基于Krpano的現代農業園區VR全景漫游系統的設計與實現

柯佳宏李勇

(1.四川省地質礦產勘查開發局區域地質調查隊，四川 成都 610213；2.四川省計算機研究院，四川 成都 610041)

引言

2022年初，國務院印發《“十四五”推進農業農村現代化規劃》，提出推進鄉村產業園區化融合化發展，支持有條件的縣(市、區)建設現代農業產業園。現代農業產業園，是打造現代農業示范的載體、現代農業技術裝備集成的載體、新主體“雙創”的載體、優勢特色農業發展的載體、農村一二三產業融合的載體。現代農業園區作為資本、科技、人才等要素的集聚區，對全面推進鄉村振興戰略，實現農業農村現代化有著重要意義。近年來，隨著計算機技術和虛擬現實技術的發展，VR全景技術廣泛應用于智慧旅游、智慧校園、數字博物館等領域[1]。VR全景技術以其強烈的沉浸感和交互性，給用戶身臨其境的視覺體驗展現目標對象環境。隨著國家大力發展現代農業園區建設，園區已有田園風光景色、農產品生長環境、人居環境等迫切需要一個輕量級方便的系統向大眾推廣和展示。

以成都崇州市現代農業產業園為研究區域，利用無人機航拍獲取園區空中VR全景圖，利用單反相機和全景云臺獲取園區農產品商店室內VR全景圖，并收集整理園區特色農產品溯源資料數據，基于Krpano平臺和HTML5技術，接入園區線上商城系統，開發現代農業園區VR全景漫游系統。系統實現了園區農業景觀VR全景漫游、在線農產品銷售以及在線農產品溯源一體化等功能。本系統將VR全景技術、電商和農產品溯源進行有效結合的模式，打造現代農業園區展示新平臺，對促進農業信息化發展、農業旅游、農民增收具有非常重大的意義。

1 系統需求分析

1.1 數據需求

系統數據需求主要有以下幾點：現代農業產業園區農業景觀VR全景數據；現代農業產業園區農特產品展覽銷售館室內VR全景數據；現代農業產業園區特色農產品溯源數據和電子商城鏈接數據。

1.2 功能需求

結合系統的開發背景以及用戶需求，功能需求主要有以下幾點：農業景觀的720°全景VR瀏覽，支持VR設備為用戶提供逼真的景觀瀏覽體驗；農產品VR全景展廳功能，將傳統的農特館展廳以720°全景的方式為用戶帶來不一樣的購買體驗；農產品在線銷售功能，用戶在瀏覽農產品VR全景的時候可以直接購買該產品；農產品在線溯源功能，為用戶提供農產品的施肥、用藥、氣候、土壤等信息指標展示；支持PC端、移動端瀏覽器播放，并且針對不同端有不同優化，只需要瀏覽器訪問網頁便可以加載訪問系統；支持視頻插入到全景，實現園區宣傳片播放展示。

2 VR全景圖制作

2.1 現代農業產業園區農業景觀VR全景數據

農業景觀VR全景數據的制作主要步驟[2]：根據園區景觀的分布確定好航拍的點位，將無人機在點位一定高度懸停，把無人機相機調整到水平視角開始拍攝，朝1個方向橫向旋轉水平拍攝，拍攝1圈8張圖片，每張照片20%左右的重合度；水平方向拍攝1圈以后，把相機鏡頭向下45°，然后再拍攝1圈，拍攝要求和水平方向一樣；在垂直地面拍攝1張地面照片即可；拍攝完成以后，使用PTGui軟件拼接制作2∶1比例的平面全景圖(.JPG)，最后將全景圖導入Photoshop中進行調色和補天(補地)等處理，獲得園區農業景觀VR全景數據。

2.2 現代農業產業園區農特館室內VR全景數據

室內VR全景數據采用單反相機、廣角鏡頭、三腳架和全景云臺設備采集，主要步驟[3]：將鏡頭對焦模式調整為手動對焦，將對焦環調整至無限遠，以保證拍攝的全景圖像遠處畫面也能清晰呈現，在焦段設置中需要注意的是全畫幅相機鏡頭為8mm，半畫幅相機為12mm，在拍攝過程中不要調整焦距，以免拍攝出的圖片因鏡頭節點發生變化而導致圖片無法拼合，為保證相機成像的質量，根據環境調整相機的感光度、曝光補償、焦段、光圈值；架設相機三腳架，安裝云臺和相機，確保相機水平方向與地面平行；調整相機角度，根據云臺指針上方刻度分別調整水平、上斜、下斜方向，并確保對焦清晰后，依3個方向繞云臺下方刻度0°、60°、120°、180°、240°、300°各拍攝1張，共計水平6張為1組，上斜6張為1組，下斜6張為1組，總計水平、上斜、下斜共18張，最后調整云臺上方刻度垂直向上90°，分別垂直向上和向下拍攝1張；拍攝完成以后，使用PTGui和Photoshop制作獲得農特館室內VR全景數據。

3 系統設計

3.1 系統架構設計

系統基于Krpano開發實現VR全景漫游展示，基于百度地圖API服務實現VR全景的位置定位。系統采用B/S模式架構設計，邏輯結構分別為數據層、服務層和應用層3層結構。數據層主要是制作完成的全景圖數據和農產品溯源數據等。服務層使用百度地圖API for JavaScript等地圖功能，可將百度地圖(街道圖和衛星影像圖)嵌入到用戶端，供Krpano應用程序調用。應用層主要是基于Krpano框架二次開發[4]，通過對Krpano框架內部XML數據的解析和重構，開發實現了全景定位、全景控制、全景交互、全景漫游、農產品溯源等功能。系統整體架構設計如圖1所示。

圖1 系統架構圖

3.2 系統功能設計

根據系統功能需求分析情況，設計系統功能模塊主要全景漫游、農產品溯源展示、全景地圖定位、全景查詢等。本系統功能模塊設計如圖2所示。

圖2 系統功能設計圖

3.3 開發環境

系統開發工具WebStorm，WebStorm是Jetbrains公司旗下1款JavaScript開發工具。被廣大JS開發者譽為“Web前端開發神器”、“最強大的HTML5編輯器”、“最智能的JavaScript IDE”等。與IntelliJ IDEA同源，繼承了IntelliJ IDEA強大的JS部分的功能。

系統開發語言HTML5[5]，是互聯網的新1代標準，是構建以及呈現互聯網內容的1種語言方式。廣義論及HTML5時，指的是包括HTML、CSS和JavaScript在內的1套技術組合。HTML5能夠減少瀏覽器對于需要插件的豐富性網絡應用服務，如Adobe Flash、Microsoft Silverlight與Oracle JavaFX的需求，并且能提供更多可以有效增強網絡應用的標準集。

開發平臺Krpano[6]，Krpano是1種基于體積小巧、靈活且以高性能著稱的三維全景播放器，其可以作為Flash和HTML5應用程序。Krpano也是1款強大的全景圖制作工具，從全景圖的合成、切片到全景漫游的生成一應俱全。Krpano還為開發者提供了1個簡單輕便的接口用于開發第3方插件，其中的HTML5JavaScript插件可實現Krpano與HTML5的完全結合，使用純代碼來擴展或控制krpano。

4 系統實現

本系統基于Krpano和HTML5開發實現了全景漫游、農產品溯源展示、全景地圖定位、全景查詢等功能。

4.1 全景漫游

在瀏覽器地址類輸入本系統訪問地址，即可進入使用本系統。

4.1.1 小行星開場

進入成功后，可以看到以下景觀球體旋轉的動畫，該初始動畫會按照設備性能以及用戶網絡速度持續數秒，設備性能越好網絡速度越快持續時間越短，如圖3所示。

圖3 小行星開場界面

4.1.2 全景漫游主界面

主界面窗口為VR全景圖片展示畫面，界面下部為導航欄，右側是地圖工具，右上角是工具欄，右下為溯源功能圖標。導航欄控制著系統的瀏覽路徑，可以自由選擇想要瀏覽的全景場景，以及查詢每個點相關的信息。地圖工具負責顯示當前瀏覽點的地理位置，方便用戶獲取該點詳細的地理信息。工具欄為用戶提供系統相關設置以及附屬功能，如圖4所示。

圖4 全景漫游界面

4.1.3 全景瀏覽功能

全景瀏覽是本系統最為主要的功能，能給用戶帶來仿真的景觀瀏覽體驗以及對感興趣的對象進行查詢。全景圖中有一些地名以及抖動的圖，實現不同全景瀏覽點位切換，用戶可以通過點擊這些圖標前往下1個全景觀測點。直升機圖標表示天空中的觀測點，向前箭頭的圖標表示沿道路的觀測點，向下的箭頭表示進入建筑物內或者附近地面的觀測點。每個界面都是通過觀測點相互鏈接，通過旋轉畫面均能找到。將鼠標懸停于圖標上，在圖標的上方會出現彈窗。該彈窗是該圖標所代表的觀測點的動態預覽界面，可以通過彈窗初步預覽該觀測點大致內容，如圖5所示。

圖5 下一場景預覽

4.1.4 導航功能

導航功能主要是通過導航欄操作的，主要由前進、后退、自由選擇、信息查詢工具組成。右箭頭按鈕為前進按鈕，鼠標點擊或者在觸摸屏幕上輕觸按鈕，界面便可以進入下1個預設的觀測點。左箭頭按鈕為后退按鈕，鼠標點擊或者在觸摸屏幕上輕觸按鈕，界面便可以退回到上1個預設的觀測點。導航欄中部為觀測點自由選擇按鈕，鼠標左鍵點擊或者在觸摸屏幕上輕觸按鈕，將會彈出觀測點列表窗口。

在觀測點列表窗口中陳列整個系統中的全景觀測點，用戶可以不按預設自由選擇需要進行瀏覽的觀測點。值得注意的是，該列表的順序同時也是預設的瀏覽路徑。導航欄上方是信息查詢工具，通過點擊鼠標左鍵或者觸摸觸發，信息窗口彈出。

4.2 地圖功能

地圖功能是對全景瀏覽功能的補充和完善，在切換不同觀測點的過程中用戶可以通過地圖功能了解該觀測點的地理空間位置以及其他觀測點的位置關系。地圖的功能主要有地圖基礎操作、地圖點擊查詢、地圖底圖切換功能。

4.2.1 地圖基礎操作

地圖放大，地圖縮小，地圖平移功能。

4.2.2 地圖點擊查詢

地圖點擊查詢切換功能是地圖功能的核心，使用該功能可以在地圖上選擇用戶需要的全景瀏覽觀測的點位，將空間信息和全景聯系在一起，對全景瀏覽起到一定輔助作用。地圖中全景點位通過圖標標注在地圖底圖上，存在的全景瀏覽觀測點位為藍色，當前頁面加載的點位顯示為綠色。用戶通過點擊各點來切換點位，左側全景瀏覽界面便會加載點位，待進度條讀完便可瀏覽，如圖6所示。

圖6 地圖點擊查詢

4.2.3 地圖底圖切換功能

用戶可以通過地圖底圖切換功能來達到使用不同底圖應對不同工作的需求。地圖的底圖切換功能包括2種，矢量化的二維地圖和柵格衛星圖像。用戶可以根據自己的需求進行選擇，如圖7所示。

圖7 衛星地圖加載

4.3 農產品溯源功能

點擊功能圖標，以幻燈片播放的形式展示，溯源信息。農產品在線溯源功能為用戶提供施肥、農藥使用、氣候報告、農產品生長報告等信息，如圖8所示。

圖8 農產品生長溯源

4.4 農產品購買功能

系統提供農產品在線購買功能，并接入傳統商城嵌入到本系統。為用戶提供商品在線購買，點擊圖標即可立即購買以及查看商品詳細圖片，如圖9和圖10所示。

圖9 農產品在線購買

圖10 農產品圖片查看

5 結論

本文通過系統需求調研與分析，采集現代農業園區地面和空中全景原始影像數據并制作全景圖，基于Krpano全景開發框架發布現代農業園區VR全景展示系統實現現代農業園區交互式全景漫游，基于HTML5技術開發實現VR全景地圖查詢、農產品溯源和農產在線購買功能。本系統充分利用VR全景的實景展示技術優勢，接入現代農業園區的農產品溯源和在線商城，大大提升了園區的展示效果，并為園區農產品的銷售提供用戶入口，增強了用戶對園區農產品的生長環境的認識。同時，為現代農業園區的農業旅游推廣也提供新的展示方式，增加園區的推廣渠道，間接提高園區的經濟收入。