全景漫游技術在外場陣地場景展示中的應用

肖 琪，郝耀峰，周立新，肖艷青，陳思兵

(中國人民解放軍63726部隊，寧夏 銀川 750004)

0 引言

隨著虛擬現實、圖像處理以及計算機技術等相關領域的進步，全景漫游技術迅速發展并逐漸在各行業流行。全景漫游技術具有交互性好、沉浸感強、可視化程度高等特點，有效地彌補了傳統展示手段單一、信息含量少、真實感差等缺陷，并滿足了目前虛擬展示領域的基本交互要求，在旅游、校園文化、建筑以及軍事等眾多領域獲得廣泛應用[1-6]。陣地勘測是航天測控領域構建和組成測控網絡“統一戰線”的必要前提，過程中需要觀測及采集大量的陣地信息，勘察結束后，如何將所需信息全面且真實地展示是值得研究的問題。為此，本文將全景漫游技術應用至外場陣地勘測中，提出了一種陣地信息展示的新方法，既逼真地演示了陣地的三維場景，又具體地呈現了陣地的必要信息，達到了“不在陣地卻身臨其境，不知陣地卻一目了然”的效果。

1 全景漫游相關技術簡介

1.1 全景圖拼接技術

全景是指通過寬幅或全景攝影設備，均勻旋轉360°或一次拍攝合成獲得的一組符合人眼正常有效視角乃至540°完整場景范圍的照片[7]。全景圖像的拼接是對拍攝得到的部分重疊的圖像樣本生成全方位圖像的處理方法。全景圖像拼接主要包含圖像配準和圖像合成2個過程。圖像配準是指通過對一組圖像進行特征搜尋和特征匹配等處理找出待拼接圖像重疊區域的過程；圖像融合則是對圖像進行空間疊加(卷積處理)達到增加信息量、消除拼接痕跡的過程。除此之外圖像拼接還涉及亮度補償、全景投影變換等過程。與普通圖像相比，拼接后的全景圖像具有視角范圍大、立體感強、信息含量多等優點[8]。全景圖像拼接的基本流程如圖1所示。

圖1 全景圖像拼接基本流程Fig.1 Basic process of panoramic image mosaic

1.2 場景漫游技術

場景漫游是通過計算機技術生成具有文字、圖像和視頻等動靜態功能結合的三維虛擬圖像環境，瀏覽者可在全視角圖像環境里進行場景切換，模擬觀察不同的場景，并獲取相關信息，達到“身臨其境”的效果[9]。

目前，實現該技術的途徑有2種[10]：一是基于三維建模的方式，先利用復雜的數學計算建立三維場景模型，然后通過紋理或者渲染的方式來增加環境的真實性；二是基于圖像繪制的方法，用經過特定投影方式的全景圖像構建虛擬場景環境，通過在實景中添加箭頭等跳轉指示標識實現場景之間的漫游。

由于圖像繪制方法不需要構建場景模型，工作量小，占用資源少，直接利用真實場景圖像構建漫游，易于實現。本文就是采用第2種方法來實現場景漫游。

1.3 HTML技術

Hyper Text Mark-up Language(HTML)是一種表示頁面內容及樣式的語言，是設計web頁面的基礎[11]。全景漫游制作完成后通過軟件轉換輸出成HTML格式的網頁，用戶可通過手機、電腦等設備隨時隨地觀看漫游圖像。

2 全景漫游設計及實現方法

2.1 陣地全景漫游的功能需求

全景漫游在設計實現過程中需滿足用戶的三維視覺體驗需求，保證呈現效果的完整性與真實性，要具備場景的放大縮小、多樣化的信息展示和導航等基本人機交互功能，為用戶提供便捷操作體驗。通過陣地三維全景漫游與傳統的文字、圖片和視頻等信息的融合，使陣地場景展示更加直觀與真實，在設計制作時主要實現以下具體功能：① 可自定義布局；② 場景切換和跳轉；③ 文字、圖片、聲音等信息展示；④ 場景縮放及旋轉；⑤ 可添加導航或地圖等。

2.2 全景漫游的設計制作工具

圖像素材采集工具：Obsidian S全景相機；

圖像處理軟件：全景云臺/Photoshop CS5；

全景圖拼接軟件：Kandao Studio軟件，該軟件為全景相機自帶拼接工具；

漫游制作軟件：Kolor Panotour；

其他輔助工具：電腦、單反相機、智能手機和三腳架等；

需要說明的是，合理地選擇拍攝工具能夠最大限度地發揮各設備的優勢，獲取高質量、全方位的圖像信息[11]。拍攝全景時，選用專用的全景相機既能避免普通單反相機取景復雜且耗時長的缺陷，極大地提升取景效率，又能提高后期圖像的拼接質量，為陣地勘測工作提供便利。

2.3 全景漫游的實現方法與流程

在進行陣地勘察時，為了實現陣地的全景漫游需要做好以下準備工作：實地了解陣地的人文環境信息，根據陣地勘察規范將所需勘測要素考慮周全，參考漫游場景的功能需求并制定詳細的取景計劃，提高勘點效率。陣地全景漫游展示的構建主要從圖像信息采集、圖像處理、全景圖拼接、全景漫游制作與展示4個方面進行。其實現流程及相應途徑如圖2所示。

圖2 全景漫游實現方法與流程Fig.2 Implementation method and flow of panoramic roaming

2.3.1 圖像信息采集

陣地的場景圖像采集主要通過Obsidian全景相機獲取。該相機由均勻分布在360°范圍內的6個魚眼鏡頭組成，每個鏡頭覆蓋185°圖像視角，保證了充分的圖像重疊信息，有利于全景圖拼接效果。相機視角及成像效果如圖3所示。

圖3 相機視角及成像效果Fig.3 Visual angle and imaging effect of panoramic camera

成像效果接近人眼視覺特征，形成水平360°，垂直180°方向的場景圖像。在拍攝前將三腳架調至水平保證相機平穩可靠，對同一場景可拍3～5組圖片，供后期圖像拼接時進行篩選。全景相機一次拍攝生成的6張魚眼圖片如圖4所示。

圖4 全景相機一次拍攝的魚眼圖Fig.4 Fisheye pictures shot by panoramic camera at a time

另外，取景時可用單反相機對場景中的重點環節或要素進行細拍，作為漫游中細節展示的圖片素材，豐富陣地全景漫游信息展示。

2.3.2 圖像處理

圖像處理主要是針對質量較差的場景圖片進行在線或離線的處理方法。離線方法是通過Photoshop軟件對采集的圖像進行包括畸變處理、圖像校正和雜物消除等后期處理，以確保圖像清晰、構圖勻稱，同一場景及同一物體色調柔和相似，提高圖像拼接及場景漫游展示效果；在線方法是利用全景相機的在線云臺進行的實時處理，通過無線WiFi將智能手機與相機相連，實現在全景云臺中全局或單獨控制鏡頭ISO、曝光值等參數，從而獲得清晰和高質量的場景照片，提高圖像處理的效率。

2.3.3 全景圖拼接

全景圖合成在相機自帶拼接軟件Kandao Studio上完成，它能自動識別存儲設備中同一時刻拍攝的6張魚眼圖片，并對圖像進行智能匹配對準，操作簡捷。因全景相機相鄰鏡頭獲取的圖像重疊面積達到50%以上，所以拼接時圖像的特征點匹配和融合更加快速和精準，合成一張全景圖的時間在10 s以內。同時該軟件還具備簡單的圖片優化以及分辨率選擇等功能。

2.3.4 漫游構建及展示

Panotour是一款便捷、易操作且交互性較強的虛擬全景漫游制作軟件。它可以對單一場景或場景集進行漫游構建，創建用戶交互按鈕以及熱點跳轉，將場景的概貌和相關信息直觀地利用文字、圖片等形式呈現。軟件主要由全景圖輸入、漫游編輯、樣式設置以及漫游的構建和輸出4個功能模塊組成，能實現場景跳轉，視角縮放、旋轉，全景導航，文字、圖片和視頻添加，自定義布局和熱點樣式等功能。此外，Panotour還具有線下處理和離線瀏覽的功能，漫游編輯完成后軟件將以HTML網頁形式進行預覽或發布。

2.4 關鍵環節分析

在全景漫游設計與實現過程中經常會出現全景圖扭曲或拼接錯位等問題[1]，這些問題將很大程度地影響后期全景漫游的演示效果。因此不管是在全景圖像拍攝階段，或是在后期圖像處理和篩選過程，都不能忽略任何一個影響圖像質量的環節，這也是全景漫游制作的關鍵點及難點。否則，一旦全景漫游生成后，在任何一張全景圖像上做更改都需要對場景漫游中的熱點跳轉等關聯動作進行重新編輯。

3 外場陣地全景漫游展示

根據上述實現方法和流程，選取新選外場陣地的實地勘測作為全景漫游的展示實例。總體方案為：采用Obsidian S全景相機采集全景圖像信息，全景云臺在線處理圖像，Kandao Studio軟件進行全景圖片合成，全景圖像PS處理，Kolor Panotour 軟件構建全景漫游，網頁瀏覽器(HTML)用于漫游場景的演示。具體步驟如下：

(1) 陣地勘察，圖像信息采集。依據勘點規范要求，在進行陣地實地勘測過程中需采集關鍵信息包括場坪基本情況(避雷接地、遮擋情況)、方位標位置、遠場信標位置和路況等。陣地勘察時規劃的圖像采集點共有5個，包括陣地主場坪、方位標1、方位標2、轉彎路口和遠場信標。按取景計劃依次拍攝這些位置的全景圖以及關鍵位置或要素的細節圖。在采集圖像時，通過手機連接全景相機的方式在云臺中對圖像進行在線處理；另外，為方便陣地場景漫游游覽和提升可視化效果，將陣地及其周邊衛星云圖在本地保存并自定義成導航地圖，如圖5所示，在圖中標記陣地場景位置，再通過添加熱點的方式在導航圖中實現對各個位置全景漫游的自主切換。

圖5 自定義陣地導航圖Fig.5 Image of customized site navigation

(2) 全景圖像的拼接與后期處理。Kandao Studio軟件的拼接功能簡單高效，且能保證素材輸出的質量。在拼接時，將重力校準、消除色差和優化天頂等圖像處理功能勾選上，對合成后的全景圖，可自由選擇輸出圖像的分辨率及格式，分辨率最高可選7 680 pixel×7 680 pixel。拼接后陣地場坪中心處的全景如圖6所示。再利用PS軟件對全景圖中的人物進行消隱處理后即可作為全景漫游編輯的素材，如圖7所示。

圖6 陣地場坪全景Fig.6 Panorama of site field

圖7 人物消隱后的陣地全景Fig.7 Panorama of site field after characters elimination

(3) 全景漫游的設計與制作。Kolor Panotour能夠提供離線且便捷的全景漫游實現途徑，該陣地有5個位置點，漫游熱點及路線相對復雜，在進行漫游編輯前需進行詳細的規劃，并根據勘點規范中的勘測要素對勘察結果進行展示。全景漫游生成后的陣地場坪處小行星效果截圖如圖8所示，小行星效果結束后陣地全景漫游首頁如圖9所示。

圖8 陣地全景漫游小行星效果Fig.8 Planetary effect of panoramic roaming at the site

圖9 陣地全景漫游首頁Fig.9 Home page of panoramic roaming at the site

圖中右下角為自定義導航地圖，單擊地圖中的熱點能夠實現場景跳轉和顯示；漫游右上角文字框內有陣地基本信息介紹，場坪水泥地左側有一處接地地阻的圖片熱點，單擊可實現圖片放大并顯示相應細節信息，如圖10所示。圖片大小可在編輯時自行定義；圖中黃色箭頭代表跳轉熱點，實現向導和漫游切換功能，熱點的跳轉內容可進行自定義設置；通過操作鼠標或左下角的控制按鍵，可實現場景的縮放和旋轉；在圖中正下方設有預覽陣地所有場景的縮略圖。當點擊左上方箭頭時，漫游場景從當前場坪位置跳轉至方位標2位置，如圖11所示。

圖10 場坪接地地阻細節Fig.10 Detail image of grounding resistance at the site field

圖11 方位標2處全景漫游Fig.11 Panoramic roaming of azimuth point 2

(4) 全景漫游的輸出與展示。上述全景漫游的輸出與展示均為離線條件下通過本地瀏覽器實現，當需要在其他設備上進行演示時，可將軟件輸出的HTML格式文件進行本地保存，再放到網站服務器上生成地址即可瀏覽。此外，通過iframe框架還能實現全景漫游的網頁嵌入及線上發布。

4 結束語

針對外場陣地場景展示提出了一種基于全景漫游技術的新演示方法并在陣地實地勘測中得到實踐。該方法主要利用全景相機獲取陣地圖片素材，再通過全景拼接及場景漫游制作生成漫游圖，最終在網頁中實現外場陣地的瀏覽與三維展示。形成的“虛擬陣地”提供了外場陣地環境及基本設施最直觀的表現形式，方便了用戶對陣地信息的訪問與了解，使得陣地勘測情況的展示更加數字化、虛擬化及信息化。該方法不僅簡便實用，還具有進一步的推廣或擴展價值，主要有：

① 可把所有陣地的場景漫游制成一個有序集合，然后嵌入到單位網站或以單獨頁面顯示形成外場陣地信息庫。

② 可將該方法應用到測控設備中，制作出設備的全景漫游圖，并融合相關的設備信息，達到信息展示與學習訓練相結合的目的。

③ 可利用web開發技術研制出相應的全景漫游系統實現一鍵式的漫游制作[12-15]。