基于全景图像的虚拟现实技术在旅游中的应用研究

黄强 林宏贵 石卿 刘少宇

摘  要：随着互联网各种技术手段的逐渐成熟，基于三维全景的虚拟旅游开发研究也逐渐深入，并成为了发展全域旅游和智慧旅游建设的重要环节。为了满足人们全方位的浏览需求，同时也满足景区在宣传手段上的多元性与互动性，在旅游景区的展示及宣传中就要灵活地应用各种技术手段。基于此，以实现小金县两河口旅游全景展示为例，总结出全景虚拟现实场景的开发流程并进行快速推广，完善小金县乃至阿坝州对外推介宣传的模式，为阿坝州全域旅游的发展助力。

关键词：全景图像;虚拟现实;智慧旅游

Abstract：With the gradual maturity of various technical means on the internet，the research on the development of virtual tourism based on three-dimensional panoramas has gradually deepened，and has become an important link in the development of global tourism and smart tourism construction. In order to meet peoples all-round browsing needs，and at the same time to meet the diversity and interactivity of scenic spots in publicity means，various technical means should be flexibly applied in the display and publicity of tourist spots. Based on this，this article takes the realization of the panoramic display of the Lianghekou tourism in Xiaojin County as an example，summarizes the development process of the panoramic virtual reality scene and can quickly promote it，improve the model of external promotion and publicity of Xiaojin county and even Aba Prefecture，so as to help the development of tourism in Aba Prefecture.

Keywords：panoramic images;virtual reality;smart tourism

0  引  言

旅游业是现代服务业的重要组成部分，是国民经济的综合性产业，是拉动经济增长的重要动力。随着互联网时代智能移动终端、虚拟现实、大数据、云计算等各类新装备、新技术的不断涌现，对旅游行业的发展产生了巨大影响。

小金县两河口镇位于小金县城以北，是小金县占地面积、牧草面积和林地面积最大的一个乡镇。红军长征著名遗址──两河口会议遗址以及浓郁的嘉绒藏族民俗风情，构成了两河口独具特色的旅游资源。随着旅游的开发推进，针对传统旅游业服务及宣传模式还无法跟进新的旅游发展态势的现状，本文依托720°的全景虚拟现实漫游技术，以阿坝州小金县全域旅游建设为契机，建设小金县两河口全景虚拟现实漫游系统。该系统满足广大游客的旅游公共服务需求，对阿坝州小金县旅游的发展具有积极意义，并在阿坝州全域旅游推广中具有示范带头作用。

1  基于全景图像的虚拟现实展示技术

基于全景图像的虚拟现实是指将拍摄的涵盖水平及垂直方向360°的多张照片拼接成一张全景图像。通过后期融入浏览器并加以交互，让浏览者能用鼠标、键盘、触摸屏、重力加速度传感器等交互式设备控制浏览的方向，可全方位无限制观看物体或场景，仿佛身临其境。同时360°全景漫游也是一种新兴的富媒体技术，可在制作中添加图片、声音、视频和超链接。它比传统的图、文、视频展示更为直观、互动性更强。通过鼠标拖动、滑动屏幕等操作使普通用户操作更为简便，可广泛应用于互联网展示，如在线的房地产楼盘展示、虚拟旅游、虚拟教育等领域。

2  全景图像的特点与优势

人单眼的水平视角最大可达156°，双眼的水平视角最大可达188°，本文采用360°球形投影图像，将2：1的矩形全景图映射到球体模型中。借助基于WebGL的在线全景播放器实现类似三位全景展示的体验。能够全方位展示是该技术的最大特点，相比于基于交互式三维场景的虚拟现实展示，它具有如下特点和优势：

（1）全方位：全面位无死角地展示各个角度的所有景致。

（2）实景：本案例中的所有場景采用现场记录真实的旅游场景，和游客所游览的景观一致。

（3）内容丰富：除了可以自由操纵任意角度，互动性地观察场景，还可以添加背景音乐、解说音频、详细介绍超链接等多种媒体，丰富了展示的效果。

（4）开发时效性高、易于传播：相比三维虚拟现实场景的制作，该方法无需繁琐的建模、贴图、渲染工作，开发周期短、成本低、时效性强。

（5）具有良好的适应性：WebGL技术具有良好的跨平台性，普通电脑、平板、智能手机等均支持播放。

3  技术原理

图像拼接是全景虚拟现实展示的重要的核心技术之一，它把来自多个不同视角拍摄的图像映射到同一视角下，无缝拼接成一张涵盖所有视觉范围的图像。在本案例中，无人机及单反相机所获取的图像素材需要进行拼接。无人机航拍图采用的是24 mm（135画幅等效）焦距镜头，单张图像为1 200万像素，单反相机采用的是8 mm（135画幅等效）鱼眼镜头。这其中拼接技术包括三大部分：特征点提取与匹配、图像配准、图像融合。

其拼接原理涉及以下步骤：

（1）检测并提取图像的特征和关键点。

（2）匹配两个图像之间的描述符。

（3）使用RANSAC（随机抽样一致）算法以及匹配的特征向量估计单应性矩阵。

（4）拼接图像。

步骤（1）和步骤（2）过程是运用SIFT局部描述算子检测图像中的关键点和特征，SIFT特征是基于物体上的一些局部外观的兴趣点而与影像的大小和旋转无关。对于光线、噪声、些微视角改变的容忍度也相当高，所以用来检测要拼接图像的特征及关键点很有优势。

而接下来的步骤（3）是找到重叠的图片部分，连接所有图片之后就可以形成一个基本的全景图了。匹配图片最常用的方式是采用RANSAC算法，用此排除掉不符合大部分几何变换的匹配点。之后利用这些匹配的点来估算单应性矩阵，也就是将其中一张图像通过关联性和另一张匹配。

通过拼接后的全景图像投影到球体中，使平面图像呈现出全景效果，在浏览器中以WebGL作为平台进行展示，具有良好的交互性。

4  项目实施

本虚拟现实展示案例为两河口旅游区全景虚拟现实漫游场景，如图1所示，并延伸覆盖到小金县城、抚边乡、四姑娘山等区域。由阿坝藏族羌族自治州全域旅游研究所工作人员负责点位规划及游览线路设计，四川农业大学林学院相关工作人员负责素材采集以及后期合成编辑和平台搭建。素材采集采用大疆Marvic 2无人机、Insta360 ONE X全景相机、搭配全景云台的佳能EOS 6D单反相机对项目区域进行了空中及地面的采集拍摄，共计完成约40余个点位的全景素材采集。全景素材中户外场景分辨率最高达14 000×7 000像素，室内场景分辨率为6 080×3 040像素，完全能够满足移动平台及计算机平台上全景虚拟现实系统的展示需要。拍摄后的全景图片存放在720yun平台，通过WebGL技术进行展示，用户直接通过浏览器进行查看，具有速度快、跨平台、交互性强、易推广的特点。同时也可提供离线文件，方便离线展示，以及管理、规划工作。

4.1  素材的采集

本案例中户外场景主要使用无人机及单反相机采集素材，其中无人机采用定高的、定位的方式进行不同角度的拍摄，单反相机采用三脚架搭配机械式全景云台进行拍摄。临近照片具有25%～50%左右的交叠区域，保障其可以通过软件识别关键点，实现顺利的拼接。而室内场景因图像间关键点相对不明显，在拼接过程中易出现重影，因此采用Insta360 ONE X一次成像全景相机进行场景拍摄。

4.2  图像的拼接

采集后需要拼接的场景使用PTGui软件进行拼接。PTGui软件可以支持多种格式的图像文件输入，构建普通图片、圆柱以及球形的全景照片。拼接之后的图像过渡相对较为自然，没有过于明显的拼接痕迹。在处理中首先载入图像、然后进行镜头设置、选择投影模型、合理设置控制点、进行蒙版和优化处理，最后输出图片。在本案例中，投影方式采用矩形球面投影进行图像映射。使用单反相机拍摄的全景素材中的低角度相片会将三脚架拍摄入画面内，可使用PTGui中的蒙版功能将其去除。而使用无人机拍摄的场景无法将所有天空画面包含，因此在后期使用Photoshop导入球天素材，使用蒙版功能使其与场景渐变过渡，达到画面无缝融合的效果。

4.3  系统生成

考虑到小金县地区的特点，不适宜建设专用展示服务器，因此在合成全景图之后，通过720yun.com平台对场景进行发布展示，任何有网络的地方均可查看。将场景上传至云服务器后添加导航热点将不同场景关联，并通过图形化漫游制作平台进行处理，并进行地图添加以及标注处理，在浏览者到达某一个景点之后，在寻找临近景点时可以点击链接热点实现快速切换，具有较好的交互性。

5  结  论

通过本项目的实施，我们可以归纳出基于全景图像的虚拟现实展示技术在旅游中应用具有如下特点：

（1）全方位：全面地展示了节点景致，可通过划动屏幕、鼠标、键盘等操作查看任意角度画面，仿佛置身于场景中，能给人以立体的空间感。

（2）真实的场景：全景场景均为现场实景采集，最大限度地保留了场景的真实性和时效性。特别适合用于旅游景点的展示。

（3）高解析度：采用无人机或全景云台所拍摄的场景一般为15张及以上多张图片进行拼接，使用PTGui拼接后能达到超过1亿个像素数据，具有足够高的像素满足展示的需求。

因此在旅游活动中，基于全景图的虚拟现实技术能够高清晰度展示景区的优美环境，给观众一个身临其境的体验，结合景区现有的导览系统及解说系统，可让观众自由穿梭于各景点之间，同时也可整合入景区现有的语音导览系统以及智慧旅游系统。该技术在旅游营销、丰富旅游体验、辅助旅游管理、旅游开发等方面都将发挥巨大作用。

參考文献：

[1] youkiaaa.全景拼接原理及实现 [EB/OL].（2019-03-31）.https：//blog.csdn.net/qq_37374643/article/details/88930316.

[2] 杨晗，唐珊，肖怡然.基于三维全景的虚拟旅游系统开发 [J].电子技术与软件工程，2019（22）：42-43.

[3] 常志英，崔维淼，刘群.基于全景技术的虚拟旅游系统的设计与实现 [J].河北工程大学学报（社会科学版），2019，36（1）：19-20.

作者简介：黄强（1969—），男，汉族，四川仁寿人，所长，副研究员，本科，研究方向：生态旅游;林宏贵（1982—），男，汉族，四川隆昌人，副所长，副研究员，本科，研究方向：生态旅游;石卿（1982—），男，回族，四川汶川人，高级经济师，本科，研究方向：人文旅游;刘少宇（1986—），男，汉族，四川德阳人，讲师，硕士，研究方向：虚拟现实技术、智慧旅游。