全景漫游技术在外场阵地场景展示中的应用

肖 琪，郝耀峰，周立新，肖艳青，陈思兵

(中国人民解放军63726部队，宁夏 银川 750004)

0 引言

随着虚拟现实、图像处理以及计算机技术等相关领域的进步，全景漫游技术迅速发展并逐渐在各行业流行。全景漫游技术具有交互性好、沉浸感强、可视化程度高等特点，有效地弥补了传统展示手段单一、信息含量少、真实感差等缺陷，并满足了目前虚拟展示领域的基本交互要求，在旅游、校园文化、建筑以及军事等众多领域获得广泛应用[1-6]。阵地勘测是航天测控领域构建和组成测控网络“统一战线”的必要前提，过程中需要观测及采集大量的阵地信息，勘察结束后，如何将所需信息全面且真实地展示是值得研究的问题。为此，本文将全景漫游技术应用至外场阵地勘测中，提出了一种阵地信息展示的新方法，既逼真地演示了阵地的三维场景，又具体地呈现了阵地的必要信息，达到了“不在阵地却身临其境，不知阵地却一目了然”的效果。

1 全景漫游相关技术简介

1.1 全景图拼接技术

全景是指通过宽幅或全景摄影设备，均匀旋转360°或一次拍摄合成获得的一组符合人眼正常有效视角乃至540°完整场景范围的照片[7]。全景图像的拼接是对拍摄得到的部分重叠的图像样本生成全方位图像的处理方法。全景图像拼接主要包含图像配准和图像合成2个过程。图像配准是指通过对一组图像进行特征搜寻和特征匹配等处理找出待拼接图像重叠区域的过程；图像融合则是对图像进行空间叠加(卷积处理)达到增加信息量、消除拼接痕迹的过程。除此之外图像拼接还涉及亮度补偿、全景投影变换等过程。与普通图像相比，拼接后的全景图像具有视角范围大、立体感强、信息含量多等优点[8]。全景图像拼接的基本流程如图1所示。

图1 全景图像拼接基本流程Fig.1 Basic process of panoramic image mosaic

1.2 场景漫游技术

场景漫游是通过计算机技术生成具有文字、图像和视频等动静态功能结合的三维虚拟图像环境，浏览者可在全视角图像环境里进行场景切换，模拟观察不同的场景，并获取相关信息，达到“身临其境”的效果[9]。

目前，实现该技术的途径有2种[10]：一是基于三维建模的方式，先利用复杂的数学计算建立三维场景模型，然后通过纹理或者渲染的方式来增加环境的真实性；二是基于图像绘制的方法，用经过特定投影方式的全景图像构建虚拟场景环境，通过在实景中添加箭头等跳转指示标识实现场景之间的漫游。

由于图像绘制方法不需要构建场景模型，工作量小，占用资源少，直接利用真实场景图像构建漫游，易于实现。本文就是采用第2种方法来实现场景漫游。

1.3 HTML技术

Hyper Text Mark-up Language(HTML)是一种表示页面内容及样式的语言，是设计web页面的基础[11]。全景漫游制作完成后通过软件转换输出成HTML格式的网页，用户可通过手机、电脑等设备随时随地观看漫游图像。

2 全景漫游设计及实现方法

2.1 阵地全景漫游的功能需求

全景漫游在设计实现过程中需满足用户的三维视觉体验需求，保证呈现效果的完整性与真实性，要具备场景的放大缩小、多样化的信息展示和导航等基本人机交互功能，为用户提供便捷操作体验。通过阵地三维全景漫游与传统的文字、图片和视频等信息的融合，使阵地场景展示更加直观与真实，在设计制作时主要实现以下具体功能：① 可自定义布局；② 场景切换和跳转；③ 文字、图片、声音等信息展示；④ 场景缩放及旋转；⑤ 可添加导航或地图等。

2.2 全景漫游的设计制作工具

图像素材采集工具：Obsidian S全景相机；

图像处理软件：全景云台/Photoshop CS5；

全景图拼接软件：Kandao Studio软件，该软件为全景相机自带拼接工具；

漫游制作软件：Kolor Panotour；

其他辅助工具：电脑、单反相机、智能手机和三脚架等；

需要说明的是，合理地选择拍摄工具能够最大限度地发挥各设备的优势，获取高质量、全方位的图像信息[11]。拍摄全景时，选用专用的全景相机既能避免普通单反相机取景复杂且耗时长的缺陷，极大地提升取景效率，又能提高后期图像的拼接质量，为阵地勘测工作提供便利。

2.3 全景漫游的实现方法与流程

在进行阵地勘察时，为了实现阵地的全景漫游需要做好以下准备工作：实地了解阵地的人文环境信息，根据阵地勘察规范将所需勘测要素考虑周全，参考漫游场景的功能需求并制定详细的取景计划，提高勘点效率。阵地全景漫游展示的构建主要从图像信息采集、图像处理、全景图拼接、全景漫游制作与展示4个方面进行。其实现流程及相应途径如图2所示。

图2 全景漫游实现方法与流程Fig.2 Implementation method and flow of panoramic roaming

2.3.1 图像信息采集

阵地的场景图像采集主要通过Obsidian全景相机获取。该相机由均匀分布在360°范围内的6个鱼眼镜头组成，每个镜头覆盖185°图像视角，保证了充分的图像重叠信息，有利于全景图拼接效果。相机视角及成像效果如图3所示。

图3 相机视角及成像效果Fig.3 Visual angle and imaging effect of panoramic camera

成像效果接近人眼视觉特征，形成水平360°，垂直180°方向的场景图像。在拍摄前将三脚架调至水平保证相机平稳可靠，对同一场景可拍3～5组图片，供后期图像拼接时进行筛选。全景相机一次拍摄生成的6张鱼眼图片如图4所示。

图4 全景相机一次拍摄的鱼眼图Fig.4 Fisheye pictures shot by panoramic camera at a time

另外，取景时可用单反相机对场景中的重点环节或要素进行细拍，作为漫游中细节展示的图片素材，丰富阵地全景漫游信息展示。

2.3.2 图像处理

图像处理主要是针对质量较差的场景图片进行在线或离线的处理方法。离线方法是通过Photoshop软件对采集的图像进行包括畸变处理、图像校正和杂物消除等后期处理，以确保图像清晰、构图匀称，同一场景及同一物体色调柔和相似，提高图像拼接及场景漫游展示效果；在线方法是利用全景相机的在线云台进行的实时处理，通过无线WiFi将智能手机与相机相连，实现在全景云台中全局或单独控制镜头ISO、曝光值等参数，从而获得清晰和高质量的场景照片，提高图像处理的效率。

2.3.3 全景图拼接

全景图合成在相机自带拼接软件Kandao Studio上完成，它能自动识别存储设备中同一时刻拍摄的6张鱼眼图片，并对图像进行智能匹配对准，操作简捷。因全景相机相邻镜头获取的图像重叠面积达到50%以上，所以拼接时图像的特征点匹配和融合更加快速和精准，合成一张全景图的时间在10 s以内。同时该软件还具备简单的图片优化以及分辨率选择等功能。

2.3.4 漫游构建及展示

Panotour是一款便捷、易操作且交互性较强的虚拟全景漫游制作软件。它可以对单一场景或场景集进行漫游构建，创建用户交互按钮以及热点跳转，将场景的概貌和相关信息直观地利用文字、图片等形式呈现。软件主要由全景图输入、漫游编辑、样式设置以及漫游的构建和输出4个功能模块组成，能实现场景跳转，视角缩放、旋转，全景导航，文字、图片和视频添加，自定义布局和热点样式等功能。此外，Panotour还具有线下处理和离线浏览的功能，漫游编辑完成后软件将以HTML网页形式进行预览或发布。

2.4 关键环节分析

在全景漫游设计与实现过程中经常会出现全景图扭曲或拼接错位等问题[1]，这些问题将很大程度地影响后期全景漫游的演示效果。因此不管是在全景图像拍摄阶段，或是在后期图像处理和筛选过程，都不能忽略任何一个影响图像质量的环节，这也是全景漫游制作的关键点及难点。否则，一旦全景漫游生成后，在任何一张全景图像上做更改都需要对场景漫游中的热点跳转等关联动作进行重新编辑。

3 外场阵地全景漫游展示

根据上述实现方法和流程，选取新选外场阵地的实地勘测作为全景漫游的展示实例。总体方案为：采用Obsidian S全景相机采集全景图像信息，全景云台在线处理图像，Kandao Studio软件进行全景图片合成，全景图像PS处理，Kolor Panotour 软件构建全景漫游，网页浏览器(HTML)用于漫游场景的演示。具体步骤如下：

(1) 阵地勘察，图像信息采集。依据勘点规范要求，在进行阵地实地勘测过程中需采集关键信息包括场坪基本情况(避雷接地、遮挡情况)、方位标位置、远场信标位置和路况等。阵地勘察时规划的图像采集点共有5个，包括阵地主场坪、方位标1、方位标2、转弯路口和远场信标。按取景计划依次拍摄这些位置的全景图以及关键位置或要素的细节图。在采集图像时，通过手机连接全景相机的方式在云台中对图像进行在线处理；另外，为方便阵地场景漫游游览和提升可视化效果，将阵地及其周边卫星云图在本地保存并自定义成导航地图，如图5所示，在图中标记阵地场景位置，再通过添加热点的方式在导航图中实现对各个位置全景漫游的自主切换。

图5 自定义阵地导航图Fig.5 Image of customized site navigation

(2) 全景图像的拼接与后期处理。Kandao Studio软件的拼接功能简单高效，且能保证素材输出的质量。在拼接时，将重力校准、消除色差和优化天顶等图像处理功能勾选上，对合成后的全景图，可自由选择输出图像的分辨率及格式，分辨率最高可选7 680 pixel×7 680 pixel。拼接后阵地场坪中心处的全景如图6所示。再利用PS软件对全景图中的人物进行消隐处理后即可作为全景漫游编辑的素材，如图7所示。

图6 阵地场坪全景Fig.6 Panorama of site field

图7 人物消隐后的阵地全景Fig.7 Panorama of site field after characters elimination

(3) 全景漫游的设计与制作。Kolor Panotour能够提供离线且便捷的全景漫游实现途径，该阵地有5个位置点，漫游热点及路线相对复杂，在进行漫游编辑前需进行详细的规划，并根据勘点规范中的勘测要素对勘察结果进行展示。全景漫游生成后的阵地场坪处小行星效果截图如图8所示，小行星效果结束后阵地全景漫游首页如图9所示。

图8 阵地全景漫游小行星效果Fig.8 Planetary effect of panoramic roaming at the site

图9 阵地全景漫游首页Fig.9 Home page of panoramic roaming at the site

图中右下角为自定义导航地图，单击地图中的热点能够实现场景跳转和显示；漫游右上角文字框内有阵地基本信息介绍，场坪水泥地左侧有一处接地地阻的图片热点，单击可实现图片放大并显示相应细节信息，如图10所示。图片大小可在编辑时自行定义；图中黄色箭头代表跳转热点，实现向导和漫游切换功能，热点的跳转内容可进行自定义设置；通过操作鼠标或左下角的控制按键，可实现场景的缩放和旋转；在图中正下方设有预览阵地所有场景的缩略图。当点击左上方箭头时，漫游场景从当前场坪位置跳转至方位标2位置，如图11所示。

图10 场坪接地地阻细节Fig.10 Detail image of grounding resistance at the site field

图11 方位标2处全景漫游Fig.11 Panoramic roaming of azimuth point 2

(4) 全景漫游的输出与展示。上述全景漫游的输出与展示均为离线条件下通过本地浏览器实现，当需要在其他设备上进行演示时，可将软件输出的HTML格式文件进行本地保存，再放到网站服务器上生成地址即可浏览。此外，通过iframe框架还能实现全景漫游的网页嵌入及线上发布。

4 结束语

针对外场阵地场景展示提出了一种基于全景漫游技术的新演示方法并在阵地实地勘测中得到实践。该方法主要利用全景相机获取阵地图片素材，再通过全景拼接及场景漫游制作生成漫游图，最终在网页中实现外场阵地的浏览与三维展示。形成的“虚拟阵地”提供了外场阵地环境及基本设施最直观的表现形式，方便了用户对阵地信息的访问与了解，使得阵地勘测情况的展示更加数字化、虚拟化及信息化。该方法不仅简便实用，还具有进一步的推广或扩展价值，主要有：

① 可把所有阵地的场景漫游制成一个有序集合，然后嵌入到单位网站或以单独页面显示形成外场阵地信息库。

② 可将该方法应用到测控设备中，制作出设备的全景漫游图，并融合相关的设备信息，达到信息展示与学习训练相结合的目的。

③ 可利用web开发技术研制出相应的全景漫游系统实现一键式的漫游制作[12-15]。