基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統研究★

付 廣 付 暉* 張 娟

(海南大學熱帶農林學院，海南 儋州 571737)

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·計算機技術及應用·

基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統研究★

付 廣 付 暉* 張 娟

(海南大學熱帶農林學院，海南 儋州 571737)

以熱帶果園三維全景虛擬漫游系統的構建為目標，利用魚眼鏡頭和單反數碼相機獲取全景圖像，并對全景圖像進行拼接制作了三維全景虛擬漫游系統，該系統實現了對熱帶果園的數字化、虛擬化、信息化展示，從而提升了熱帶果園的信息化管理水平及熱帶水果的知名度和品牌效應。

全景圖像，三維全景，虛擬漫游，熱帶果園，芒果園

1 概述

我國熱帶和南亞熱帶地區(熱區)自然條件比較優越，熱量高，雨水充沛，濕熱同季，終年無嚴寒，極少霜凍，作物越冬條件優越，適宜發展熱帶水果產業。我國熱帶果樹種類繁多，各具特色，熱帶水果產品價值高，經濟效益好，是典型的高效特色農業。隨著人民生活水平的提高，人們對熱帶水果數量和品質的需求也在不斷增加。然而，在我國熱帶果園生產管理過程中，普遍存在果園規劃建設不合理、種質資源匱乏、栽培技術落后、標準化生產水平低、信息化服務鏈不足、產品品牌競爭力不強等問題。因此，需要從果園規劃和基本建設、種質資源保護、豐產栽培技術、標準化生產技術、信息服務鏈和品牌建設等方面開展研究，從而促進熱帶水果產業健康發展、農民增收增效、農村經濟繁榮與和諧發展。

以數字智慧農業為代表的農業信息化技術是未來農業發展的重要方向之一，開展農業生產的數字化、網絡化、信息化等方面研究，有利于農業形成專業化的生產、集約化的經營、現代化的管理模式。同時，還有利于農業教育、科研和推廣的“三位一體”發展。三維全景虛擬漫游技術是基于全景圖像的真實場景虛擬現實的技術，全景是利用相機對實景進行360°拍攝的一組或多組照片拼接成一個全景圖像，通過計算機技術實現全方位互動式觀看的真實場景[1-4]。現已廣泛應用于城市街景、旅游景點、文物古跡、博物館、校園、酒店房產、展覽展會等方面的展示[5-10]。

針對我國熱帶果園生產管理的現狀與問題，以海南省芒果園為對象，選取其具有代表性的路線、位置、視角、方位為熱點，利用GPS技術、全景攝影技術、三維實景虛擬技術，構建基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統，以360°全景圖的方式實現在多個不同場景中的交互式虛擬漫游效果，再現熱帶果園的三維場景，實現虛擬場景的漫游，從而達到對芒果園的數字化、虛擬化、信息化展示，并借此提高熱帶果園的信息化管理水平，提高熱帶水果的知名度和品牌效應。

2 芒果園三維全景虛擬漫游系統的設計與實現

三維全景虛擬漫游系統的實現需要相應的硬件和軟件的結合。系統具體實現過程如圖1所示。

2.1 前期準備

1)實地調查：選擇海南省的芒果園，了解其地理信息、基礎設施、種植面積、種植計劃、工作人員、生產管理等信息(見圖2)，為下一步開展全景攝影做準備。

2)硬件設備準備：合理的器材搭配，能夠最大限度的發揮各設備的優勢，獲得高品質的影像[2]。在相機的選擇上，常用的有單鏡頭數碼相機、普通卡片相機等。由于普通卡片相機的性能普遍不足，本研究中相機選擇為尼康單反數碼相機(Nikon D300 s)。在魚眼鏡頭的選擇上，現在普遍使用的魚眼鏡頭有圓形魚眼(Circle)、鼓形魚眼(Drum)和全幀魚眼(Full Frame)三種，鼓形魚眼鏡頭由于在360°全景照片拍攝數量和照片質量上均有保證，故選擇西格瑪鼓形魚眼鏡頭(Sigma 8 mm)。另外需選擇全景攝影云臺(Agnos Mrotator T)、三腳架以及其他輔助設備(見圖3)。

3)后期制作軟件選擇：常用拼接軟件有Autodesk Stitcher Unlimited，PTgui，Panotour Pro，Pano2VR，ArcSoft Panorama Maker，Photoshop-PTLens，杰圖造景師軟件等。經過多種嘗試，最終選擇使用杰圖造景師8.0企業版軟件進行全景圖像的拼接，后期交互界面制作選擇上海杰圖軟件公司的漫游大師4.3企業版。

4)針對芒果園的基本情況，制訂詳細的拍攝計劃，選擇合理的拍攝路線、拍攝時間和相機機位進行數據采集。本系統中選擇芒果園中的主干道路為主體拍攝線路，一般選擇上午或下午太陽較弱的時候進行拍攝。相機機位選擇視角寬闊，并且是場景中心的位置。

2.2 圖像拍攝

1)安裝硬件設備，關鍵在于將鏡頭節點放在云臺的旋轉軸心上。2)調整相機的拍攝參數，關鍵是得到合適的光圈值和快門值，拍攝一個點的過程中只能用同樣的曝光參數。3)拍攝，魚眼鏡頭焦距為8 mm時的視角約為180°，為保證圖片的重疊區域達到50%，每個場景需要拍攝6張圖片(前后左右加天、地)，每旋轉90°拍攝一張(見圖4)，為后期拼合形成360°環形圖片做好準備，期間需注意設備的水平和垂直穩定。

2.3 圖像拼接與處理

全景圖像的拼接主要分以下三個步驟進行：1)單張圖片處理：采用8 mm魚眼鏡頭進行拍攝時，視角約為180°，相機底部的三腳架會進入圖片中，拼合后可能會留有三腳架的影像，可以在生成全景圖之前用Photoshop對單張圖片進行處理。2)圖像拼接：采用杰圖造景師8.0企業版軟件進行圖像的拼接，杰圖造景師軟件能夠自動識別相鄰圖片中的圖形轉折點、色差較大的細部節點等作為重疊部分，通過設置與查找重疊區域關鍵點，可以將相鄰兩張圖片中的關鍵點一一對應，設置好相應關鍵點對應，選擇球形全景類型，即可拼合360°全景圖(見圖5)。3)拼接后與三維特效處理：對拼合的360°全景圖片的頂部、底部進行補充。可以選擇拍攝合適大小的天空、地面圖片(相機垂直90°向上、向下)用于后期對全景圖頂、底部的修飾，使頂部和底部更自然和美化。之后進行三維特效處理，生產符合三維全景虛擬漫游系統需要的全景圖像(見圖6)。

2.4 三維全景虛擬漫游系統構建

三維全景虛擬漫游系統的構建分為以下三個步驟進行：1)利用地理信息系統軟件制作芒果園地圖，用于全景漫游導航。并利用拍攝場景GPS定位設置為熱點，制作完成熱點導航地圖。2)利用杰圖漫游大師軟件，制作系統視圖界面(場景播放器、地圖播放器等)、控制按鈕、選擇組件、描述文本和圖像以及多媒體播放(視頻、音樂等)，完成系統交互界面設計和實現。3)同步設置場景與熱點互動，完成交互式操作，添加背景音樂，預覽并調試完善系統，最后將系統發布成flash格式或HTML格式，并進行展示應用(見圖7)。

3 結語

三維全景虛擬漫游技術在農業信息化方面的應用尚處于起步階段。本文針對我國熱帶果園生產管理的現狀與問題，以海南省芒果園為對象，利用GPS技術、全景攝影技術、三維實景虛擬技術，構建基于全景圖像的熱帶果園三維全景虛擬漫游系統，以360°全景圖的方式實現在多個不同場景中的交互式虛擬漫游效果，再現熱帶果園的三維場景，實現虛擬場景的漫游，從而達到對熱帶果園的數字化、虛擬化、信息化的管理與展示，以此提高熱帶果園的信息化管理水平，從而節約生產成本、提升宣傳效果、增加果園的經濟效益。未來該系統結合地理信息空間數據展示，作為果園管理系統的輔助應用，也會具有更大的現實意義。

[1] 馮建平,吳麗華.基于全景圖像的三維全景漫游系統的構建[J].計算機與數字工程,2013(1):115-117.

[2] 於 迪.南京仙林大學城全景虛擬漫游系統的設計與實現[D].南京：南京師范大學,2013.

[3] 王鴻飛.三維全景漫游技術在旅游業中的應用研究[D].廣州：華南理工大學,2013.

[4] 王玉瓊.三維全景漫游技術及應用研究[D].昆明：云南財經大學,2013.

[5] 楊 琳,趙建民,朱信忠,等.虛擬校園三維全景漫游技術研究[J].計算機工程與科學,2007(10):26-28.

[6] 郭長青,曹 芳.三維全景技術在旅游景區介紹中的應用[J].地理空間信息,2009(1):46-48.

[7] 陳丁山,喬 波.三維全景虛擬校園的研究與應用[J].福建電腦,2008(5):96,104.

[8] 程 剛,鄭小華,陽 鋒,等.三維全景視覺技術在農業機器人中的應用[J].安徽農業科學,2010(34):19854-19856,19878.

[9] 周亦鵬,胡 娟.基于三維全景技術的數字礦山漫游系統[J].金屬礦山,2012(5):116-120.

[10] 江 婕,況 揚.三維全景技術在紅色文化遺產保護中的應用[J].科技廣場,2013(3):152-154.

Construction of the three-dimensional panoramic walkthrough system in tropical orchard based on panoramic image★

Fu Guang Fu Hui * Zhang Juan

(InstituteofTropicalAgricultureandForestry,HainanUniversity,Danzhou571737，China)

In this paper, 3D panoramic walkthrough system of tropical orchard is build based on panoramic image. The panoramic images were mosaic from single fisheye lens image by use of digital camera fisheye lens and a single electric digital camera. The system displayed tropical orchard in digital and virtual way. And it can be to improve the tropical orchard information management level, and to raise awareness and brand effect of tropical fruits.

panoramic image, three-dimensional panoramic, virtual reality walkthrough, tropical orchard, mango orchard

1009-6825(2017)14-0255-03

2017-02-25★：海南省教育科學規劃一般課題(QJY1251503)；海南大學教育教學研究課題立項項目(hdjy1646)

付 廣(1982- )，男，助教

付 暉(1985- )，女，博士，講師

TP319

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