基于全景技術的測繪虛擬實驗室展示與實現(xiàn)

陳潤靜　鄧健　何原榮　潘火平

摘要全景技術是一種基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實技術，本文將360°全景技術應用于測繪工程專業(yè)實驗室管理建設，基于造型師、造景師相關軟件對測繪實驗室設備及實驗環(huán)境進行全景建模，最后，利用漫游大師平臺，設計并開發(fā)了實驗室場地環(huán)境漫游及設備儀器展示系統(tǒng)。

關鍵詞360°全景測繪工程實驗室儀器展示系統(tǒng)

中圖分類號：G482 ? ?文獻標識碼：A ? ?DOI： 10 16400/j .cnki.kj dk.2021. 11 .058

0引言

測繪工程對學生的實踐能力有著較高的要求，教學科研中涉及的測繪儀器種類多且精貴，特別是近年來隨著現(xiàn)代測繪新技術的發(fā)展，無人機、無人船、三維激光掃描儀等高精尖測繪設備的出現(xiàn)，測繪工程實驗室在日常教學、科學研究中的管理顯得更為重要，一方面要提升儀器設備的使用效果，另一方面又確保儀器操作、管理的安全性。360°全景技術是將相機拍攝的照片通過專門軟件合成全景圖，在其上添加視頻、音頻等元素，模擬形成三維空間的真實場景，通過人機交互的方式達到虛擬現(xiàn)實功能。本文嘗試將360°全景技術應用于測繪工程專業(yè)實驗室管理建設，建立儀器設備、實驗室環(huán)境的全景模型，實現(xiàn)三維可視化展示。該展示平臺可以輔助日常實踐教學，方便學生利用課余時間對儀器設備進一步認識學習，提升實踐操作能力，同時，對加強測繪實驗室儀器設備的開放管理具有一定的促進作用和現(xiàn)實意義。

1基于造型師的測繪儀器設備360°全景建模

1 1拍攝方法

通常的場景拍攝是將相機固定在三腳架上的全景云臺，通過調整云臺實現(xiàn)360°旋轉相機，記錄下以三腳架所在位置為中心的周圍畫面。對于測量儀器設備的360°全景拍攝，該方法較為復雜，在實際操作中，巧妙的借助硬件轉盤，即將測繪儀器放置在轉盤上，進行360°旋轉，保持相機位置不動，即可完整記錄儀器360°的畫面，該方法實現(xiàn)起來容易操作且拍攝效果好。

具體的拍攝方法是：首先安置三腳架，調整使水準氣泡居中使其處于水平狀態(tài)，之后安置全景云臺，采用10.5mm的魚眼鏡頭與尼康D300s搭配，利用全景云臺和三腳架支撐，完成硬件設備的搭建，將其固定在較平穩(wěn)的位置。固定好相機后，選擇合適的高度安放轉盤，將實驗設備放置于轉盤的中心位置，調整相機參數(shù)直至拍攝效果達到最佳，轉動轉盤，每300拍攝一張全幀魚眼圖片，總共拍攝12張，利用造型師將所拍攝的照片按不同幀拼合在一起，達到可以旋轉360°觀察設備的效果。

拍攝過程中需注意以下問題：

（1）拍攝時間地點。選擇上午10-11點間進行拍攝，將測繪儀器設備置于室內，保證不同角度的亮度和對比度。采用無影燈拍攝，便于開展后續(xù)拼接工作。

（2）背景準備。對淺色物體宜用深色背景，反之亦然，這樣才能使物體從背景中顯現(xiàn)出來，節(jié)約后期圖像處理的耗時。

（3）曝光值。在相同的環(huán)境下保證拍攝對象的連續(xù)性，采取相同的曝光設定進行各張照片的拍攝，同組照片在拍攝過程中應保持光圈、變光圈、速度、分辨率與其他設置一致，此外還應固定白平衡，防止色調變化。

（4）重疊度。拍攝時保持相機位置不發(fā)生變化，按順時針方向每隔300拍攝一張，相鄰兩張照片要有足夠的重疊度，便于后期拼接處理。

1 2多媒體素材獲取

添加多媒體素材可使輸出界面更加豐富美觀，素材可從互聯(lián)網(wǎng)上直接下載，亦可運用相關軟硬件自行制作。目前使用最為廣泛的基礎多媒體素材主要有下列五類：

（1）文本。容易處理、占用空間少、方便輸入與存儲的特點使文本成為最直觀、應用最多的一種多媒體表達方式，在360°全景中用文本來顯示標題、菜單等內容，對添加的熱點作適當?shù)拿枋?，簡潔易懂?/p>

（2）圖像。圖像通過畫面化抽象為具體，表達大量信息，是決定視覺效果的關鍵因素。360°全景中添加的熱點可以是指示性的圖標，例如上下左右的箭頭指向、播放暫停符號等，讓人一目了然。

（3）動畫。動畫是在圖像基礎上的升級，利用視覺暫留特征.通過快速播放時序相連的圖形圖像，具有表現(xiàn)力豐富的特點。事實上360°全景技術就是基于全景圖的一種特殊動畫形式。

（4）聲音。獲取聲音素材的方法有利用現(xiàn)有素材和自行錄制兩種，常用的聲音處理軟件有CoolEditor、GoldWave等。聲音在360°全景中最直接的應用就是添加背景音樂。

（5）視頻。視頻由連續(xù)的畫面組成的，具有時序性。以鏈接的方式可以將視頻插入到360°全景中去，使界面更加豐富多彩。

1 3基于造型師的360°全景建模

（1）運行杰圖造型師3 00軟件，單擊工具欄“文件”，選擇“打開圖形文件”，彈出對話框，選中拍攝好的12張儀器照片，將其導入軟件。

（2）導入文件后，軟件會彈出“定義圖像區(qū)域”的對話框，按照需要選擇合適的范圍，然后點擊“確定”進入下一步。

（3）選擇工具欄“輸出”下的“預覽360°物體”，彈出對話框，可以選擇缺省大小或自己定義播放器的寬度及高度，點擊“確定”即可實現(xiàn)預覽功能。

（4）預覽完成后，選擇選擇工具欄“輸出”下的“輸出360°物體”，彈出“發(fā)布”對話框，勾選發(fā)布的格式，選擇輸出路徑，設置其他相關參數(shù)，最后完成發(fā)布。

1.4建模效果分析

360°全景技術的圖片來源于實地拍攝得到的真實照片，通過對圖像的透視處理來實現(xiàn)三維立體的效果，再現(xiàn)實際模型和場景。一般圖片無法給人以立體感，并且視角范圍有限，僅通過一張圖片不可能看清儀器的各個部位，而通過造型師建立的經(jīng)緯儀模型有360°的視角，更形象生動地展示儀器的構造。此外，由于360°全景技術特有的互動式體驗，用戶可通過移動鼠標的操作對真實場景進行上下、左右、前后拖動觀看，還可通過鼠標滾輪放大、縮小場景，這樣的方式使得原本枯燥的學習變得更有意思，激發(fā)學習者的興趣。

從立體感和沉浸感角度出發(fā)，三維建模并不會遜色于360°全景，但是若希望達到十分逼真的程度，建模過程需要投入大量的時間與財力。而360°全景制作過程相對方便，數(shù)據(jù)量小，對計算機系統(tǒng)要求相對較低，適合在多種終端上運行，具有較高的性價比。

2基于造景師/漫游大師的測繪實驗室環(huán)境360°全景建模

2 1整體建模與系統(tǒng)集成

2.1.1路徑規(guī)劃與照片采集

結合測繪實踐教學的實驗場地和實驗室位置，建立通往廈門理工學院測繪實驗室的沿途全部場景，真正達到全方位無死角。場景建模的首要步驟是采集場景照片信息。在漫游路徑圖上的每個站點找到合適的位置架設三腳架，將全景云臺、尼康D300s與10.5mm魚眼鏡頭全部搭配到位，先選擇主場景拍攝一張，然后順時針旋轉相機，按水平分割每600拍攝一張全幀魚眼圖片，環(huán)繞拍攝一周共6張，再將單反對準天空拍攝天頂，每個場景至少獲取7張照片。拍攝過程中要使相機準確可靠定位在同一中心點上，避免照片錯位導致連接時出現(xiàn)較大偏差。同時要注意室內室外的光線差，相應地對相機參數(shù)進行設置，盡量避免拍攝到移動的人群、車輛等，從而增加后期處理的難度。

2.1.2后期處理與設計

將同一場景的7張照片導入造景師軟件，在相鄰兩張照片的重疊部分選擇至少3個同名像點，像點選擇要遵循均勻分布的原則，從而完成進一步優(yōu)化，使拼接工作更加順利。如果場景數(shù)量比較多，可以使用批量處理功能，軟件自動完成拼接。全景圖生成后將其導出軟件，利用Photo-shop把地面部分放置三腳架造成的照片黑洞處理掉，對全景圖深入美化后保存。

在漫游大師軟件中新建工程，展示的界面可以選擇系統(tǒng)提供的模版，也可按照自己的喜好設計，通過添加按鈕，賦予它相應的功能，如放大、縮小場景，上下左右旋轉場景等，按鈕的形式包括文字、圖片等。加載處理后的全景圖，按照漫游路徑樹狀圖將各個場景排列好，在場景上添加熱點，設置相應的動作和文字說明，實現(xiàn)場景到場景的鏈接，熱點的形式也可以是各種多媒體素材。根據(jù)需要在界面設計放置背景音樂、相關動畫、視頻介紹等，使輸出界面多元化。

在測繪實驗室漫游系統(tǒng)設計中，將儀器展示嵌入到場景漫游中，使用戶在同一界面內既可以實現(xiàn)前往實驗室的虛擬漫游，又可以觀看測繪儀器的360°展示。通過界面下方的縮略圖可以輕易l刀換不同場景，查看不同儀器，如圖1所示。

2.1.3系統(tǒng)發(fā)布

可供選擇的發(fā)布格式有Flash VR（HTML）、exe、SWF、HTML5，方便在各種終端上運行。多媒體光盤容量大、成本低、攜帶方便、操作簡單，是一種廣受歡迎的信息存儲載體。將測繪實驗室漫游與儀器展示系統(tǒng)刻錄成光盤，無疑是存儲和傳播信息的良好途徑。

3總結與展望

利用全景技術對測繪實驗室的建模及集成應用是課程教學方式的一種創(chuàng)新改革，不僅為教師教學提供有力的工具，讓學生提前了解實驗室的環(huán)境與布局，激發(fā)學生學習激情，培養(yǎng)學生的實踐動手能力及創(chuàng)新精神。

借助全景技術對測繪實驗室建模只是其在教學領域的一小部分，同樣可將其應用于其他專業(yè)的課程教學中，提升課程的體驗效果。同時可以進一步對校內其他相關設施，如實驗樓、教學樓、圖書館、食堂、宿舍等建模，開發(fā)學校虛擬漫游系統(tǒng)，在系統(tǒng)中添加地圖播放器，利用雷達實現(xiàn)地點跟蹤功能，用戶在地圖播放器中的地圖上隨意點擊雷達，即可切換到雷達對應的場景，實現(xiàn)場景之間的快速鏈接和漫游。這這為來訪客人、家長和師生對學校教學環(huán)境和設施提供直觀、全面、便捷的信息平臺，有利于加大學校宣傳力度，更好地體現(xiàn)辦學特色，促進專業(yè)建設與發(fā)展。

基金項目：2020年廈門理工學院教育教學改革研究項目“面向新工科的測繪工程專業(yè)產(chǎn)學研協(xié)同人才培養(yǎng)模式建設與實踐”（JG2020021）;2020年廈門理工學院教育教學改革研究項目“北斗上'新形態(tài)下測繪工程專業(yè)衛(wèi)星導航類課程改革與實踐（JG2020019）

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