基于全景图的校园虚拟漫游系统设计

摘 要

本项目研究基于全景图的校园漫游技术，通过拍摄拼接的全景图进行相互关联的虚拟场景，访问者可根据自己的兴趣点和浏览习惯进行空间的漫游。预期在全景图拍摄、拼接、虚拟空间构建、漫游技术、人机交互技术等实现的基础上，完成虚拟校园漫游系统的设计。

【关键词】全景图 虚拟漫游 图像拼接

1 全景图概述

全景图是图像绘制技术（Image.based Rendering，IBR）应用的一种。用全景图虚拟漫游方式展示校园风光及校园导航比传统图片为主的方式更优化。在全景图中，允许用户在虚拟环境中作360度的观察，包括左右环视、俯视和仰视，同时也可以在观察过程中实时改变焦距。通过这种方式，使用者站在场景的某一点全自由度的查看场景，体验到强烈的沉浸感。通过连续拍摄指定线路的图像，也可以在指定路线上交互参观。全景图虚拟漫游相对于传统的基于图形的几何模型的3D建模场景漫游，同样具有诸多优点：

（1）真实场景，强烈沉浸感。

（2）建模过程简单而且快速。

（3）小的数据量，更适合进行网络上传输，能够在一般家用计算机或者平板电脑等可移动终端上实时的三维展示。

2 虚拟全景漫游的流程及关键技术

全景图制作流程包括全景图拍摄，图像拼接，图像缝合以及全景图展示浏览四个步骤。本文结合成都农业科技职业学院全景漫游系统的设计过程对其进行阐述。

2.1 全景拍摄全景拍摄可分为2类

（1）使用特殊设备（如全景照相机等）直接拍摄场景图像，生成全景图。该方法具有速度快、鲁棒性好等特点，但设备成本比较高，经费不足的情况下难以采用。

（2）使用普通数码相机拍摄一系列照片，经过图像拼接处理，获得宽视角、高分辨率的全景图。本项目采用普通数码照相机配合云台与三脚架，每隔30度左右转动相机一次，并拍摄一张照片，直至转完360度。当在场景中某个点连续拍摄不同方向的照片，获得的相邻照片会有重叠存在，通过图像拼接能消除这些重叠，合成较大的场景，如图1所示。

2.2 图像拼接技术

2.2.1 图像拼接流程

图像拼接是生成全景图的关键步骤，其流程如图2所示。

2.2.2 图像的预处理

在拍摄过程中，通常由于相机的偏移或环境干扰，使拍摄的图像出现噪音以及几何形变。图像预处理就是采用计算机视觉与图像处理技术，弥补人为或者非人为造成的图像缺陷。在全景图漫游中主要涉及到图像增强技术以及图像几何校正。图像增强主要通过专业软件对原始图像锐化度、亮度、对比度进行调节，减少图像噪音，使图像清晰增强如图3。几何校正技术是采用映射方式通过几何变换将两幅相邻图像在恰当的位置对齐。方法如下：在有部分重叠的两幅照片上，找其中一幅照片重叠区域中一个特征明显的点，通过此几何变换将此点映射到另外一幅照片重叠区域上的类似点，这样两个点就能形成相互间的对应关系。常见的几何变换有如下几种如图4。

2.2.3 图像配准融合

图片拍摄过程中，由于拍摄视角、时间、光照强度、分辨率等的差异，使得相邻图像间可能会发生平移、旋转、透视形变、尺度变化、色差、扭曲、运动目标遮挡等差别，需要对具有重叠部分进行配准。根据相似性准则，设定搜索策略进行计算，找出最佳空间对应点，在应用中寻找图像中比较明显的特征点像素区域，以此为模板，再在另一幅图像中寻找与模板有相同特征、形状、位置的区域，利用该区域的特征进行匹配。然后将两幅已配准图像的重叠部分综合到一幅图像中进行融合，从而将拼接过程中产生的模糊、噪声点以及拼缝等消除或者大限度的改善。在本文中，采用渐入渐出的方式。首先设定一个平滑因子a，并且满足条件O

2.3 图像缝合

有了拼合的图片，便需要根据漫游效果对图像进行后期缝合。由于相机拍摄角度的限制，当相机旋转一圈得到的场景往往存在空间局限如图7所示，为了在360度漫游场景观看中获得更好的视觉效果，需要对天地进行补充，要将没有拍到的暗角、天、地及其他景物进行修补，这一操作可在图像拼合基础上结合Photoshop软件中仿制图章、背景橡皮擦、色相调整工具等拼合而成，如图8所示。

2.4 全景浏览展示

在设计成都农业科技职业学院全景校园漫游系统程序时，根据比例绘制出了校园平面地图如图，在校园地图上选择了15个具有代表性的点作为进行漫游系统交互响应点，在每个点的校园实地分别拍天、地、中间场景3组照片，每组照片12张以上实现360度全景。将15个场景全景图像通过Pano2VR软件插人地图中相应位置，结合Flash技术形成全景校园漫游系统。通过设定AetionSeript脚本语言能够将每个导人的Flash场景图像都作为一个按钮图符，从全景场景中可以看到导入的按钮图符，每一个图符代表的是该场景的路径如图8所示。当用鼠标点击，则当前视点就会转到这个竖条图像所代表的路径的下一个视点。进入成都农业科技职业学院全景校园漫游系统的地图导航如图9。

3 结论

基于全景图像的虚拟场景漫游方法是当前计算视觉和虚拟现实技术中一种重要的场景表现方法，它以固定的视点，简单形式，全面的360度浏览场景，带来了更加真实高效的用户体验。本文实验了一种高性价比方法完成了基于全景图的校园在线虚拟漫游系统。采用此种方法，计算量小，容易实现，使用普通数码相机拍摄，具有成本低、易推广的特点，无论在场景展示、虚拟参观、在线旅游等方面都将得以广泛应用。

参考文献

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作者单位

成都农业科技职业学院 四川省成都市 611130