基于虛擬現實技術的博斯騰湖景區全景漫游系統的設計與實現*

張軍愛，王昭君

（1.伊犁師范大學“一帶一路”發展研究院，新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范大學資源與環境學院，新疆 伊寧 835000；3.伊犁師范大學資源與生態研究所，新疆 伊寧 835000；4.伊犁師范大學旅游與歷史文化學院，新疆 伊寧 835000）

1 研究背景及意義

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》 指出，要加快發展現代服務業，推進服務業數字化建設。2021 年12 月22 日，國務院印發了《“十四五”旅游業發展規劃》，文件強調，我國將全面進入大眾旅游時代，旅游業發展仍處于重要戰略機遇期。要引導開發數字化旅游體驗產品，推動旅游資源借助數字化活起來。要加快推動大數據、云計算、物聯網、區塊鏈及5G、北斗系統、虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR） 等新技術在旅游領域的應用普及，增強旅游產品的體驗性和互動性。國家相關文件的出臺，為虛擬旅游提供了政策保障與支持，也是推動我國旅游業轉型升級的重要政策保障。旅游業是現代服務業至關重要的一環，是實現人民幸福感、獲得感的重要指標[1-2]。

隨著計算機與網絡技術的不斷發展，數字化轉型正在重塑旅游企業和旅游消費者之間的溝通空間，信息化旅游者對旅游供給側創新發展新型旅游模式的呼聲也越來越高，推進旅游業智能化發展勢在必行[3]。虛擬旅游作為一種新型“互聯網+旅游”模式，是利用視覺、聽覺和觸覺等多種感官，在虛擬環境中模擬現實中旅游真實場景，為用戶帶來沉浸式體驗的一種旅游模式，虛擬旅游在后疫情時代旅游業創新發展中具有廣闊的應用前景[4-6]。虛擬現實技術作為數字經濟發展的代表，是不斷推動旅游業創新發展的新引擎。該技術將深入旅游業各個領域，對傳統旅游模式進行迭代升級，必將對旅游行業產生深遠影響[7]。

位于新疆焉耆盆地的博斯騰湖，是我國最大的內陸淡水吞吐湖[8]。博斯騰湖擁有豐富的水產、蘆葦、濕地等自然資源，是新疆最大的漁業生產基地、全國四大葦區之一和國家濕地公園。2014 年博斯騰湖景區被評為國家5A 級旅游景區，2016 年入選“十三五”國家遺產名錄。博斯騰湖不僅有旖旎的自然風光，還有悠久的歷史與獨具特色的民族風情，旅游資源豐富，類型多樣。但博斯騰湖地處邊陲，深居內陸，離我國東部發達地區主要客源地理位置較遠，其璀璨的旅游資源并不為大眾所熟知。實現博斯騰湖旅游數字化為博斯騰湖旅游發展帶來了新契機。利用VR 技術實現博斯騰湖旅游資源的全景在線展示，加大旅游宣傳，塑造旅游品牌影響力，是實現其可持續發展的關鍵舉措。

2 關鍵技術指標

2.1 720°全景技術

720°全景技術是一種基于圖像處理技術生成的虛擬現實技術，它是把相機環繞景物前、后、左、右、上、下720°拍攝的一組照片拼接成一個全景圖像，并在專用網頁展示的一種計算機圖形學技術[9]。720°全景主要是通過圖片的縫合，實現對真實場景的三維虛擬展示。用戶可以通過鼠標或鍵盤對圖片進行上下、左右移動，并可以任意選擇視角進行放大和縮小。720°全景可如親臨現場般對景物進行環視、俯瞰和仰視，具有強烈的影像透視效果。720°全景可通過專業的VR 眼鏡和穿戴設備實現虛擬現實互動，具有較強的沉浸感與交互性。目前，720°全景技術的種類已經從簡單的柱形全景，發展到球形全景、立方體全景、對象全景、球形視頻等。常見的720°全景開發軟件包括國外的Pano2VR、Krpano、 QuickTime VR、 IPIX、 PixMaker、 Corel Photo-Paint、Ptgui 等，國內可通過720 云、全景客、全景生活等軟件實現全景影像的開發[10]。

2.2 Pano2VR 虛擬全景漫游技術

全景漫游就是通過計算機技術模擬出一個可交互的三維空間場景。全景漫游系統以數字化的方式模擬現實真實場景，本研究使用Pano2VR 軟件作為全景漫游開發工具，Pano2VR 是一款專業的全景圖像制作軟件，它可以將拍攝的全景圖片轉換為交互式虛擬體驗[11]。Pano2VR 軟件的主要功能是將多種格式的全景圖片轉換成720°全景漫游的圖像文件并進行顯示。Pano2VR 軟件具有一系列豐富的功能，包括圖像校正和矯正，創建具有真實3D 效果的全景體驗，以及支持全景圖像預覽和全景系統熱點的制作，以增強交互性。作為全景圖像制作的主流軟件，Pano2VR 可以兼容不同平臺的圖像顯示功能，是一款非常專業的三維虛擬圖像轉換軟件。該軟件還可以將平面、圓柱體、球體、立方體、交點、T形、條形圖像作為輸入對象，支持多分辨率漸進式變焦，并能重新優化引擎以生成更流暢的畫面，兼容JPEG 、TIFF、PNG、BigTIFF、Photoshop PSD/PSB 等圖片格式加載并以HTML5/CSS3 格式輸出。

2.3 全景圖像拼接技術

全景圖像拼接技術是一種用于將多張圖像合并成一張完整全景圖像的技術。該技術主要通過圖像拼接工具根據圖像特征提取、特征匹配、坐標轉換和圖像合并等關鍵步驟分析圖像中的相似特征自動合成完整的全景圖像[12-13]。現有的圖像拼接應用軟件很 多，如Ptgui、Photoshop、Pixtra PanoStitcher、PanoramaStudio、Pano2QTVR 等。其中，Ptgui 是一款知名的多功能全景圖像拼接軟件。Ptgui 軟件可以識別批量導入照片重疊區域的像素特征，然后通過自動裁剪縫合拼接出全景圖。Ptgui 軟件操作簡單，圖形處理速度快，是目前應用最為廣泛的全景圖像處理工具之一。全景圖像拼接技術在計算機視覺、圖像處理領域有著廣泛的應用，如在無人機航拍、地圖制作、VR 技術應用等方面都有廣泛的應用。利用全景圖像拼接技術可以生成更加精細、逼真的全景圖像，提高圖像處理的效率、增強全景漫游系統的畫面效果。

2.4 HTML5 網頁技術

HTML5 是一種用于創建網頁的標準化語言，是HyperText Markup Language（HTML） 的最新版本[14]。HTML 由于其操作簡便、平臺的獨立性強、可擴展性強等特點受到了用戶的青睞。HTML5 是新一代的HTML 標準，HTML5 改善了以前HTML 標準中的諸多問題，使得系統功能更加健全，大大提升了用戶的體驗感。HTML5 還增加了許多新功能，如音頻和視頻播放、圖像嵌入、客戶端數據存儲、文件共享等。此外，HTML5 還具有離線使用網頁的功能，即用戶可以在沒有網絡連接的情況下訪問已緩存的網頁。HTML5 網頁全景漫游技術是使用HTML5 技術和JavaScript 語言實現全景漫游效果的技術。這種技術在運行中使用HTML5 Canvas 元素和WebGL 技術[15-16]。首先，與傳統的Flash 技術相比，HTML5 網頁全景漫游技術不需要用戶安裝任何插件，可以在任何支持HTML5 的設備上流暢運行；其次，HTML5 支持移動設備瀏覽，能夠提供更好的全景體驗。此外HTML5 網頁技術還支持對全景圖片的自定義編輯，以滿足不同用戶個性化需求。

3 博斯騰湖旅游景區全景圖像制作流程

3.1 素材拍攝

1） 全景場景確定。研究根據景區調研，在景區導覽圖的輔助下選取了博斯騰湖大河口景區最具代表性的21 個場景（見圖1） 進行了實地現場勘查，在高德地圖的輔助下選取最佳拍攝位置。

圖1 博斯騰湖大河口景區全景場景地圖

2） 無人機選擇與調試。拍攝無人機選用DJIPhantom4pro+四旋翼無人機，該機內置GPS/GLONASS 雙衛星定位組件，且支持實時圖傳、智能避障、指點飛行、視覺追蹤等功能，可在景區復雜環境下進行拍攝。該機懸停精度可達垂直：±0.1 m，水平：±0.3 m，最大可支持4 000×3 000 像素的高分辨率照片拍攝，且其內置的“三腳架”模式最高可承受10 m/s 的風速，該機穩定的性能為高清照片的拍攝提供了保障。

3） 實地拍攝。將無人機飛行至需要拍的場景，保持高度為50～80 m 之間，保證無人機拍攝場景360°范圍內不受阻擋，選擇無人機智能“三腳架”空中智能懸停功能，以無人機正面朝向為基準，依次調整無人機云臺下水平0°、下俯視30°、下俯視60°依次旋轉無人機45°連續拍攝24 張照片，然后選擇鏡頭垂直0°與180°朝向依次拍攝2 張照片，最終得到26 張照片，完成一個景點拍攝。此拍攝法保證了每張圖片與相鄰圖片之間不超過20%的重復率，為全景圖片順利拼接與最大限度還原真實場景奠定了基礎。

3.2 圖像處理與拼接

1） 圖片篩查。無人機拍攝完成的照片由于角度變化會出現明暗不同的情況，需要工作人員對每個場景的照片逐一篩查，對曝光不足等原因拍攝的不合格照片需要使用Photoshop 軟件進行處理，如提高圖像清晰度，增加對比度、色彩飽和度等。

2） Ptgui 全景拼接。將篩查完的照片按場景逐一輸入Ptgui 軟件中，讓軟件自動對齊、拼接、縫合并輸出全景照片，在此過程中Ptgui 軟件內置算法會逐一分析每張圖片重合的影像區域，并對圖像進行坐標轉換、畸變矯正、投影變換、匹配點選取、拼接融合等操作，最終合為一張完整的全景圖（見圖2）。全景圖生成后由于無人機無法捕捉到天空的照片，造成天空視角的缺失，因此，在后期圖像合成過程中需要對天空影像進行加工處理。

圖2 Ptgui 圖像拼接后生成的全景圖

3） 亮度與顏色的均衡處理。因為相機和光照強度的差異會造成一幅圖像內部、圖像之間亮度的不均勻，導致拼接后的圖像會出現明暗交替，這會影響全景漫游圖像的美觀度。亮度與顏色的均衡處理是一種圖像處理技術，它是使用相機的光照模型來校正一幅圖像的亮度和對比度，消除圖像色偏的不均勻性。亮度與顏色的均衡處理利用相鄰兩幅圖像重疊區域之間的關系，建立相鄰兩幅圖像之間直方圖映射表，通過映射表對兩幅圖像做整體的映射變換，最終實現整體的亮度和顏色的一致性。

3.3 交互功能添加與全景圖像發布

1） 全景圖導入與輸出。將Ptgui 軟件拼接與后期處理好的全景場景圖片依次添加至Pano2VR 軟件后，系統會自動判別圖像輸入類型并生成720°全景漫游全景圖。由于Pano2VR 軟件內置HTML 輸出功能，用戶可選擇flash 或HTML 輸出格式，并將文件擴展名修改為.swf 保存即可。

2） 皮膚設計。全景皮膚設計為全景漫游系統設計外觀和用戶交互界面，為用戶提供良好的體驗。皮膚設計主要包括界面皮膚設計與沙盤皮膚設計兩種。界面皮膚設計可以修改皮膚名稱與外部化皮膚圖片，用戶也可以對皮膚進行個性化編輯。沙盤皮膚設計需要單獨制作沙盤地圖并做好景點標記、游覽路線等信息錄入工作，將沙盤地圖導入皮膚編輯器后，將相應的全景場景添加到沙盤所對應的節點中。

3） 場景熱點創建。全景漫游系統場景熱點是在全景場景中添加一個虛擬標記，用于向用戶提供相關信息或者跳轉到其他場景。Pano2VR 軟件支持多種多媒體交互設計，用戶可以在全景場景中添加音頻、視頻、圖片、flash 動畫等多種效果，提升場景的渲染效果。其次，用戶還可以添加氣球、光影、天氣模擬、直升機模擬等多種動態效果來增加場景的豐富性。在創建熱點時，首先，需要在全景圖上選擇所需要創建熱點的位置，然后根據軟件的熱點屬性對熱點進行設置，如熱點的大小、形狀、顏色、文字標題等。再次，需要設置熱點功能，如打開網頁、展示信息、跳轉到其他場景等。最后，進行場景輸出，利用Pano2VR 軟件的輸出功能，將制作好的VR 場景輸出到本地電腦或發布到互聯網上，以便其他人進行訪問。

4 博斯騰湖全景漫游系統的開發和設計

博斯騰湖全景漫游系統采用MVC 架構下的HTML5、JavaScript 腳本語言進行開發。系統構架見圖3。

圖3 博斯騰湖全景漫游系統架構

1） 數據層。系統數據主要包括兩部分：全景數據與信息數據。全景數據庫，主要儲存前期采集的景區全景數據信息，包括景區導覽、場景數據、景點位置等。信息數據主要包括場景所要添加的屬性數據，如文字、圖片、視頻展示等數據。

2） 邏輯層。邏輯層是連接系統數據層和用戶應用層的橋梁，負責虛擬現實各種功能的模塊化設計與開發。通過邏輯層構建的各種全景游覽功能模塊，系統可以快速地檢索到景區的全景數據、熱點數據和地圖導覽等數據，為系統的數據整合開發奠定了基礎。邏輯層使用Java+SpringMVC+MyBatis+Nginx 等程序進行聯合開發設計，以Web Service 服務的方式為前端各場景提供所需媒體素材的編輯、保存以及發布。邏輯層采用SpringMVC 搭建Web設計，這使得系統的框架層次更加清晰，可擴展性更強，降低了系統的耦合度。此外，針對全景瀏覽與編輯等核心功能，系統采用Photo-SPHE-VIEWER.js 來管理全景的渲染和顯示。項目數據通過MyBatis 提供便捷的交互界面，采用NGINX 服務器解決項目網站的請求與發送。場景交互和媒體數據存儲通過文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）實現，用戶在使用過程中的所有數據也遠程傳輸到FTP 服務器，實現遠程下載和上傳，保證用戶數據的安全性。

3） 用戶層。用戶層系統主要分為3 個模塊，包括全景導覽、智能服務與社交模塊。全景導覽主要功能包括全景地圖導覽、場景切換與多路線漫游，是實現系統漫游的主干板塊；智能服務模塊可實現景區語音講解、景區景點信息推送與第三方支持的景區線路導航等功能，可增加用戶的游玩興趣與交互體驗；社交模塊主要為用戶社交與分享服務，用戶可以將個人軌跡分享給好友，也可以在全景漫游系統里留下個人標記，增加系統與用戶的互動。該層主要采用HTML5+CSS3+JS+Vue.js 等編程技術來開發前端靜態頁面，通過CSS3 技術設計了靜態頁面的基本樣式和實現了各種交互效果。

5 功能實現

5.1 全景漫游功能

根據博斯騰湖景區規劃設計方案，工作人員通過實地勘察考證，根據景區主要景點布局確定全景圖像采集點，按照景區參觀路線確定全景游覽布局。場景采集分為空中與地面兩部分進行。空中部分主要以無人機俯瞰的方式采集景點全貌，地面部分采用GOPRO 全景相機對各個場景地面細節進行拍攝。所有全景圖片采集完后，采用Photoshop 軟件對采集圖片進行了前期篩查處理，在利用ptugi軟件對圖片進行全景拼接，隨后利用Pano2VR 軟件實現全景漫游功能（見圖4）。

圖4 系統全景漫游功能實現

5.2 智能服務功能

系統融入了智慧旅游服務功能，為游客提供“全過程、個性化”的旅游綜合信息服務。智能服務有三大功能實現。

1） 景區講解功能。系統會根據用戶切換的場景提供語音講解服務（見圖5），包括景點的歷史、特征、藝術價值等，輔以柔和的音樂，帶給游客身臨其境的沉浸感。除此之外，游客還可以通過點擊場景中視頻、圖片、文字、鏈接等按鈕查看更多的景點信息，極大增強了景點內容的豐富性與游客的互動性。

圖5 景區講解功能

2） 景區熱點推送。系統連接景區智慧旅游服務平臺，實時為游客推送景區相關信息，如景區天氣信息、客流量信息、旅游舒適度指數等，為游客旅游決策提供依據（見圖6）。

圖6 景區熱點推送

3） 線路導航。通過電信提供的基于位置服務（Location Based Service，LBS） 接口為用戶提供定位、導航功能，生成最佳的旅游行線路，并實時記錄用戶軌跡（見圖7）。

圖7 線路導航

5.3 社交功能

社交功能主要實現用戶之間數據互動與提供共享服務，將三維全景、博客、社會網絡服務、三維虛擬社區等服務有效結合，目的是為用戶提供在系統進行文字、照片、音視頻記錄等在線分享服務，實現游客之間多方位實時互動。

1） 互動分享。系統可獲取好友分享的軌跡、音視頻、圖片、博客、日志等信息，用戶可將自己的游覽經歷通過微信、QQ 等社交平臺分享給好友，實現信息共享，方便好友之間經驗交流與互動（見圖8）。

圖8 互動分享

2） 個人標記。系統會實時記錄用戶個人軌跡，可以在系統中添加游覽標記，也可以發布游記心情，并向景區提供投訴與建議，可以幫助景區建設更好的產品體系和提供更高服務品質（見圖9）。

圖9 個人標記

6 結束語

本文將虛擬現實技術與旅游業相結合，以博斯騰湖旅游與景區為例，探索了旅游業網絡化、虛擬化發展的新模式。研究在前期對博斯騰湖旅游景區進行了圖像采集、圖片處理、Ptugi 拼接、Pano2VR全景漫游生成的基礎上開發了博斯騰湖景區全景漫游系統，系統采用MVC 架構下的HTML5、Java-Script 腳本語言對博斯騰湖全景漫游系統進行了開發設計，實現了用戶端的全景漫游、智慧服務與社會交往等功能，為用戶提供了一個在線旅游、智慧服務、交際交往的便捷平臺。全景虛擬技術在旅游業智慧化、虛擬化發展方面有廣闊的應用前景。本研究目前有許多待改進的地方，如如何將虛擬漫游技術與3D 仿真技術相融合，帶給游客更加逼真的體驗；將虛擬現實與智慧旅游、GIS 技術相結合，解決旅游業長期面臨的信息孤島問題；在滿足大眾化智能旅游需求的同時，推動個性化、定制化虛擬旅游服務的發展。旅游業與虛擬現實技術相結合正處在深入發展階段，相信在計算機網絡技術的推動下，虛擬旅游將逐步向著大眾化方向邁進，實現虛擬與現實的深度融合。