基于全景图像的热带果园三维全景虚拟漫游系统研究★

付 广 付 晖* 张 娟

(海南大学热带农林学院，海南 儋州 571737)



·计算机技术及应用·

基于全景图像的热带果园三维全景虚拟漫游系统研究★

付 广 付 晖* 张 娟

(海南大学热带农林学院，海南 儋州 571737)

以热带果园三维全景虚拟漫游系统的构建为目标，利用鱼眼镜头和单反数码相机获取全景图像，并对全景图像进行拼接制作了三维全景虚拟漫游系统，该系统实现了对热带果园的数字化、虚拟化、信息化展示，从而提升了热带果园的信息化管理水平及热带水果的知名度和品牌效应。

全景图像，三维全景，虚拟漫游，热带果园，芒果园

1 概述

我国热带和南亚热带地区(热区)自然条件比较优越，热量高，雨水充沛，湿热同季，终年无严寒，极少霜冻，作物越冬条件优越，适宜发展热带水果产业。我国热带果树种类繁多，各具特色，热带水果产品价值高，经济效益好，是典型的高效特色农业。随着人民生活水平的提高，人们对热带水果数量和品质的需求也在不断增加。然而，在我国热带果园生产管理过程中，普遍存在果园规划建设不合理、种质资源匮乏、栽培技术落后、标准化生产水平低、信息化服务链不足、产品品牌竞争力不强等问题。因此，需要从果园规划和基本建设、种质资源保护、丰产栽培技术、标准化生产技术、信息服务链和品牌建设等方面开展研究，从而促进热带水果产业健康发展、农民增收增效、农村经济繁荣与和谐发展。

以数字智慧农业为代表的农业信息化技术是未来农业发展的重要方向之一，开展农业生产的数字化、网络化、信息化等方面研究，有利于农业形成专业化的生产、集约化的经营、现代化的管理模式。同时，还有利于农业教育、科研和推广的“三位一体”发展。三维全景虚拟漫游技术是基于全景图像的真实场景虚拟现实的技术，全景是利用相机对实景进行360°拍摄的一组或多组照片拼接成一个全景图像，通过计算机技术实现全方位互动式观看的真实场景[1-4]。现已广泛应用于城市街景、旅游景点、文物古迹、博物馆、校园、酒店房产、展览展会等方面的展示[5-10]。

针对我国热带果园生产管理的现状与问题，以海南省芒果园为对象，选取其具有代表性的路线、位置、视角、方位为热点，利用GPS技术、全景摄影技术、三维实景虚拟技术，构建基于全景图像的热带果园三维全景虚拟漫游系统，以360°全景图的方式实现在多个不同场景中的交互式虚拟漫游效果，再现热带果园的三维场景，实现虚拟场景的漫游，从而达到对芒果园的数字化、虚拟化、信息化展示，并借此提高热带果园的信息化管理水平，提高热带水果的知名度和品牌效应。

2 芒果园三维全景虚拟漫游系统的设计与实现

三维全景虚拟漫游系统的实现需要相应的硬件和软件的结合。系统具体实现过程如图1所示。

2.1 前期准备

1)实地调查：选择海南省的芒果园，了解其地理信息、基础设施、种植面积、种植计划、工作人员、生产管理等信息(见图2)，为下一步开展全景摄影做准备。

2)硬件设备准备：合理的器材搭配，能够最大限度的发挥各设备的优势，获得高品质的影像[2]。在相机的选择上，常用的有单镜头数码相机、普通卡片相机等。由于普通卡片相机的性能普遍不足，本研究中相机选择为尼康单反数码相机(Nikon D300 s)。在鱼眼镜头的选择上，现在普遍使用的鱼眼镜头有圆形鱼眼(Circle)、鼓形鱼眼(Drum)和全帧鱼眼(Full Frame)三种，鼓形鱼眼镜头由于在360°全景照片拍摄数量和照片质量上均有保证，故选择西格玛鼓形鱼眼镜头(Sigma 8 mm)。另外需选择全景摄影云台(Agnos Mrotator T)、三脚架以及其他辅助设备(见图3)。

3)后期制作软件选择：常用拼接软件有Autodesk Stitcher Unlimited，PTgui，Panotour Pro，Pano2VR，ArcSoft Panorama Maker，Photoshop-PTLens，杰图造景师软件等。经过多种尝试，最终选择使用杰图造景师8.0企业版软件进行全景图像的拼接，后期交互界面制作选择上海杰图软件公司的漫游大师4.3企业版。

4)针对芒果园的基本情况，制订详细的拍摄计划，选择合理的拍摄路线、拍摄时间和相机机位进行数据采集。本系统中选择芒果园中的主干道路为主体拍摄线路，一般选择上午或下午太阳较弱的时候进行拍摄。相机机位选择视角宽阔，并且是场景中心的位置。

2.2 图像拍摄

1)安装硬件设备，关键在于将镜头节点放在云台的旋转轴心上。2)调整相机的拍摄参数，关键是得到合适的光圈值和快门值，拍摄一个点的过程中只能用同样的曝光参数。3)拍摄，鱼眼镜头焦距为8 mm时的视角约为180°，为保证图片的重叠区域达到50%，每个场景需要拍摄6张图片(前后左右加天、地)，每旋转90°拍摄一张(见图4)，为后期拼合形成360°环形图片做好准备，期间需注意设备的水平和垂直稳定。

2.3 图像拼接与处理

全景图像的拼接主要分以下三个步骤进行：1)单张图片处理：采用8 mm鱼眼镜头进行拍摄时，视角约为180°，相机底部的三脚架会进入图片中，拼合后可能会留有三脚架的影像，可以在生成全景图之前用Photoshop对单张图片进行处理。2)图像拼接：采用杰图造景师8.0企业版软件进行图像的拼接，杰图造景师软件能够自动识别相邻图片中的图形转折点、色差较大的细部节点等作为重叠部分，通过设置与查找重叠区域关键点，可以将相邻两张图片中的关键点一一对应，设置好相应关键点对应，选择球形全景类型，即可拼合360°全景图(见图5)。3)拼接后与三维特效处理：对拼合的360°全景图片的顶部、底部进行补充。可以选择拍摄合适大小的天空、地面图片(相机垂直90°向上、向下)用于后期对全景图顶、底部的修饰，使顶部和底部更自然和美化。之后进行三维特效处理，生产符合三维全景虚拟漫游系统需要的全景图像(见图6)。

2.4 三维全景虚拟漫游系统构建

三维全景虚拟漫游系统的构建分为以下三个步骤进行：1)利用地理信息系统软件制作芒果园地图，用于全景漫游导航。并利用拍摄场景GPS定位设置为热点，制作完成热点导航地图。2)利用杰图漫游大师软件，制作系统视图界面(场景播放器、地图播放器等)、控制按钮、选择组件、描述文本和图像以及多媒体播放(视频、音乐等)，完成系统交互界面设计和实现。3)同步设置场景与热点互动，完成交互式操作，添加背景音乐，预览并调试完善系统，最后将系统发布成flash格式或HTML格式，并进行展示应用(见图7)。

3 结语

三维全景虚拟漫游技术在农业信息化方面的应用尚处于起步阶段。本文针对我国热带果园生产管理的现状与问题，以海南省芒果园为对象，利用GPS技术、全景摄影技术、三维实景虚拟技术，构建基于全景图像的热带果园三维全景虚拟漫游系统，以360°全景图的方式实现在多个不同场景中的交互式虚拟漫游效果，再现热带果园的三维场景，实现虚拟场景的漫游，从而达到对热带果园的数字化、虚拟化、信息化的管理与展示，以此提高热带果园的信息化管理水平，从而节约生产成本、提升宣传效果、增加果园的经济效益。未来该系统结合地理信息空间数据展示，作为果园管理系统的辅助应用，也会具有更大的现实意义。

[1] 冯建平,吴丽华.基于全景图像的三维全景漫游系统的构建[J].计算机与数字工程,2013(1):115-117.

[2] 於 迪.南京仙林大学城全景虚拟漫游系统的设计与实现[D].南京：南京师范大学,2013.

[3] 王鸿飞.三维全景漫游技术在旅游业中的应用研究[D].广州：华南理工大学,2013.

[4] 王玉琼.三维全景漫游技术及应用研究[D].昆明：云南财经大学,2013.

[5] 杨 琳,赵建民,朱信忠,等.虚拟校园三维全景漫游技术研究[J].计算机工程与科学,2007(10):26-28.

[6] 郭长青,曹 芳.三维全景技术在旅游景区介绍中的应用[J].地理空间信息,2009(1):46-48.

[7] 陈丁山,乔 波.三维全景虚拟校园的研究与应用[J].福建电脑,2008(5):96,104.

[8] 程 刚,郑小华,阳 锋,等.三维全景视觉技术在农业机器人中的应用[J].安徽农业科学,2010(34):19854-19856,19878.

[9] 周亦鹏,胡 娟.基于三维全景技术的数字矿山漫游系统[J].金属矿山,2012(5):116-120.

[10] 江 婕,况 扬.三维全景技术在红色文化遗产保护中的应用[J].科技广场,2013(3):152-154.

Construction of the three-dimensional panoramic walkthrough system in tropical orchard based on panoramic image★

Fu Guang Fu Hui * Zhang Juan

(InstituteofTropicalAgricultureandForestry,HainanUniversity,Danzhou571737，China)

In this paper, 3D panoramic walkthrough system of tropical orchard is build based on panoramic image. The panoramic images were mosaic from single fisheye lens image by use of digital camera fisheye lens and a single electric digital camera. The system displayed tropical orchard in digital and virtual way. And it can be to improve the tropical orchard information management level, and to raise awareness and brand effect of tropical fruits.

panoramic image, three-dimensional panoramic, virtual reality walkthrough, tropical orchard, mango orchard

1009-6825(2017)14-0255-03

2017-02-25★：海南省教育科学规划一般课题(QJY1251503)；海南大学教育教学研究课题立项项目(hdjy1646)

付 广(1982- )，男，助教

付 晖(1985- )，女，博士，讲师

TP319

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