基于720°全景虛擬漫游下的校園場景設(shè)計與實現(xiàn)

王藝霖 ，俞曉宇

(1皖江工學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；2皖江工學(xué)院 水利工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

伴隨著近年來VR技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)三維虛擬的效果能夠營造出更好的視覺體驗，720°全景的概念被提出和廣泛應(yīng)用。所謂720°全景，是一類視覺體驗的水平視角達到360°，垂直視角達到180°，整體視覺體驗上沒有視角盲點的球面全景模型，這一概念的提出是為了區(qū)別常說垂直視角不足360°的180°全景，如手機自帶相機中的全景模式，是通過保持在同一水平高度進行拍攝進行的相片合成處理。720°全景技術(shù)最早被應(yīng)用于電子地圖的街景呈現(xiàn)，也被稱為VR地圖，即在傳統(tǒng)地圖呈現(xiàn)的基礎(chǔ)上增加了虛擬現(xiàn)實感[1]。

本研究以皖江工學(xué)院為研究對象，設(shè)計一套虛擬校園全景漫游系統(tǒng)，通過對校內(nèi)景觀的數(shù)據(jù)化處理與真實感渲染，實現(xiàn)對校內(nèi)環(huán)境的線上觀察與交互。虛擬校園全景漫游系統(tǒng)對教師、學(xué)生的一般事務(wù)處理，校園的推廣介紹等項目具有較大的幫助。用戶借助互聯(lián)網(wǎng)可以身臨其境地欣賞學(xué)校的全景，并且能夠進行交互。

1 720°全景技術(shù)在校園漫游系統(tǒng)中的應(yīng)用

5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣給數(shù)字經(jīng)濟帶來更多可能，而我國高等教育的普及和建設(shè)，讓高校校園有更多的機會展現(xiàn)在外界面前。通過虛擬校園的瀏覽形式，可以在外網(wǎng)查看到校園的景色，幫助學(xué)校樹立良好的形象并對外宣傳校園文化。校園虛擬漫游系統(tǒng)通過兩種方式生成：一是通過 CAD 軟件導(dǎo)入校園的平面圖，再通過3Dsmax建模的方式進行渲染，即利用計算機軟件來生成的虛擬校園的3D展示圖。二是以全景圖像采集方式得到的校園實景720°全景圖，再經(jīng)過后期加工得到更為真實的全景虛擬校園，供大家點擊和瀏覽。然而3D建模存在著成本高、技術(shù)手段相對復(fù)雜等缺點。而全景攝影因為其成本低、生產(chǎn)過程相對簡單，從而成為性價比更高的實用性技術(shù)受到廣泛應(yīng)用。隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷發(fā)展，全景攝影呈現(xiàn)真實場景的效果將會越來越好。

2 校園虛擬全景設(shè)計流程

本研究以皖江工學(xué)院為研究對象，提出720°全景技術(shù)下的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計方案。

2.1 全景圖像的采集和拼接制作

先用相機環(huán)360°記錄幾組照片，將其拼接成全景圖像。用戶直接使用手機調(diào)整觀察的方向，實現(xiàn)全方位的現(xiàn)實場景還原，并在此基礎(chǔ)上進行一定的交互，利用虛擬校園漫游系統(tǒng)全景瀏覽校園。拍攝過程中選擇采用相機+魚眼鏡頭+平移傾斜的拍攝系統(tǒng)，盡可能實現(xiàn)360°全景。在漫游系統(tǒng)后期的制作過程中，少量加工即可呈現(xiàn)更真實的漫游效果[3]。

圖書館是皖江工學(xué)院的標志性建筑之一，其整體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)色為優(yōu)雅的淺灰色，搭配以澄澈的藍色。以直線型階梯來取義“書山有路”，外立面簡約雅致、和諧自然。圖1為皖江工學(xué)院圖書館的圖像采集和拼接圖片，圖像中可見前景草坪，圖2是圖書館從正面直接拍攝的圖像。

圖1 皖江工學(xué)院圖書館的圖像采集和拼接

圖2 皖江工學(xué)院圖書館的正面圖像

圖像拼接和縫合主要是將360°的各個圖片按照相機位進行拼接，拼接后，圖片拼接邊緣進行一定的加工，從而使得圖片的拼接沒有瑕疵[4]。具體制作過程如下：

⑴導(dǎo)入素材。打開PTGui，將原始材料添加到軟件中。選擇特定相機/鏡頭參數(shù)，對齊圖像，軟件將自動識別對齊全景。該軟件的識別水平有限，只能拼接六個水平地圖，因此地面圖像需要手動添加。

⑵添加控制點。在每兩個圖像之間添加至少3個控制點。反復(fù)增添直到地圖和水平圖都存在鏈接。控件完成后，選擇Optimizer選項并檢查兩個地圖的視點以在運行優(yōu)化程序之前更正視點。

⑶反復(fù)修改。繼續(xù)增加控制點，重復(fù)上述操作直至完成拼接，也可以對圖像進行后期的加工處理。

⑷導(dǎo)出全景圖片。設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，導(dǎo)出全景圖，投影到模型內(nèi)表面進行展覽。

2.2 空中全景照片的制作方法

空中全景照片通過無人機多角度進行航拍，拍攝出的全景照片用PTGui縫合到全景圖像中[5]。

⑴無人機保持一定高度。一般是50米到100米之間，這個高度不容易受到阻擋，可以更全面完整地呈現(xiàn)所要的場景。

⑵將無人機的萬向節(jié)視角設(shè)置為水平。為方便拼接，需要控制水平旋轉(zhuǎn)操縱桿旋轉(zhuǎn)360°。每45度拍一張照片，確保每張照片有20%的重合。

⑶將UAV平移/傾斜角度向下調(diào)整為45°，用上述方式拍攝至少8張照片，保持與水平方向夾角對齊。

⑷將遙感拍攝/傾斜調(diào)整到90°。基準面垂直地面，形成基準面成像。

⑸在全景化軟件PTGui中引入至少17幅相同場景的圖像，且全景圖像可以在其他處理類別中連接。

⑹進行圖像拼接后，仍有元素尚未捕捉到，原因是無人機視角有盲區(qū)，造成天空的呈現(xiàn)殘缺。此時為保證環(huán)境要素的充分呈現(xiàn)，需要后期修圖進行加工處理。

2.3 系統(tǒng)的構(gòu)建框架

為了創(chuàng)建虛擬校園全景漫游系統(tǒng)，使用PanoO2VR，創(chuàng)建單個場景的漫游，并“修補”每個場景。通過創(chuàng)建的皮膚，用創(chuàng)建“熱點”的方法來加載所有漫游在一起的單個場景。在后期處理中，附加注釋、地圖、背景音樂等元素，將這些要素作為虛擬校園全景漫游系統(tǒng)的重要載體[6]。

創(chuàng)建“皮膚”之前，要創(chuàng)建所有單個場景并連接原始“熱點”，在Pano2vr的皮膚編輯器中制作“Skin”。通過增加功能圖標，更好地滿足用戶對使用體驗的需求，從而彰顯實用性與個性化。整個設(shè)計過程，用戶可以個人設(shè)計，使用自帶模板，也可以從外部下載并導(dǎo)入。

2.4 全景系統(tǒng)選擇與應(yīng)用

只要將處理好的全景圖片提交，對各場景進行拼接等一系列操作，用戶可以成功創(chuàng)建漫游系統(tǒng)。720云是國內(nèi)具有大量用戶的全景互動平臺。其憑借管理過程簡單，所需投入成本不高等特點受到大眾青睞。全景漫游系統(tǒng)可以將多個全景場景與圖片、視頻、音頻或文本描述連接起來。借助720云大數(shù)據(jù)云服務(wù)，創(chuàng)建的全景圖被上傳到云端甚至世界各地。全景漫游提供的虛擬現(xiàn)實漫游，用戶足不出戶即可欣賞各個景點，或者觀察建筑外觀與周邊環(huán)境[7]。表1從表現(xiàn)效果、成本投入、互動性、制作周期、信息量這幾個維度，對比全景系統(tǒng)與傳統(tǒng)的圖片、視頻、3D動畫之間的表現(xiàn)方式差異。

表1 全景系統(tǒng)與傳統(tǒng)表現(xiàn)方式對比

2.5 全景系統(tǒng)的交互體驗

全景漫游制作主要是鏈接每個場景,組成一個實景地圖。制作每個場景的鏈接后，設(shè)定初始視角。添加熱點到全景開關(guān)中，可以鏈接每個場景，并進行動畫模式和鏈接圖標的選擇。場景鏈接成功即可發(fā)布。切換效果時，通過熱點之間的轉(zhuǎn)換，從而使用戶實現(xiàn)場景之間的轉(zhuǎn)換。為了保證順利自由切換，要注意所有的熱點都是可退出可到達的，在測試環(huán)節(jié)檢查并修復(fù)漏洞[8]。每個熱點的功能設(shè)置完畢后，預(yù)覽全景效果，測試交互效果并進行問題的分析與修復(fù)。還可以插入MP3格式的音頻，作為場景或全景的背景音樂。全景圖上傳后可以在線發(fā)表，或發(fā)表到社交軟件，使作品獲得更大的曝光度。

2.6 校園全景漫游系統(tǒng)的整體發(fā)布

本文討論的720°全景漫游模式，用于皖江工學(xué)院全景漫游系統(tǒng)。對校內(nèi)基本景觀及周邊環(huán)境合成三維虛擬全景，提供單個場景的交互式漫游。手動控制漫游可以任意改變視角與場景，點擊下面的場景縮略圖，查看三維虛擬全景[9]。將屏幕上下左右移動可以查看魚眼相機圖片生成的當(dāng)前位置校園的球面全景(圖3)。通過移動下面的每一個區(qū)塊能夠快速定位到皖江工學(xué)院校園的每一處，圖4為全景視野下的皖江工學(xué)院校園。

在全景校園漫游系統(tǒng)的實踐中，后期的優(yōu)化可以圍繞許多方面展開。例如，在全景漫游的基礎(chǔ)上加入校內(nèi)導(dǎo)航指引功能，包括對食堂每個攤位的定位及對圖書館每個功能分區(qū)甚至?xí)亩ㄎ唬瑥亩褂脩粼谌奥沃校梢跃珳实剡x擇與到達自己的目的地。該系統(tǒng)除了為本校同學(xué)提供便利，也利于校外人士在使用中快速提升與本校的親切感，增強學(xué)校對外展示能力。

圖3 未展開的皖江工學(xué)院全景漫游系統(tǒng)球面全景

圖4 全景視野下的皖江工學(xué)院校園

在招生宣傳方面，基于網(wǎng)絡(luò)的全景校園漫游系統(tǒng)也具有其他傳統(tǒng)方式所不具有的宣傳效果。在校園的硬件設(shè)施布置、設(shè)計與規(guī)劃方面，在全景校園漫游系統(tǒng)的加持下一切將變得更加高效且容易。手機端在使用該系統(tǒng)時，通過感應(yīng)重力的方向調(diào)整呈現(xiàn)的角度，可以帶給用戶完美的體驗。另外，校內(nèi)可以專門組建學(xué)生團隊負責(zé)系統(tǒng)的優(yōu)化與更新，例如內(nèi)容可以不斷更新，做到高度實時化，尤其是在學(xué)校舉辦大型慶典或者學(xué)生社團舉辦活動時，將相關(guān)內(nèi)容糅合進全景虛擬系統(tǒng)，進行一個更加富有特色的宣傳。

2.7 校園全景漫游系統(tǒng)界面藝術(shù)優(yōu)化設(shè)計

為了追求更強的真實感、互動感及美感，需要對校園全景漫游系統(tǒng)界面進行改進。校園全景漫游系統(tǒng)界面首先應(yīng)當(dāng)與學(xué)校的學(xué)風(fēng)校風(fēng)相符，具備學(xué)校的獨特風(fēng)格。借助學(xué)校VI視覺體系，做到界面風(fēng)格與辦學(xué)特色融合，這樣一來，用戶可以在使用時體會到校園的辦學(xué)理念與人文精神[10]。其次，可以適當(dāng)添加背景音樂與動態(tài)圖片，給用戶帶來滿意的視聽效果，使其點擊全景圖時的動態(tài)觀景效果更加真實，達到更好的宣傳推廣效果。此外，后期的優(yōu)化設(shè)想中加入紅包雨，讓人們點擊進入的時候界面不定時的發(fā)放紅包雨，增強互動性的同時又可以在朋友圈里推送，起到宣傳學(xué)校的作用。

3 結(jié)語

相比3D建模，全景攝影具有成本低、生產(chǎn)過程相對簡單等特點，使其成為一種更加實用的技術(shù)而被廣泛使用。而全景攝影及校園漫游的方式正迎合了當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)時代的數(shù)字化大潮。如今，智慧城市、數(shù)據(jù)化時代等概念不斷成為人們關(guān)注的熱點，而虛擬實景校園更是將VR與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來的一種巧妙運用。同時，它也將成為各個城市打造智慧城市、未來城市的重要環(huán)節(jié)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，全景攝影仍是真實場景的高效顯示方式。該系統(tǒng)將校園風(fēng)景進行數(shù)字化處理從而逼真繪制，使瀏覽者實時體驗校園三維漫游。今后學(xué)校對外的展示、推廣與宣傳除了圖文等傳統(tǒng)方式，更有了虛擬校園等形式的新型宣傳方式，展現(xiàn)學(xué)校情況能夠更加立體、直觀、可感。這種互動的方式讓學(xué)校的宣傳方式更加的廣闊，讓更多的人了解并參與其中。