吳小東，聞 平，桂 林，孫嘉駿

（1.中國電建集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650015）

360°全景技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用

吳小東1，聞 平1，桂 林1，孫嘉駿1

（1.中國電建集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650015）

結(jié)合水電工程建設(shè)和360°全景技術(shù)的特點(diǎn)，將360°全景技術(shù)應(yīng)用于水電工程建設(shè)中，詳細(xì)闡述了360°全景技術(shù)制作過程；并探索了360°全景技術(shù)在水電工程建設(shè)及管理中的優(yōu)勢及價值，為水電工程信息化提供了新的解決方案。

水電工程；360°全景技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)

1 360°全景的特點(diǎn)

全景就是視角超過人正常視角的圖像[3]，本文中的全景特指水平視角360°、垂直視角180°的圖像，是一種對周圍景象以某種幾何關(guān)系進(jìn)行映射生成的平面圖片，只有通過后期技術(shù)處理才能成為三維全景。360°全景顧名思義就是給人以三維立體感覺的實(shí)景360°全方位圖像，較之真三維場景具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：

1）開發(fā)成本低，360°全景制作無需過多的人力物力，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝照片并采用軟化后期處理即可，采集設(shè)備簡易，軟件處理簡單。

2）真實(shí)感強(qiáng)，360°全景照片均為實(shí)地拍攝，符合日常生活中人眼觀察事物的模式，給瀏覽者很強(qiáng)的真實(shí)感和沉浸感。

3）數(shù)據(jù)量小，360°全景數(shù)據(jù)僅為圖片，適合以網(wǎng)絡(luò)為載體。通過瀏覽器即可瀏覽，對瀏覽者的設(shè)備也無特殊要求。

4）交互性強(qiáng)，通過Flash或HTML5的Web端展示，用戶可方便地放大、縮小、平移場景，在分辨率允許的前提下，可快捷查看場景中的細(xì)節(jié)。

2 PTGui與Pano2VR

本文采用PTGui與Pano2VR軟件進(jìn)行全景制作。PTGui為Helmut Dersch公司的全景制作工具Panorama Tools提供了可視化界面，實(shí)現(xiàn)對圖像的拼接，其擁有豐富的圖像拼接功能，支持多種視圖、映射方式，此外，用戶可以自定義控制點(diǎn)以提高拼接的精度。圖像拼接后明暗均衡，無明顯拼接痕跡。

Pano2VR 作為全景圖像轉(zhuǎn)換軟件，能將全景圖像轉(zhuǎn)換為QuickTime、Flash等格式，同時支持圓形、球面、立方體面等不同的投影方式和jpeg、png等多種文件格式，可制作皮膚，添加熱點(diǎn)、圖片、音頻、視頻等，具有很強(qiáng)的定制功能。

3 全景投影方式對比

360°全景包含無縫覆蓋的空間影像，而在二維平臺上展現(xiàn)的卻是矩形圖像。由球形變換為平面，稱之為投影。常用的全景投影方式有：

1）球面投影，是目前全景技術(shù)中普通使用的投影方式。經(jīng)過投影的全景圖像類似世界地圖，除穿越圖像中間的水平線保持水平外，都在不同程度上扭曲變形，越偏離中線變形越嚴(yán)重，上下2個端點(diǎn)形成2條像素線。投影后的全景圖片中，物體水平特征會彎曲，垂直特征則不會變形。球面投影后圖像只有1條接縫，容易處理，可進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

2）立方體面投影，是將視點(diǎn)置于立方體的中央，同時對每個視角進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像補(bǔ)償，以達(dá)到很好的環(huán)視效果。投影后形成6個像素密度和質(zhì)量一致的正方形圖像，其水平視角和垂直視角均為90°。立方體面投影后圖像有12處接縫，后期不易對接縫處的圖像進(jìn)行編輯，容易在接縫處出現(xiàn)像素錯位、影調(diào)分割等問題，破壞其連續(xù)性。

3）圓形投影，是角投影的一種。投影后圖像類似圓形魚眼鏡頭所拍攝的照片，具有很大的扭曲變形，但其360°的視角形成的整個連續(xù)、無接縫的圖像包含了三維空間的所有信息。由于圖像扭曲程度較大，圓形投影在后期極難對圖像進(jìn)行編輯。

4）小行星投影，其投影方法與圓形投影相同，但圖像的二維表現(xiàn)效果和圖片形制有所不同，小行星投影可以根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨锰幚?。投影后圖像由于扭曲程度較大難以后期編輯，不適合作為動態(tài)全景制作的源文件。

4 360°全景制作

圖1 360°全景制作流程圖

4.1 圖像采集

全景圖像的制作必須先使用數(shù)碼相機(jī)在實(shí)地拍攝全方位的場景照片，進(jìn)行圖像采樣。使用的圖像大部分是采用普通相機(jī)拍攝的，拍攝時要求盡量保持相機(jī)水平，避免相機(jī)鏡頭在上下方向上偏轉(zhuǎn)過大，繞垂直軸旋轉(zhuǎn)一周連續(xù)拍攝，同時需要保證相鄰兩張圖像有一定的重疊度，作為后續(xù)圖像拼接的基礎(chǔ)。

4.2 圖像拼接

圖像拼接主要是利用拍攝的圖像數(shù)據(jù)中相鄰兩幅圖像重疊區(qū)域的相似度來實(shí)現(xiàn)[5]，首先在PTGui軟件中找到相鄰圖像中的同名點(diǎn)，將其設(shè)置成控制點(diǎn)，通?？刂泣c(diǎn)位置為較明顯、易分辨、能準(zhǔn)確定位的細(xì)小位置，如物體的角點(diǎn)、線狀物體的交點(diǎn)等；然后根據(jù)特定算法，對圖像校正、拼接。圖2為多幅圖片拼接效果。

圖2 圖像拼接效果

4.3 圖像融合

拼接而成的圖像中通常會含有清晰的邊界，圖像拼接痕跡明顯，給全景瀏覽帶來不好的感受[6]。為實(shí)現(xiàn)圖像的無縫拼接，必須對圖像的重疊部分進(jìn)行平滑處理，即將兩幅圖像配準(zhǔn)校正之后進(jìn)行融合，必要時可采用圖片處理軟件作相應(yīng)處理。圖3為融合后的全景圖片。

圖3 全景圖片

4.4 全景制作

完成圖像采樣、圖像拼接、圖像融合等步驟后，就能得到虛擬水電工程各場景的全景圖片，為了更生動地展現(xiàn)全景圖片，給瀏覽者身臨其境的感覺，采用全景空間編輯器Pano2VR把多幅全景圖像組織成瀏覽者可任意漫游的虛擬全景空間[7]。

4.5 全景發(fā)布

在Pano2VR軟件中將虛擬全景空間發(fā)布為Flash或HTML5格式，可通過網(wǎng)頁形式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，瀏覽者足不出戶，就可以瀏覽整個虛擬全景空間[8]，了解水電工程的真實(shí)狀況。

5 全景拓展

5.1 屬性信息

水電工程建設(shè)中屬性信息豐富而全面，將屬性信息直觀準(zhǔn)確地展示在虛擬場景中尤為重要，特別是在水電工程應(yīng)急排險過程中，就更需要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行屬性信息掛接，為應(yīng)急排險決策提供支持。360°全景制作過程中，既可以采用添加興趣點(diǎn)的方式進(jìn)行快速而簡便的屬性掛接，也可通過程序開發(fā)的方式進(jìn)行屬性掛接及展示，這種方式不僅展現(xiàn)形式豐富多樣，還可鏈接屬性數(shù)據(jù)庫，做到屬性信息實(shí)時更新，動態(tài)展示[9]。如圖4所示，屬性信息表示當(dāng)前紅石巖堰塞湖水位為1 175 m，庫容為4 328.75萬m3。

圖4 魯?shù)榈卣鹧呷雾?60°全景

5.2 全景導(dǎo)航

在水電工程現(xiàn)場一般存在多個全景熱點(diǎn)，而對于大工程甚至存在幾十乃至上百個，文件式管理方式極為不便，并且在進(jìn)行全景瀏覽時，瀏覽者不易分辨當(dāng)前瀏覽方位，導(dǎo)航圖無疑是解決這些問題的有效手段[10]，以影像或地圖作為導(dǎo)航圖底圖，將熱點(diǎn)標(biāo)注其中，點(diǎn)擊即可瀏覽到指定全景，并在導(dǎo)航圖中標(biāo)示出當(dāng)前瀏覽的范圍，如圖5所示。

圖5 全景導(dǎo)航

360°全景制作已成功應(yīng)用于多個水電工程中，并取得了較好的效果；此外，在803魯?shù)榈卣鹦纬裳呷膽?yīng)急排險中也發(fā)揮了積極作用。我院測繪人員第一時間登頂堰塞體進(jìn)行測量并拍攝了堰塞體及堰塞湖照片，制作的360°全景為現(xiàn)場領(lǐng)導(dǎo)及專家真實(shí)地展現(xiàn)了堰塞湖及堰塞體的真實(shí)面貌，為堰塞湖的整治決策提供了寶貴的第一手資料。

6 結(jié) 語

360°全景與其他需要三維建模及仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，具有制作簡單、快速、成本低廉、真實(shí)感強(qiáng)、數(shù)據(jù)量小、便于發(fā)布與傳播等優(yōu)點(diǎn)，只需要將所拍攝的圖像拼接，就可使瀏覽者足不出戶便能身臨其境的虛擬漫游。本文將其應(yīng)用于水電工程虛擬現(xiàn)實(shí)中，其所具備的良好沉浸感和立體感給瀏覽者在現(xiàn)實(shí)與虛擬之間搭起一座溝通的橋梁，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，全景圖技術(shù)將會在各領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。

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圖5 地類圖斑線局部示意圖

3 結(jié) 語

本方法通過GDAL/OGR開源數(shù)據(jù)庫二次開發(fā)，利用NPOI等技術(shù),無需安裝任何第三方GIS處理軟件和成果編輯輸出軟件，即可一鍵輸出多種數(shù)據(jù)成果，優(yōu)化了作業(yè)步驟，達(dá)到了自動化、高集成數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)，程序界面簡單友好，在規(guī)范性、實(shí)用性、可靠性等方面均滿足生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)了土地勘測定界數(shù)據(jù)的快速、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。通過該方法的推廣使用，可大大減少內(nèi)業(yè)工作量，提高工作效率和成果質(zhì)量。

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第一作者簡介：李旺民，碩士，工程師，主要從事工程測量、城市規(guī)劃監(jiān)督測量和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用等方面的技術(shù)研究工作。

P258

B

1672-4623（2016）05-0112-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.035水電工程區(qū)域通常采用封閉式管理，非工作人員難以進(jìn)入，尤其是一些危險區(qū)域更是如此。如何在保證施工安全的前提下，較為真實(shí)地展現(xiàn)現(xiàn)場情況，信息化、虛擬化無疑是一種較為妥當(dāng)?shù)姆椒ā?60°全景是基于靜態(tài)圖像的虛擬全景技術(shù)[1]，即通過專業(yè)相機(jī)捕捉整個場景的圖像信息或使用建模軟件渲染生成圖片，再進(jìn)行圖片拼接融合，采用專門的播放器進(jìn)行瀏覽，即可將平面照片或計算機(jī)建模圖片變?yōu)?60°全景，形成虛擬現(xiàn)實(shí)，把二維的平面圖模擬成真實(shí)的三維空間[2]呈現(xiàn)給瀏覽者，并為瀏覽者提供放大、縮小、平移等功能，以達(dá)到再現(xiàn)現(xiàn)場真實(shí)環(huán)境的效果。該技術(shù)在Google街景等網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)中已得到廣泛應(yīng)用。

吳小東，碩士，主要研究方向?yàn)?S集成應(yīng)用。

2015-03-05。

項(xiàng)目來源：云南省科技資助項(xiàng)目（2013ZB006）。