3D與VR介入古遺址全景觀覽設計與開發的技術研究

李曉輝，張春慶

蘭州財經大學 隴橋學院，甘肅 蘭州 730101

一、總體設計

近年來，隨著全域旅游的發展，古文化遺址的資源價值進一步得到了提升。同時，文創產品開發以及地方性的戰略性宣傳使文化遺址的名片和符號功能凸顯了出來。文化遺產信息可視化，就是對數字化文化遺產的信息進行剖析、闡釋和加工，并以可視化的方式呈現到觀眾面前[1]。全景觀覽設計開發迎合了這種趨勢與要求，通過對空間圖像的序列式拍攝，結合3D和VR技術將平面的普通圖像通過六面體圍合形成一個可以動態調整的空間單元，觀者可以自由“進入”整個場景，通過交互設計的按鈕控制或陀螺儀的設置進行前后、左右、上下自由的瀏覽。全景觀覽設計與開發需要三個階段來完成。其中圖像拍攝與閾值疊加的算法處理非常關鍵，決定著全景圖像是否可用；進入中期階段，要進行全景圖像的合成與圖像空間的缺陷處理，photoshop圖像處理軟件和PTGui中對3D全景空間的動態修復可以做到“無痕”效果；最后階段的觀覽設計與開發則是通過全景資源的互聯網設計與交互來實現的，通過互聯網數據疊加與熱點推送以“去中心化”的形式到達受眾，經過迭代優化，成為古文化遺址傳播的一條全新的路徑選擇。

二、圖像拍攝與像素閾值疊加識別

（一）設備要求

全景云臺是當前市場中進行序列圖像拍攝的主流載體，它可以與手機或單反相機連接來實現操作，通過App設置，確定拍攝圖像的角度與視域。同時，大部分App還自帶了對拍攝的序列圖像進行全景合成的功能，集成性更高。以鯤圖云臺為例，它不僅可以自如地在手機端設置需要拍攝的序列圖像的數量和角度，還可以在云端將拍攝的圖像進行全景圖像一鍵合成，大大節約了時間，對技術操作要求相對較低。當然，隨著技術的進步，無人機拍攝正在悄然興起，其視覺感更強，空間層次感更加理想。

（二）技術要求

全景圖像的是通過處理若干張序列圖像的相關性來組成的（如圖1、圖2），每張圖像與下一張圖像之間都有20%～30%的角度或拍攝的內容是重疊的，這些圖像重疊的部分從內容和像素的一致性方面高度接近且拼接效果極佳（如圖2）。圖像拼接的主要問題是處理相鄰2個圖像樣本之間的重疊部分，根據Mc Milliams提出的全景圖拼接算法，依據攝像機繞軸旋轉360°所拍攝的序列圖像求解攝像機參數，進行全景圖拼接[2]。其原理是通過圖像閾值的相似性進行疊加識別，在拍攝的時候要保證每一次選景的角度與上一張圖像和下一張圖像之間有相交的部分，不能出現無關聯的圖像在序列中，導致一個拍攝序列作廢。柱面模型是最普遍采用的全景圖拼接模型，該方法要求相機繞垂直轉軸（如三腳架）作水平轉動，將圖像投影到一個統一的柱面上之后，拼接問題就轉化為在柱面上圖像間的平移問題[3]。據此原理，三維實體空間的再造過程中，天與地部分和豎向柱面之間必須存在內容關聯，拍攝時以相機為球體的中心，結合球體經緯構造的特點，緯度越高拍攝的張數也要相應減少，拍攝的方式是先橫著拍，再進行仰角30°和俯角30°拍攝，最后對天與地各拍攝2張。為了消除云臺支架影響地面效果，一般通過平移的方式挪動云臺一個機位的距離，之后對地面再拍攝1～2張，所拍攝的照片一般每組為36張到40張為宜。最后通過相應的軟件進行全景圖像合成，處理成一張縱橫比為1：2的高清大圖，這張圖像大小一般為10 000*20 000像素，基本可以滿足全景觀覽使用。

圖1 序列圖像中具有重合部分

圖2 序列圖像的內容疊加

（三）圖像色彩與曝光控制

由于受到光線和光照角度的影響，所拍攝的序列圖像之間在色彩與曝光控制方面存在一定的差別，特別是繞垂直轉軸作水平轉動時，受到逆光與順光的影響，圖像的明亮程度以及色彩傾向方面有很大的出入。為了解決這個問題，序列圖像拍攝時一般采用曝光鎖定的方式，使拍攝的圖片色彩飽和度、色彩傾向性以及曝光的程度基本都控制在一個相近的范圍之內，這樣在圖像拼接的過程中，序列圖像邊緣銜接沒有太大差別或過于強烈的跳躍感。

三、全景合成與圖像缺陷的閾值修復

（一）圖像合成的技術處理

圖像合成中的技術處理與圖像相關性密不可分，且在圖像的合成過程中2張圖像的相交部分能夠實現完美的像素關聯，并實現內容的相近性識別，這樣合成的圖像柱面邊緣才沒有裂縫。相鄰的柱面圖像之間只有相對平移，使用相位相關度（phase correlation）方法可以求出該平移量[4]。這就要求在前期的拍攝中，所選擇的每一張圖像所旋轉的角度都要控制在一個適度的范圍。雖然它的取景范圍較大，但是每張圖像與相鄰圖像在縱向和橫向的重疊部分要達到的1/3左右。圖像合成的技術是通過相似像素計算與像素深度測量綜合形成的，通過雙向來衡量相鄰像素深度與相關性進行圖像處理以及圖像缺陷修復。當前所常用的圖像處理軟件有PTGui及專門所開發的全景合成圖像的App來完成。需要說明的是，PTGui軟件的全景合成功能對圖像的修復更加全面，手段更加靈活，它的修復功能主要基于圖像相似內容的定位以及蒙版遮蓋來實現。如圖3所示，對序列圖像6和序列圖像23的相近內容的控制點調節，細節編號一致，內容也須相同，出現變量差則要通過重新確定控制點或移動現有控制點重新定位，最終使2張相關圖像進行動態縫合。

圖3 PTGui對內容相近的序列組圖像動態縫合

（二）圖像缺陷修復

對PTGui合成的全景圖中通過遮罩不能完全處理的圖像缺陷可以使用photoshop全景圖像3D功能來修復。值得一提的是，合成的全景圖像不能在photoshop的平面功能下進行修復，因為它所圍合成的6 面體是一個實體空間，Photoshop圖像處理軟件2019版提供了完整的空間圖像缺陷修復解決方案。在3D菜單中，選擇由圖像生成三維空間，進入三維空間以后，選擇相應的要修復掉的內容，可以采用選框工具將其框選，它的邊緣應盡量與所要刪除的內容接近或邊緣相對比較接近。接下來要做的工作是，通過圖像填充的形式選取內容識別，將不必要或不需要的內容用相似的像素填充掉，原理是相鄰像素深度的閾值接近性覆蓋。如圖4所示，大地灣古文化遺址原始村落F601探方全景圖像修復三腳架前后的對照。

圖4 利用photoshop中的3D功能修復圖像缺陷的前后對比

（三）圖像分辨率與像素要求

隨著硬件技術的發展，圖像分辨率越來越高，存儲的信息也越來越多[5]。720云以及鯤圖全景處理軟件當前所支持的圖像都采用的是縱橫比1：2的畫幅大小，圖像越大所顯示的效果相對越清晰。圖5為在PTGui軟件當中合成的全景圖像，它所顯示的圖像像素為7 000像素*14 000像素，所呈現的圖像效果非常清晰。

圖5 PTGui修復的全景圖像（序列圖像編號形式）

四、觀覽設計開發

全景觀覽的設計與開發是在全景圖像設計完成的基礎上，將它導入到專業的全景制作軟件中，使其根據圖像的空間屬性產生三維空間實體效果，從而進行動態瀏覽的一種技術。它的實現要有開發平臺作為支撐進行空間再造，需要交互設計優化觀覽的效率并進行迭代開發。

（一）開發平臺

當前常用的720云和鯤圖App可以實現完整的全景觀覽開發。特別是它的交互性中所采用的熱點連接、網站搭載、圖片和文字介紹、音樂添加等功能，能夠在瀏覽的過程當中實現視、聽覺多方面的感官體驗。設計集成中，通過熱點的鏈接可以實現不同場景之間的切換，同時對于重點的內容亦可通過網頁的鏈接來深入介紹，通過文字介紹，也可以對于某一個展示重點進行信息滲透。

（二）交互設計與迭代

交互（interaction）是因為有了“動作”（action）和相應的“反饋”（reaction）才形成了一個回合的交互行為[6]。隨著5G技術的應用與推廣，消費者參與互聯網經濟的機會大大增加，用戶體驗對消費決策的影響力愈加明顯。古遺址全景觀覽設計需要通過迭代優化來提升藝術展示的效果與服務價值的延伸。用戶可以在瀏覽的過程中即時發布個人意見與見解，開發者可以通過交互設計掌握用戶的動態以及個人愛好來分析受試者對于全景觀覽資源的認知情況。互連網迭代開發與優化的價值在于可以實現迭代與開發并行，快速提升交互的易操作性與大眾體驗的快感，并迅捷地做出調整。

互聯網的介入使全景觀覽資源快速到達消費者成為可能，在這個過程，“去中心化”的推送與瀏覽，最大化的滿足了目標群體受眾的要求。資料顯示，2018年全國鄉村旅游收入突破8 000億元[7]，特別是近年呈現出井噴式增長態勢，VR和3D技術介入全景觀覽設計助推旅游資源整合開發大有可為。

五、總結

互聯網時代，3D和VR技術介入全景觀覽設計，對于古文化遺址的價值傳播，特別是對全域旅游發展的推動意義非常積極，屬于通過藝術展示的形式助推地區經濟快速的一條全新的路徑探索。尤其是對于經濟欠發達的地區，基于互聯網渠道對地區文化資源稟賦進行視覺開發與推廣，可以在較短的時間內實現經濟社會價值與文化價值傳播相滲透的雙效作用。