静态全景技术在构建虚拟现实环境中的应用与实践

2018-05-28李梦

电脑知识与技术 2018年9期

关键词：虚拟现实应用

李梦

摘要：静态全景技术是构建虚拟现实环境重要手段之一，按其呈现方式可分为柱形全景、球形全景、立方体全景和对象全景。本文介绍了四种静态全景的制作原理、技术特点、拍摄技巧、后期处理、拼接技术及其在行业中的应用。

关键词：静态全景技术；虚拟现实；应用

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0244-02

1 引言

虚拟现实技术融合了摄影摄像技术、数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

构建虚拟现实环境主要有以下三种情况：一是完全对真实世界中的环境进行再现；二是完全虚拟的、人类主观构造的环境；三是对真实世界中人类不可见的现象或环境进行仿真。静态全景技术主要应用于第一种情况，其类型主要包括柱形全景、球形全景、立方体全景、对象全景等。

2 静态全景技术

2.1柱形全景

柱形全景是最为简单的全景虚拟，为水平360度（或某一较大角度）环景，一般应用于基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统（即使用个人计算机（PC）或初级图形PC工作站去产生仿真，计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口），使用鼠标在水平方向左右拖动，可以观察到左右两侧的景色，但是如果用鼠标上下拖动时，上下的视野将受到限制，因为顶部和底部是空白的，不能够进行俯视或者仰视。

柱形全景使用普通照相机即可完成拍摄，目前许多智能手机具有均有全景模式，其拍摄方法即开启全景模式后，点击快门，对着拍摄对象从左往右或从右往左慢匀速移动或转动手机镜头，此时手机屏幕上会出现一个小滑块，跟着小滑块移动，注意保持手机水平稳定，尽量减少垂直偏移，否则全景照片会出现衔接断层的情况，在小滑块进度结束前可以随时点击快门结束拍摄，相机就会自动生成全景照片。目前市面上绝大部分手机的自带的全景模式至少可以拍摄180度全景照片，许多手机还能够拍摄240度甚至270度的图像，安装某些软件后也支持360度拍摄，即“拍一圈”。但是手机全景拍摄，非常考验手持拍摄的稳定能力，稍有不慎就可能前功尽弃。

因此，为得到高质量的全景照片，多采用普通照片进行合成拼接。即按照顺时针或逆时针方向连续拍摄普通大小的照片若干张，注意相邻照片的边界处要有一定的重合部分，然后使用图像处理软件（如Photoshop）对照片的亮度、对比度、色调、锐度等进行调整，再将照片导入静态全景制作软件（如Pix Maker）中，可根据需求对照片进行插入、删除、移动、旋转、重新排列等操作，最后将这些照片合成全景照片或网页进行发布。

2.2球形全景

球形全景为水平360度，上下180度，能够看到场景的所有角度，可以更加真实地对虚拟场景进行构建，若用于封闭的场景配合音响系统将用户的视听觉与外界隔离，使用户完全置身于计算机生成的环境之中，会让用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。

球形全景照片的制作比较专业，首先必须用专业鱼眼镜头拍摄两张照片，然后用专业的软件把它们拼接起来，做成球面展开的全景图像。目前国内在这一块做得比较好的如中海达iScan系列，其中的外业采集设备中多头鱼眼高清相机可完成素材照片的拍摄，且其对应的数据处理全景拼接软件HdPanoFactory可根据算法完成数据检查、全景输出、输出检查、全景PS处理、生成缩略图等功能。此外，该系列设备和软件还可以利用GPS定位系统收集点云并进行建模，对图片进行切片并生成街景，高清摄像机的连续拍摄功能还可形成连续的全景图片并由HD MapCloud RealVision软件完成漫游操作。

除了较为专业的球形拍摄，普通手机可以通过软件完成拍摄，如Google Camera（谷歌相机）有一个Photo Sphere模式，手机为“球”的中心，用蓝色“大圆点”引导用户逐步采集球形全景照片拼接所需要的画面。关于这款360度全景拍摄软件，谷歌建议用户，在拍摄球形全景照片的时候，手机需要贴近脸部，这样能够使合成率提高，同时在拍摄的过程中避免近景和远离人群，以免鬼影的出现。但是在实际操作过程中，由于该软件本质还是多张照片进行拼接，在拍摄过程中对于手机角度的把握至关重要，否则会由于照片角度问题经常出现拼接缝隙或者拼接不整齐的情况，良片率较低。

2.3立方体全景

立方体全景技术是另外一种实现全景视角的拼合技术，它打破了原有单一球型全景的拼合技术，能拼合出更高精度和更高储存效率的全景。立方体全景主要应用于构建室内虚拟环境，如房地产开发商模拟样板房，客户只需要坐在电脑前通过拖动鼠标就可以较为全面和真实地查看各种样板房的立体结构和设计。若需要进一步身临其境地去体验，可以利用洞穴式虚拟现实系统，该系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，可提供一个房间大小的四面（或六面）立方体投影现实空间，参与者完全沉浸在一个投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备获得身临其境的高分辨率三维立体视听影像和六个自由度的交互感受。

立方体全景照片的制作也比较复杂，首先拍摄照片时，要把上下前后左右全部拍下來，但是可以使用普通数码相机拍摄，只不过普通相机要拍摄很多张照片（最后拼合成六张照片），然后再用专用的软件（如Pano7cd）把它们拼接起来，做成立方体展开的全景图像。

普通手机也可以通过软件完成立方体拍摄，如Google Camera（谷歌相机），在“全景”模式下有一个“□”（立方体拍摄模式），同样是使用蓝色“大圆点”引导用户逐步采集照片拼接所需要的画面。该模式拍摄出的照片透视感比较强，但是对于拍摄照片的方位要求较高，否则在近处的画面容易出现透视变形的情况。

2.4对象全景

对象全景不同于风景全景，拍摄时摄像头要对准对象，采用赤道仪或环绕拍摄的方法，即以被拍摄体的中轴线为中心，使三脚架环绕被拍摄体转动拍摄一张张照片，然后选用对象全景的拼接和播放软件生成和瀏览对象全景照片。对象全景技术主要在商业领域有广泛应用，如汽车行业通过网页发布汽车三维全景模型方便用户直观地看车、买车。不过近几年对象全景技术还在文化遗产数字化保护方面有诸多应用，如结合三维建模技术实现文化遗产的三维重建或再现，使文物脱离地域限制，通过互联网实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。

为了让对象全景更加真实，还可利用三维激光扫描技术获取对象的粗糙点云模型及影像数据采集技术获取对象显示的不同的各种细节作为纹理材质，再使用图像处理软件（如Photoshop）对照片进行必要的切割、拼接、扭曲、锐化等操作，最后利用三维建模软件（如3ds max）对粗糙点云模型进行完善、贴图、打光等操作，如此形成对象全景在构建虚拟环境中搭建场景时更加生动、逼真、全面，而且可操作性更强。

3 静态全景技术的应用

全景技术是由拍摄的多张真实照片经处理后由专业软件拼接而成，具有高度还原真实场景的逼真效果，因此在构建虚拟现实环境时经常应用于虚拟展示，并可通过程序或插件实现简单的人机交互。随着静态全景技术的日趋成熟，越来越多的领域尝试采用该项技术。除了文中提到的房地产行业、汽车行业和文物保护产业，静态全景技术目前还广泛应用于旅游风景展示、企业院校展示、虚拟展示业等行业。

3.1旅游风景展示

为提高景区知名度，吸引更多的游客，目前许多景点都采用360度全景介绍和展示景区风光，观赏者可通过拖动鼠标或触摸屏幕调整观赏方位，根据自身喜好在网页上进行浏览与欣赏，相比较于使用传统文字和图片更具真实性和趣味性，张家界、神农架、武当山、洞庭湖等许多著名景点均制作了虚拟漫游全景体验进行推广。

3.2企业院校展示

目前诸如北京大学、清华大学、中国人民大学、北京师范大学等许多高校均有采用静态全景技术制作全景校园虚拟展示，可360度浏览校园，并以链接的形式在校园内不同的地点进行跳转。企业采用全景虚拟展示则为企业增添了科技感与活力元素，与时俱进的理念有助于弘扬企业文化，招募优秀人才，吸引合作伙伴。

3.3虚拟展示业

静态全景技术目前已广泛应用于虚拟展示行业，许多实体博物馆或展览馆均有开设虚拟展示馆，如故宫博物馆、南昌起义纪念馆、北京自然博物馆等，游客可不受地域、空间的限制在这些虚拟展示馆里学习和参观，有助于不同地域实现资源共享，同时可提高展馆知名度，扩大影响力，达到更好的宣传效果。

4 结语

使用静态全景技术能够让构建的虚拟环境更加贴近真实、效果逼真，但是仅纯粹简单的图片拼接加上网页跳转链接，观感和体验并不理想。因此要构建理想的虚拟现实环境还需要静态全景技术与三维建模技术、数字图像处理技术、计算机图形学等多种计算机技术相结合才能达到身临其境的效果。

参考文献：

[1] 李新晖，陈梅兰.虚拟现实技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2015：1.

[2] 刘光然.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2011：1，5-7.

[3] 王卫仪.基于静态图像的互动虚拟全景技术及其应用[J].电脑知识与技术，2006，（1）：182-183.