基于三維GIS 的實景VR 漫游場景生產制作技術研究

胡永進，楊小花，魯禺州

（江蘇農林職業技術學院，句容 212400）

1 引言

VR 攝影技術又名全景攝影，是指通過對環境、場景或具體靜物進行720°的實地或實物拍攝，將圖片拼接為720度全景圖，并利用虛擬漫游軟件將場景或物體各個角度的二維圖片模擬成具有一定交互功能的、具有三維效果的展示空間[1]。當前的實景VR 場景，包括實景拍攝的全景照片及全景視頻，通常采用空中無人機、地面騎行/車行等攝影平臺搭載Gopro 等3D 攝像機進行全方位720度拍攝視頻/照片。用戶在觀看視頻/照片的時候，可以隨意調節視頻上下左右進行觀看，從而達到沉浸式體驗效果，廣泛應用于旅游景點拍攝、醫療上的觀察、或者娛樂性用途。但一般VR 漫游場景制作為事先規劃，由無人機搭載全景相機進行視頻拍攝，該技術受拍攝當天的場地、地形、空域、天氣等影響，無法保障視頻/照片拍攝質量；而且拍攝路線固定，表現場景單一，且后期視頻/照片制作再創造性不強。

本研究提出了基于三維GIS 系統的實景VR 漫游場景的制作方法和工藝流程，利用GIS 三維平臺展示手段，通過將DOM 影像和DEM 高程相配準、疊合，在平臺中進行切片、渲染，隨著用戶操作實時調入影像和地形將渲染后的三維地形展示出來，可解決任意時刻、任意視角、任意手段路線的實景VR場景制作問題，降低了實景VR 場景的制作門檻，為實景VR 漫游場景制作提供新的技術方法。

2 試驗區概況及方案選擇

2.1 試驗區概況

試驗區為某河流流域兩岸，面積約20平方公里，成果包括1：2000比例尺的地形數字高程模型（DEM）和數字正射影像（DOM），詳見圖1。要求采用區別于傳統的三維GIS 展示技術，實現720度VR 虛擬漫游效果。

圖1 試驗區高精度數據成果

2.2 方案選擇

在三維地形表達中，如采用GIS 三維平臺僅僅是將影像和地形疊合，形成地形三維。漫游展示效果為導演視角前進式看到的局部場景，不如720度全景沉浸感強。具體GIS 三維效果詳見圖2。

如對測區重新進行全景視頻航拍，通常采用空中無人機、或地面騎行等攝影平臺進行全方位720度進行全景視頻拍攝，但該方法實施難度大且無人機的行進路線固定，最終展示效果呆板。該方法適用于測區、地形、天氣情況良好，可進行固定展示路線航拍。

圖2 測區三維地形展示

圖3 全景拍攝示意

經試驗測試，本研究結合了大范圍、高精度的DOM、DEM地理信息數據，以及VR 展示效果的技術要求，采用了一種全新的基于三維GIS 的實景VR 漫游技術方法，得到了大范圍的實景VR 漫游場景。

3 技術流程以及關鍵技術方法

3.1 總體生產技術流程

圖4 總體技術流程圖

利用現有的高精度DEM 和高清晰的DOM 影像，在三維地理信息平臺中構建地形三維場景，并以此為基礎，在空間三維中選取全景瀏覽視角點，形成全景漫游瀏覽路線。依次獲取每個視角點的720度全景場景圖片，按照一定幀速度形成720度全景視頻，并通過后期音效、特效制作等，形成具有一定創意效果的全景漫游視頻，從而達到用戶沉浸式體驗。總體生產制作技術流程見圖4：

3.2 關鍵技術與方法

在三維GIS 的實景VR 漫游場景生產制作過程中，主要環節包括數據源的獲取、漫游路線構建、全景場景制作、視頻后期編輯處理等。

（1）三維GIS 場景的數據源保證

三維地理信息數據可以通過遙感衛星、中高空大飛機、低空無人機等多種遙感平臺獲取，對于大范圍的場景制作宜采用高分辨率的衛星或航空遙感影像數據；對于小范圍的實景漫游展示，建議采用無人機航拍數據。因在后期全景圖片、視頻處理過程中，需做一系列的圖像處理工作，影像質量有所降低，為確保后期VR 漫游效果，建議原始地面分辨率不低于0.2米。

通過后期數據處理，形成高精度地形DEM 和正射影像DOM數據。通過坐標轉換技術，將已有成果數據與三維GIS 平臺進行配準統一。通過導入疊加高精度的DEM 和DOM 數據，構建精細三維地形模型。

（2）漫游路線構建

三維GIS 平臺已具備三維空間坐標，在三維空間中可任意選取漫游視角點位。在實際漫游視角點選取過程中，需考慮最終漫游路線的連貫性、轉換角度的舒適性、重點待展示地形地貌的獨特性等因素，根據漫游腳本分別選擇添加多個全景VR 漫游視角點位，構建全景漫游瀏覽路線。

通過路線預覽查看，檢查漫游路線的合理性。根據要求對路線上的每個視角點進行編輯，調整每個視角點的三維坐標、播放時間等，直到預覽效果滿足要求。

（3）720度全景漫游場景制作

全景視頻的漫游體驗效果好壞取決于每一幀全景圖片質量，以及整體播放速度。為確保在合適的數據量前提下，選擇合理的幀速率，才能確保最終播放效果的流暢度。

根據本文試驗，選擇按照不低于30幀/秒的VR 視頻播放速度生成幀序列的實景720度場景圖片。每個場景通過在三維平臺中進行前/后/左/右/上/下六個方位依次截取場景，通過各場景的重疊區拼接形成每個視角點的720度全景圖片。

檢查生成的大量全景圖片是否按幀序列命名、場景畫面色彩、清晰度等質量是否符合要求，并進行局部圖像編輯，如去除雜物、顏色調整等。

（4）視頻后期編輯處理

在視頻編輯軟件中如常用的Adobe Premiere 軟件，批量導入編輯后的幀序列全景圖片，輸出選擇與播放硬件（如HTC、大鵬等品牌的VR 眼鏡）相匹配的格式、分辨率等參數設置，生成實景VR 漫游視頻。

根據項目需求，可在視頻編輯軟件中添加文字、配音、配樂，調整播放速度等剪輯工作，形成成片。經VR播放設備調試合格后，最終進行全景漫游產品發布。

圖5 地形三維全景輸出

4 結束語

本研究面向大場景的實景VR 漫游需求，結合項目實踐探討了高精度地理信息數據成果在實景VR 漫游中的具體應用點，提出了基于三維GIS 的實景VR 漫游視頻制作方法，并結合試驗區項目實踐、效果比對，總結提出了生產制作工藝流程和技術方法，解決了任意時刻、任意視角、任意路線的實景VR 場景制作問題，降低了實景VR 場景的制作門檻。經實踐證明該技術方法效率高、成本低、風險系數小，可在旅游、地理教學等行業中進行實踐應用。