行360°旋轉，并保持拍攝時的穩定，因此最好使用三腳架；對于照片的重疊率，最好不低于70%。由于獲得的照片里會有三腳架等放置設備的儀器，因此需要對圖片進行剪貼蒙板處理；為了精確對準，需要對沒找圖片的視點等進行精確優化，這都可以用PTGui軟件進行處理。在生成全景二維圖片后，可能會發現照片中缺少天或地的一部分，這就需要使用PTGui將圖片拆分為頂、底、前、后、左、右六張照片，找到缺失部分所在的照片，在PS中對圖片進行填充處理。

1.2 圖像投影

在采集圖像時，每張圖像都是以二維平面上的中心投影方式進行獲取。而為了進行拼接，并可以生成360°全景圖像，這些圖片需要投影到特定的幾何體上。一般投影方式有平面投影、球形投影[1-2]、柱形投影[3]和立方體投影[4]。

1.2.1 平面投影

平面投影即是在平面上以中心投影方式輸出圖像，輸出的圖像與原圖像沒有區別，因此圖像拼接得到的結果經常錯誤，最后呈現的是一個錯誤的長圖片。

1.2.2 球形投影

球形投影是把拍攝的照片投影到一個以觀察者（即相機）為中心的圓球上，球形全景達到水平360°、垂直180°，可以觀察到任何一個角落；球形全景是與人眼模型最為相似的描述，可以提供在視點處的全方位連續觀察。但由于球形投影是以相機為中心，因此在進行圖片拼接時，上下兩側的投影逐漸變大，由于誤差的積累，全景的頂部和底部難以精確對準、變形嚴重，當重疊率較低時，可能出現嚴重失真。

在導出全景圖像的二維圖片時，由于球面坐標是三維的，因此需要把球面上的點投影到二維平面上。常使用經緯映射法進行投影，最后得到一張2：1的矩形圖。

1.2.3 柱形投影

柱形投影是把拍攝的照片投影到以觀察者（即相機）為中心的圓柱體上，柱形全景達到水平360°，但垂直小于180°，可以看到四周，而頂部和底部不可見，這也是通常所說的“環視”。很多專業全景拍攝設備直接獲得的全景圖片即是這種，它是最簡單的全景。由于缺少了頂部和底部，因此柱形全景變形也較小，圖像質量均勻，細節真實程度更高。

1.2.4 立方體投影

立方體投影所得到的全景圖也可以全方位表達場景信息，即達到水平360°、垂直180°。立方體全景圖像的二維圖片不同于前面的幾種投影方式得到的二維圖片，它是由六張圖片組成，分別代表了全景的頂、底、前、后、左、右六個方位。這種投影方法打破了原有的單一圖像拼合技術，克服了球面全景中嚴重變形、圖像失真的問題，具有更高精度和更高存儲效率。同時立方體全景圖中的場景同樣是連續的，因此在瀏覽全景的時候，同樣需要根據視線投影出相應的場景。

1.3 圖像匹配與拼接

圖像拼接是指用算法將多張有一定重疊率的序列圖像拼接成一幅360°全景圖對應的二維圖片。對圖像重疊部分的識別決定了圖像拼接的質量，而圖像拼接的質量直接影響到全景圖的展示效果。一般情況下，兩張照片的重疊率保持在70%左右比較合適，得到的照片總數不多，也容易判斷重疊部分的特征。具體來說，重疊部分的大小取決于重疊部分的特征的明顯程度，對于特征明顯的部分，可以有較小重疊區域，對于特征不明顯的部分，應當有較大重疊區域。識別重疊部分的過程被稱為圖像匹配，目前圖像匹配的方法有基于面積的匹配[5]和基于特征的匹配[6]。

1.3.1 基于面積的匹配

根據圖像的像素值進行圖像匹配的方法。利用待拼接圖像的灰度值，用一定的數學方法，如最小二乘法等，來計算圖像重疊部分的灰度值的差異，通過比較差異的大小來判斷待拼接部分的相似性。其優點是易獲得需要的信息、實現簡單；但其計算量偏大、獲取結果較慢、精讀低，且待拼接的兩幅圖像的亮度和對比度也不能相差太大。

1.3.2 基于特征的匹配

根據圖像的特征值進行圖像匹配的方法。從圖像中提取圖像的特征，如點、線、紋理、邊緣等，并找出特征之間的關系進行匹配。這種方法極大地減少了計算量，提高了匹配精度，但其過程較為復雜。

1.4 圖像融合

由于獲取圖像時拍攝角度不同，光照條件也可能不同，因此為了避免拼接后的圖像在拼接處出現不同的亮度，需要進行圖像融合以消除拼接的痕跡（如圖1所示）。圖像融合主要是對圖像像素的亮度值進行處理，可以對局部進行亮度調整的融合，也可以對整體進行亮度調整的融合，如灰度域算法、最佳縫合線方法和梯度域方法。

2 全景瀏覽

根據全景圖像的二維圖片創建360°全景圖像，即在場景中創建一個三維對象，然后將二維圖片貼在三維對象的表面，將視角中心放在三維對象的中心位置，在瀏覽時只需轉動三維對象即可達到全景瀏覽的效果。在創建三維對象時，不同的投影方式創建的三維對象不同，球形投影對應的三維對象是球形，柱形投影對應的三維對象是柱形，立方體投影方式對應的三維對象是立方體。在轉動三維對象時，需要實時獲取轉動的角度和觀察坐標，以計算可見部分和隱藏部分。

生成全景圖像后需要選擇合適的全景播放器來瀏覽全景，并將其嵌入到網頁中，以達到Web頁面瀏覽全景的目的。目前常用的全景播放技術有Java Applet[7]、QTVR、Adobe Flash Player、HTML5[8]。

Java Applet是用Java語言編寫的小應用程序，可以直接嵌入網頁中，是常用的顯示插件。當其運用在全景播放的時候具有文件小、下載速度快的優點，但是也有幅面小，圖像質量差，動態顯示不連續等的缺點。

QTVR是Quick Time Virtual Reality的簡稱，是美國蘋果公司對Quick Time技術的擴展。它是新一代的、基于靜態圖像處理的初級虛擬現實技術。它的優點是圖像幅面大、質量好，缺點是視像范圍小，不能實現全屏播放，較高的版本需要付費注冊。

Adobe Flash Player的功能強大，并且免費，可以完美的結合上述兩種技術的優點，具有圖像幅面大、質量好，并且免費，還沒有圖像動態不連續的缺點。但是它需要安裝，對于不同瀏覽器的兼容性不好，并且Flash近年來已經有了被HTML5所取代的趨勢，正漸漸走向消亡。

HTML5在2014年由萬維網宣布制定完成，并在幾年的發展時間幾乎完全代替了Flash的地位。相比Flash，HTML5具有更好的兼容性不需要依賴其他插件，并且它的使用更加靈活。HTML5在三維圖形方面提供了基于SVG、Canvas、WebGL和CSS3的3D功能，能呈現更加真實的視覺效果（如圖2所示）。有時，在生成全景后，可能需要給全景中的某個地點或某個景物增加介紹性文字、圖片、視頻、音頻等，還可以使用HTML為全景增加圖層，以顯示這些內容。

3 小結與討論

經過上面的討論，可以知道，360°全景和二維圖片、三維建模等表現形式相比，有以下幾點優勢：

（1）有更好的真實感和沉浸感，更能給觀賞者帶來身臨其境的感覺。

（2）相比傳統二維圖像，融入了空間信息，因而能夠表達更多的訊息。

（3）交互性能好，能隨意旋轉查看。

（4）制作成本低，制作周期短。

（5）文件內存小、發布格式多，傳輸方便，能隨時隨地拷貝或傳輸，便于網絡傳播。

因此，360°全景在真實、全面、直觀、便捷表現某一場景時非常適用。目前，在酒店行業、旅游行業、科普領域和房地產行業等都能看到360°全景影像的應用，將來也必然會用于更多領域。

參考文獻：

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[3]鐘力，張茂軍，孫立峰，等.360度柱面全景圖象生成算法及其實現[J].小型微型計算機系統，1999（12）：899-903.

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[5]Brown， M.， Lowe， D. Automatic Panoramic Image Stitching using Invariant Features[J]. International Journal of Computer Vision， 2007，74（1）：59-73.

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[8]Gesquière， G.， Manin， A. 3D visualization of urban data based on CityGML with WebGL [J]. International Journal of 3-D Information Modeling （IJ3DIM）， 2016，1（3）：1-15.