全景漫游制作方法及关键技术研究

车 森,杨 辉,葛 磊,陈晓慧

(信息工程大学,河南 郑州 450001)

全景图(panorama)是一种运用数码相机进行多角度环视拍摄，然后进行后期处理实现的三维虚拟展示技术[1]，是虚拟现实技术的主要研究方向之一[2]。全景图一般以摄影图片直接制作而成，具有现场真实感强、播放要求配置较低、开发周期短/成本低、导览性/交互操作性强、图像画质更高、数据量小，适合网络观看等优点[3], 全景图通过多角度多方面三维视觉大幅提升地图的实景效果。因此，近年来如何将全景图加入地理信息系统成为地理信息领域的热点研究内容[4]。

全景图根据其外在表现形式分为柱面全景和球面全景两大类[5]。球面全景是目前最常用的一种全景图，球面全景照片的宽高比为2∶1，包含了360°×180°视角空间，宽度对应水平方向的360°，高度对应垂直方向的180°。这种全景图就是“矩形球面投影”型的全景图。全景图一般是由相机拍摄，然后后期利用专门软件拼接而成，随着技术发展，目前市场上也有很多专门拍摄全景照片的全景相机，一键拍摄并合成全景图。

目前对全景图的研究主要集中在两个方面：一是全景图像拼接方法研究[6-10]；二是三维全景技术与电子地图进行集成，主要运用页面镶嵌的方式实现电子地图与全景数据的融合，构建相应的信息系统[11-16]，主要将全景图作为地理要素的多媒体进行查询以及增强可视化效果。

本文对全景图像拼接不做深入研究，主要针对拍摄好的球面全景照片，使用相关工具制作全景漫游，实现全景图热点链接，并实现全景漫游、地图联动和在全景图上进行测量。

1 技术流程

文中技术流程如图1所示。

图1 整体技术流程

2 全景漫游制作

2.1 全景漫游制作工具

目前主流的全景漫游的制作工具有：Pano2VR、Krpano、基于Krpano内核制作的工具(软件)或平台(网站)等。

Pano2VR是非Krpano核心流行的全景漫游制作工具，界面化设计，不需要编程，但只能生成简单的漫游，无法实现个性化的全景漫游设计。

Krpano是一个小型的全景漫游制作软件，主要用于在Web端显示各种全景图像，可以用于非常详细的高分辨率图像、交互式虚拟漫游、自定义设计的用户界面以及其他用途，是一个优秀且强大的全景漫游制作工具， Krpano的使用比较方便，简单拖拽生成具有基本功能的全景漫游作品，若增添其它功能，需要自行开发[11]。

基于Krpano内核制作的工具，是在Krpano核心基础上制作界面化的软件或系统，如全景客、全景旅行者、720云、得图云等，这些工具实现Krpano界面可视化，具有友好的操作界面，使不具备编程基础的用户也可以使用Krpano的技术制作全景漫游。这些界面化的Krpano工具，功能基本上大同小异，用户群体多是我国商业用户、摄影师或是三维建模工程师，可以较低门槛、较少花费地步入全景行业。

鉴于kprano的开放性，提供的接口易于扩展，能更好地实现全景漫游制作及与三维GIS的集成，选择Krpano作为全景漫游的制作工具。

2.2 全景图数据预处理

制作满足地图定位和视角同步要求的全景漫游需要两个条件：全景图需要有GPS坐标信息；全景图必须与虚拟北方向对齐，即包含正确的EXIF GPSImgDirection 属性标签。每个全景图分配GPS坐标，可以使用LightRoom的Map选项卡将全景图放置在地图上(使用GeoSetter程序来同步全景图坐标和GPS轨迹信息，将其写入EXIF GPSLongitude和GPSLatitude 属性标签)。

如果照相机到每个全景图的中心与照相机到真北方向有一个恒定的方位，那么全景图能正确地对齐。全景图中同样的虚拟北方向对制作全景漫游来说是非常重要的。如果全景图没有相同的虚拟北角度，需要使用工具将此信息添加到EXIF GPSImgDirection属性标签，如图2所示。

图2 全景图虚拟北方向调整

2.3 全景漫游制作

要实现全景漫游，需要将各个全景图(每个全景图是一个场景)根据地理位置通过热点“串联”起来，这样才能从一个场景切换到别的场景，继续浏览观看，单纯切换场景，通过缩略图或导航图的方式实现，但最符合习惯、最便捷的方式还是通过热点链接的方式切换。

本文使用第三方插件Autogarrows-For-Krpano来实现全景图的热点链接，它可以根据GPS坐标位置自动创建导航。

全景图的串联有两种方法，一是通过搜索半径(Search_Radius)实现，半径范围内的全景将被视为邻居，并将被链接。需要注意搜索半径的设置，过大可能无法生成热点链接，过小可能导致过多的链接，如图3所示。

图3 通过搜索半径链接全景图

第二种是通过搜索区(Search_Sector)实现，搜索区以度为单位，其中最近的全景将被视为邻居，并将被链接。如果定义搜索区，那么每个场景周围的360°空间将被扇区分割，每个扇区中只有最近的全景将被视为邻居并被链接。如图4所示，在这种情况下，Search_Radius将被忽略。

图4 通过搜索区链接全景图

需要注意的是这两个关键参数的大小不是恒定的，需要根据实际的数据情况来动态调整，所以制作全景漫游的时候经常需要把数据分成多段，然后通过手工微调的方式去完成。制作完成的全景漫游如图5所示。

全景漫游制作完成后，进行身临其境的浏览。全景漫游制作过程中，针对不同的显示效果需求，涉及到的细节较多，比如热点的位置和样式、补天/地、场景加载的显示视角、场景切换的过渡效果动画、视角限制、投影选择、VR、重力感应陀螺仪等等。

图5 全景漫游图

3 全景漫游和地图联动

全景漫游制作完成，实现与三维地图的联动，首先要把它嵌入到页面里，使用它和html、js交互。Krpano使用简单的xml文本文件来存储Krpano查看器的设置。Action是Krpano小型的、简单的动态脚本语言。通过Krpano多种方式进行定制。

页面加载全景漫游后，可获取全景漫游里场景的相关信息，根据当前场景的坐标以及视角在三维地图上标绘场景点和雷达扇形面，并缩放定位到指定位置，在全景漫游中通过交互改变场景视角远近，切换场景，在三维地图上同步场景点位置和雷达扇面的形状和位置，如图6所示。

图6 全景漫游与地图联动

实现原理：通过计时器实时自动获取全景漫游的操作返回的视角参数，重绘地图上的点和雷达扇面。通过全局变量Krpano可得到当前场景的视角大小参数fov和水平方向视角中心的角度坐标hlookat，同时根据照相机到场景(全景图)的中心点连线与照相机到正北方向的夹角数据(这个包含在全景图EXIF属性里)，准确地计算出三维地图上扇面的方向信息。

如果全景图未提供这个角度信息，则面向中心点的方向指向地图向正北方向。这要根据全景图的实际情况来确定，否则扇面的方向是错误的。

4 在全景图上实现测量功能

全景图本质上是一张二维平面的照片，虽然包含位置信息，但是单靠一张全景图片是无法进行空间测量的，进行测量时，需采取一些方法才能完成。实现方式不是唯一的[17-18]，文中依托实际的三维模型数据来辅助完成全景图的测量。

测量原理：通过在全景漫游上标记得到的点位置投影到实际三维模型的相应位置，然后在三维模型完成量算。

测量过程步骤如下：

1)利用全景图像上的像点坐标(u,v)，在倾斜三维模型的辅助下计算相应的地面三维坐标(X,Y,Z)。像点坐标系的原点位于图像左上角点，x轴向右(指向列数增加的方向)，y轴向下(指向行数增加的方向)。u为列坐标，v为行坐标。获取该图像对应的EO数据(XS，YS,ZS,ω,φ,κ)，其中(XS,YS,ZS)为全景图像球心的位置，也是所有光线的起点，(ω,φ,κ)为全景球体参考坐标系在地面坐标系中的姿态角。构建旋转矩阵R：

(1)

图7 全景图面积测量

2)计算像素点对应的球体坐标(经度θ、纬度ψ):

(2)

式中：W和H为全景图像的宽度和高度。

(3)

光线的起点为S(XS,YS,ZS)。

3)任意设定光线长度，例如ρ=20 m，计算光线上另外一点A的坐标：

(4)

5)求出空间多边形面积，根据多段线的坐标计算长度。

以计算多边形面积为例，在全景图(见图6)中使用鼠标绘制多边形的4个顶点，通过上面的计算得到三维地图(见图7)中的4条光线(绿色射线)，原始数据坐标系需要转成WGS84，然后才能在三维地图上显示。

S为起点，依次计算射线与三维建筑模型的交点(红色点，4)，交点的计算需要通过碰撞检测实现，射线与三维场景碰撞，碰撞到3D瓦片模型，得到第一个碰撞结果，返回碰撞的模型和位置信息，如果未检测到碰撞则返回。

最后再计算空间多边形的面积，得到最终的结果，见表1。

经过多次量测实验，长度量测相对误差基本上在0.5%以内，面积量测相对误差基本上在1%以内，误差的大小很大程度上取决于用户在全景图上选取点位的准确性，如果点位选取准确，全景图上的量测精度可以满足大多数用户需求。

表1 面积测量结果

5 结束语

全景图因其真实感强、数据量小等优点，成为虚拟现实技术的主要研究方向之一，本文利用全景漫游制作软件krpano，实现全景漫游的制作及其与三维地图的联动，依托三维模型数据辅助完成全景图的测量方法，用户可直接在全景图片上用鼠标点击来测量距离和面积，体验更加直观形象，但更复杂的分析功能还需进一步研究。