基于720°全景虚拟漫游下的校园场景设计与实现

王艺霖 ，俞晓宇

(1皖江工学院 艺术设计学院，安徽 马鞍山 243031；2皖江工学院 水利工程学院，安徽 马鞍山 243031)

伴随着近年来VR技术的迅猛发展，一些学者发现三维虚拟的效果能够营造出更好的视觉体验，720°全景的概念被提出和广泛应用。所谓720°全景，是一类视觉体验的水平视角达到360°，垂直视角达到180°，整体视觉体验上没有视角盲点的球面全景模型，这一概念的提出是为了区别常说垂直视角不足360°的180°全景，如手机自带相机中的全景模式，是通过保持在同一水平高度进行拍摄进行的相片合成处理。720°全景技术最早被应用于电子地图的街景呈现，也被称为VR地图，即在传统地图呈现的基础上增加了虚拟现实感[1]。

本研究以皖江工学院为研究对象，设计一套虚拟校园全景漫游系统，通过对校内景观的数据化处理与真实感渲染，实现对校内环境的线上观察与交互。虚拟校园全景漫游系统对教师、学生的一般事务处理，校园的推广介绍等项目具有较大的帮助。用户借助互联网可以身临其境地欣赏学校的全景，并且能够进行交互。

1 720°全景技术在校园漫游系统中的应用

5G互联网技术的应用和推广给数字经济带来更多可能，而我国高等教育的普及和建设，让高校校园有更多的机会展现在外界面前。通过虚拟校园的浏览形式，可以在外网查看到校园的景色，帮助学校树立良好的形象并对外宣传校园文化。校园虚拟漫游系统通过两种方式生成：一是通过 CAD 软件导入校园的平面图，再通过3Dsmax建模的方式进行渲染，即利用计算机软件来生成的虚拟校园的3D展示图。二是以全景图像采集方式得到的校园实景720°全景图，再经过后期加工得到更为真实的全景虚拟校园，供大家点击和浏览。然而3D建模存在着成本高、技术手段相对复杂等缺点。而全景摄影因为其成本低、生产过程相对简单，从而成为性价比更高的实用性技术受到广泛应用。随着相关领域技术水平的不断发展，全景摄影呈现真实场景的效果将会越来越好。

2 校园虚拟全景设计流程

本研究以皖江工学院为研究对象，提出720°全景技术下的虚拟校园漫游系统设计方案。

2.1 全景图像的采集和拼接制作

先用相机环360°记录几组照片，将其拼接成全景图像。用户直接使用手机调整观察的方向，实现全方位的现实场景还原，并在此基础上进行一定的交互，利用虚拟校园漫游系统全景浏览校园。拍摄过程中选择采用相机+鱼眼镜头+平移倾斜的拍摄系统，尽可能实现360°全景。在漫游系统后期的制作过程中，少量加工即可呈现更真实的漫游效果[3]。

图书馆是皖江工学院的标志性建筑之一，其整体采用钢筋混凝土框架结构，基础色为优雅的浅灰色，搭配以澄澈的蓝色。以直线型阶梯来取义“书山有路”，外立面简约雅致、和谐自然。图1为皖江工学院图书馆的图像采集和拼接图片，图像中可见前景草坪，图2是图书馆从正面直接拍摄的图像。

图1 皖江工学院图书馆的图像采集和拼接

图2 皖江工学院图书馆的正面图像

图像拼接和缝合主要是将360°的各个图片按照相机位进行拼接，拼接后，图片拼接边缘进行一定的加工，从而使得图片的拼接没有瑕疵[4]。具体制作过程如下：

⑴导入素材。打开PTGui，将原始材料添加到软件中。选择特定相机/镜头参数，对齐图像，软件将自动识别对齐全景。该软件的识别水平有限，只能拼接六个水平地图，因此地面图像需要手动添加。

⑵添加控制点。在每两个图像之间添加至少3个控制点。反复增添直到地图和水平图都存在链接。控件完成后，选择Optimizer选项并检查两个地图的视点以在运行优化程序之前更正视点。

⑶反复修改。继续增加控制点，重复上述操作直至完成拼接，也可以对图像进行后期的加工处理。

⑷导出全景图片。设置好相应参数，导出全景图，投影到模型内表面进行展览。

2.2 空中全景照片的制作方法

空中全景照片通过无人机多角度进行航拍，拍摄出的全景照片用PTGui缝合到全景图像中[5]。

⑴无人机保持一定高度。一般是50米到100米之间，这个高度不容易受到阻挡，可以更全面完整地呈现所要的场景。

⑵将无人机的万向节视角设置为水平。为方便拼接，需要控制水平旋转操纵杆旋转360°。每45度拍一张照片，确保每张照片有20%的重合。

⑶将UAV平移/倾斜角度向下调整为45°，用上述方式拍摄至少8张照片，保持与水平方向夹角对齐。

⑷将遥感拍摄/倾斜调整到90°。基准面垂直地面，形成基准面成像。

⑸在全景化软件PTGui中引入至少17幅相同场景的图像，且全景图像可以在其他处理类别中连接。

⑹进行图像拼接后，仍有元素尚未捕捉到，原因是无人机视角有盲区，造成天空的呈现残缺。此时为保证环境要素的充分呈现，需要后期修图进行加工处理。

2.3 系统的构建框架

为了创建虚拟校园全景漫游系统，使用PanoO2VR，创建单个场景的漫游，并“修补”每个场景。通过创建的皮肤，用创建“热点”的方法来加载所有漫游在一起的单个场景。在后期处理中，附加注释、地图、背景音乐等元素，将这些要素作为虚拟校园全景漫游系统的重要载体[6]。

创建“皮肤”之前，要创建所有单个场景并连接原始“热点”，在Pano2vr的皮肤编辑器中制作“Skin”。通过增加功能图标，更好地满足用户对使用体验的需求，从而彰显实用性与个性化。整个设计过程，用户可以个人设计，使用自带模板，也可以从外部下载并导入。

2.4 全景系统选择与应用

只要将处理好的全景图片提交，对各场景进行拼接等一系列操作，用户可以成功创建漫游系统。720云是国内具有大量用户的全景互动平台。其凭借管理过程简单，所需投入成本不高等特点受到大众青睐。全景漫游系统可以将多个全景场景与图片、视频、音频或文本描述连接起来。借助720云大数据云服务，创建的全景图被上传到云端甚至世界各地。全景漫游提供的虚拟现实漫游，用户足不出户即可欣赏各个景点，或者观察建筑外观与周边环境[7]。表1从表现效果、成本投入、互动性、制作周期、信息量这几个维度，对比全景系统与传统的图片、视频、3D动画之间的表现方式差异。

表1 全景系统与传统表现方式对比

2.5 全景系统的交互体验

全景漫游制作主要是链接每个场景,组成一个实景地图。制作每个场景的链接后，设定初始视角。添加热点到全景开关中，可以链接每个场景，并进行动画模式和链接图标的选择。场景链接成功即可发布。切换效果时，通过热点之间的转换，从而使用户实现场景之间的转换。为了保证顺利自由切换，要注意所有的热点都是可退出可到达的，在测试环节检查并修复漏洞[8]。每个热点的功能设置完毕后，预览全景效果，测试交互效果并进行问题的分析与修复。还可以插入MP3格式的音频，作为场景或全景的背景音乐。全景图上传后可以在线发表，或发表到社交软件，使作品获得更大的曝光度。

2.6 校园全景漫游系统的整体发布

本文讨论的720°全景漫游模式，用于皖江工学院全景漫游系统。对校内基本景观及周边环境合成三维虚拟全景，提供单个场景的交互式漫游。手动控制漫游可以任意改变视角与场景，点击下面的场景缩略图，查看三维虚拟全景[9]。将屏幕上下左右移动可以查看鱼眼相机图片生成的当前位置校园的球面全景(图3)。通过移动下面的每一个区块能够快速定位到皖江工学院校园的每一处，图4为全景视野下的皖江工学院校园。

在全景校园漫游系统的实践中，后期的优化可以围绕许多方面展开。例如，在全景漫游的基础上加入校内导航指引功能，包括对食堂每个摊位的定位及对图书馆每个功能分区甚至书籍的定位，从而使用户在全景漫游中，可以精准地选择与到达自己的目的地。该系统除了为本校同学提供便利，也利于校外人士在使用中快速提升与本校的亲切感，增强学校对外展示能力。

图3 未展开的皖江工学院全景漫游系统球面全景

图4 全景视野下的皖江工学院校园

在招生宣传方面，基于网络的全景校园漫游系统也具有其他传统方式所不具有的宣传效果。在校园的硬件设施布置、设计与规划方面，在全景校园漫游系统的加持下一切将变得更加高效且容易。手机端在使用该系统时，通过感应重力的方向调整呈现的角度，可以带给用户完美的体验。另外，校内可以专门组建学生团队负责系统的优化与更新，例如内容可以不断更新，做到高度实时化，尤其是在学校举办大型庆典或者学生社团举办活动时，将相关内容糅合进全景虚拟系统，进行一个更加富有特色的宣传。

2.7 校园全景漫游系统界面艺术优化设计

为了追求更强的真实感、互动感及美感，需要对校园全景漫游系统界面进行改进。校园全景漫游系统界面首先应当与学校的学风校风相符，具备学校的独特风格。借助学校VI视觉体系，做到界面风格与办学特色融合，这样一来，用户可以在使用时体会到校园的办学理念与人文精神[10]。其次，可以适当添加背景音乐与动态图片，给用户带来满意的视听效果，使其点击全景图时的动态观景效果更加真实，达到更好的宣传推广效果。此外，后期的优化设想中加入红包雨，让人们点击进入的时候界面不定时的发放红包雨，增强互动性的同时又可以在朋友圈里推送，起到宣传学校的作用。

3 结语

相比3D建模，全景摄影具有成本低、生产过程相对简单等特点，使其成为一种更加实用的技术而被广泛使用。而全景摄影及校园漫游的方式正迎合了当下互联网时代的数字化大潮。如今，智慧城市、数据化时代等概念不断成为人们关注的热点，而虚拟实景校园更是将VR与互联网结合起来的一种巧妙运用。同时，它也将成为各个城市打造智慧城市、未来城市的重要环节。随着网络技术的发展，全景摄影仍是真实场景的高效显示方式。该系统将校园风景进行数字化处理从而逼真绘制，使浏览者实时体验校园三维漫游。今后学校对外的展示、推广与宣传除了图文等传统方式，更有了虚拟校园等形式的新型宣传方式，展现学校情况能够更加立体、直观、可感。这种互动的方式让学校的宣传方式更加的广阔，让更多的人了解并参与其中。