基于全景地圖技術實現濟南歷史建筑立體展示

張晨輝

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

1 引 言

歷史建筑是一個民族，一座城市的生動面孔，也是生活在歷史之中的一部分人的共同記憶和身份憑據。隨著城市規劃發展越來越快，歷史建筑保護問題就顯得越來越迫在眉睫。濟南是國務院1986年公布的國家歷史文化名城，2018年1月29日，濟南公布了第一次歷史建筑普查名單，共366處歷史建筑，現有歷史建筑展示主要有圖片、視頻、網頁等常規方式，這些方式存在效果不夠震撼、無交互性等問題。隨著科技的發展，三維全景技術逐漸發展起來，三維全景技術則是利用實景歷史建筑照片建立虛擬環境，按照現狀照片采集→圖像處理→全景拼接→場景發布→地圖標注的模式來完成歷史建筑虛擬現實的創建，該技術簡單實用，使用戶足不出戶即可身臨其境，感受歷史建筑的720°風貌。因此，本文通過三維全景技術，輔以電子地圖、HTML技術，綜合、全面、立體形象地展現濟南歷史建筑風采。

2 關鍵技術

2.1 全景圖拼接技術

本文使用PTGui Pro來進行濟南歷史建筑全景圖拼接，該軟件將拍攝的每個場景不同視角的魚眼照片拼合為一張全景圖。拼接過程中適當添加控制點，確保魚眼照片之間連接正確、不錯位。拼接完成后使用PTGui Viewer軟件對全景圖進行瀏覽檢查。

2.2 全景圖像轉換應用技術

本文使用Pano2VR來進行濟南歷史建筑全景圖像的漫游、發布等。該軟件把全景圖片轉換輸出成HTML5格式的網頁，轉換過程中可定制各種皮膚以及熱點跳轉，經緯度添加等功能。用戶可通過手機、電腦等設備點擊隨時隨地觀看。

2.3 電子地圖、HTML技術

本文發布的濟南歷史建筑全景圖網頁文件，通過調用百度地圖API，將歷史建筑的實際地理位置進行地圖標注。用戶可通過點擊標注，了解歷史建筑的基礎信息、周邊搜索和三維全景導覽，并查詢指定位置到當前歷史建筑的路線規劃。

3 全景地圖制作流程

全景地圖的主要內容為各個歷史建筑的全景導覽數據，以文件夾形式進行存儲與管理，并將其配置到地圖上。地圖全景導覽的建設流程包括現狀照片采集、圖像處理、全景拼接、場景發布、地圖標注。下面分別對各工序的工作方法進行簡要說明。

3.1 現狀照片采集

全景圖拍攝采用的設備為單反相機、魚眼鏡頭、云臺和三腳架。為保證優秀的展示效果，每個歷史建筑選取6個～8個場景，綜合拍攝建筑內部結構及周邊環境；單個場景拍攝10張～12張現狀照片，復雜環境適當增加照片拍攝數量。全景數據采集如圖1所示，拍攝流程如下：

(1)使用全景云臺及配備魚眼鏡頭的單反相機，在預規劃好的歷史建筑全景點位處進行架設，三腳架調整水平，保證每一處歷史建筑圖片都是在同一水平狀態下拍攝。

(2)拍攝時采用360°旋轉相機機身、每隔20°拍攝一張照片的方式進行，單個全景點拍攝照片數量提高到20張左右。水平全景拍攝完畢后，原地旋轉相機，拍攝2張天空全景、2張地面全景；移動三腳架，另外拍攝一張不同位置處的地面全景，用于后期的補地處理。拍攝完成后回溯檢查，確保照片拍攝質量滿足要求，無逆光、虛化、失真等問題照片出現。

(3)移動相機，完成歷史建筑其余全景點位的拍攝。

(4)全景數據采集完成后，換用普通鏡頭的單反相機，對歷史建筑入口、建筑主體進行現狀照片拍攝，作為建筑圖文簡介的原始圖片素材。

圖1 全景數據采集

3.2 圖像處理

使用Adobe Photoshop軟件，對采集獲得的現狀照片進行后期處理，如圖2所示，主要處理內容包括：勻光勻色、畸變處理、圖像校正、雜物消除等，確保處理后的圖片圖像清晰、構圖勻稱，同一場景及同一建筑色調柔和相似，可用于后續的圖像拼接及全景制作工序。

圖2 全景圖像處理

3.3 全景拼接

全景拼接基于PTGui Pro軟件進行，用于將單個全景點位拍攝的全部局部全景照片(包括平面全景、天空全景及地面全景)拼合為一張全景圖。拼合后的全景圖可以直接通過全景圖片瀏覽軟件加載展示，呈現以拍攝點位為中心720°全景展示效果。主要流程如下：

(1)打開PTGui Pro軟件，統一加載單個全景點位拍攝的全部全景照片，如圖3所示。

圖3全景照片加載

(2)軟件自動根據全景點照片內容進行自動匹配對準。在自動匹配的基礎上，通過控制點功能頁，為未能準確匹配、或對準出現錯誤的相鄰照片添加控制點，如圖4所示。為保證對準效果，相鄰兩張全景照片之間的控制點應在3個以上，且盡量保證控制點在照片中分布均勻。

(3)通過編輯工具，對地面全景照片中的三腳架支架、入鏡的拍攝人員進行消隱。調整不同地面全景照片在拼合圖中的位置及拉伸狀況，在保證相鄰地面紋理對接無紕漏的基礎上，覆蓋局部消隱導致的畫面空白，確保拼合后的全景圖地面完整。

圖4添加控制點

(4)使用全景圖創建功能，對拼合完成后的全景圖進行創建輸出，完成單個全景點的全景圖拼接工作，如圖5所示。

圖5 全景圖拼接成果

3.4 場景發布

基于Pano2VR軟件，對單個歷史建筑涉及的全部全景圖像進行集成，創建用戶交互按鈕及全景場景熱點跳轉，并完成場景發布。主要流程如下：

(1)全景數據加載。以歷史建筑為單位，將該建筑全部全景點位拍攝拼接完成的全景圖像導入Pano2VR軟件。

(2)基于不同場景之間的位置交互關系，添加不同場景點之間的跳轉熱點，設置跳轉后下一場景的視角范圍。

(3)創建場景交互皮膚。主要包括三個部分：功能按鈕區、場景縮略圖區、導航區，另外還包括熱點皮膚、熱點說明文字等內容的設置。

①功能按鈕區：

如圖6所示，提供空中全景跳轉、鏡頭左移、鏡頭上移、鏡頭下移、鏡頭右移、視角放大、視角縮小、自動旋轉控制、縮略圖控制按鈕。場景發布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標)點擊按鈕的方式實現對應功能的應用。

圖6 功能按鈕

②場景縮略圖區

通過功能按鈕區的縮略圖控制按鈕，實現場景縮略圖區域的顯示與隱藏，如圖7所示。

本區域以縮略圖形式對當前歷史建筑的主要全景點位進行了整理展示，供用戶瀏覽查看。各個縮略圖添加對應的場景跳轉動作設置，場景發布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標)點擊縮略圖的形式，實現到指定場景的快速跳轉。

圖7 場景縮略圖區

③導航區

如圖8所示，整理各個歷史建筑的頂部航拍圖，作為導航區底圖。對歷史建筑的各個全景點位進行圖上標注，同時設置位置熱點，并預設跳轉動作及跳轉后視角。場景發布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標)點擊導航區圖上定位點的形式，實現到指定場景的快速跳轉。

圖8 導航區

④場景發布

設定首頁全景，設置全景自動旋轉速度，添加對應歷史建筑的語音導覽文件(MP3格式)作為背景音樂并循環播放，以html格式對全景場景進行發布。

3.5 地圖標注

首先通過外業測繪，測出各個歷史建筑精確坐標，并轉換成百度坐標。如圖9所示，調用百度地圖API，圖上標注歷史建筑具體位置，使用InfoWindow信息窗口，展示歷史建筑文字簡介、圖片、全景超鏈接、周邊搜索、導航等功能信息。用戶可通過地圖實現歷史建筑全景瀏覽以及其他各類信息資料展示，提升了歷史建筑展示效果。

圖9 地圖標注

4 制作難點和關鍵點

4.1 全景圖扭曲

外業人員通過魚眼鏡頭拍攝歷史建筑照片，數據處理人員進行全景照片拼接過程中，合成照片經常會出現房屋不正、樹木不直等扭曲現象，產生扭曲的原因一般是拍攝時三腳架水平沒有校正，對于空中全景，因為風力也會引起無人機姿態的不水平而可能導致最終拼接畫面扭曲，當然有時也會因為環境影響而拼接后扭曲。如果數據處理人員沒有注意到這一細節而進行后續的拼接、美化，等質檢人員檢查出問題，就要重新拼接，造成很大的工作量。

針對上述問題，數據處理人員在使用PTGui Pro軟件進行全景拼接過程中，首先須進行數字校正，保持主要建筑橫平豎直，如圖10、圖11所示，然后再進行后續的拼接、美化工作。

圖10 數字轉換

圖11 數字校正前后對比

4.2 全景圖拼接錯位

數據處理人員進行全景照片拼接過程中，合成照片經常會出現斑馬線、房屋、樹木、電線桿等拼接錯位問題，如圖12所示。導致錯位問題的原因主要是拍攝過程中鏡頭的節點不準確造成的。

圖12 近景拼接瑕疵

針對上述問題，解決方法有很多，比如在PTGui Pro軟件中手工在錯位處加控制點，比如勾選視點矯正等等。最有效的處理方法是使用PTGui Pro軟件中的模板工具，該工具通常用于修改局部瑕疵，模板處理的原則是把瑕疵留給天空和遠方。

由于節點的誤差，錯位有可能出現在任何部位，節點誤差對近景影響大，而景物越遠，錯位漸小。用蒙版將接縫安排在遠景。圖13是一個典型的十字路口，東西南北四條馬路可由近而遠。通過紅綠蒙版的組合應用，將接縫避開了近景，而將這些接縫留給了天空和遠方(圖13箭頭指處)。盡量使景物中的歷史建筑主體保持完整，在一幅魚眼圖中，比如一幢大樓，地面上的十字標識等。而天空、江河湖海、草地沙灘、柏油馬路、不規則紋理的墻壁、森林等等，都可以容錯。

圖13 蒙版拼接技巧

5 總 結

全景地圖技術是目前迅速發展并逐步流行的一個虛擬現實分支，本文采用PTGui Pro和Pano2VR工具將實地拍攝獲取的歷史建筑照片發布成全景效果，通過調用百度地圖API，將歷史建筑的實際地理位置進行地圖標注，結合歷史建筑各類信息資料，展現給用戶。該技術可實現歷史建筑虛擬觀看，免受時間與空間的限制，是一種新型歷史建筑保護手段。