基于三維全景技術的虛擬校園場景搭建

黃靖 李滿

摘 ?要：隨著信息技術的蓬勃發展，虛擬現實技術在我們日常生活中的應用已日漸廣泛，并在各個領域都有很大的發展空間。虛擬與現實相結合，既給人以近乎真實的感官體驗也滿足了用戶對虛擬場景的交互需求。三維全景技術的虛擬校園場景搭建，通過拍攝、拼接、處理、優化、上傳等環節，最終實現校園真實場景的虛擬化場景構建，使不同需求的群體足不出戶就能了解校園的全況，感受校園風貌，達到宣傳學校的目的。

關鍵詞：虛擬現實技術;校園全景;全景系統

中圖分類號：TP391.9 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0077-06

Virtual Campus Scene Construction Based on 3D Panoramic Technology

——Take Huadu Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an Example

HUANG Jing，LI Man

（Institute of Technology，Guangzhou College of Technology and Business，Foshan ?528138，China）

Abstract：With the rapid development of information technology，virtual reality technology has been widely used in our daily life，and has a great development space in various fields. The combination of virtual and reality not only gives people a near real sensory experience，but also meets the users interactive needs for the virtual scene. The virtual campus scene construction by 3D panoramic technology，through shooting，splicing，processing，optimizing，upload and other links，finally realizes the virtual scene construction of the campus real scene，makes the groups with different needs can understand the whole situation of the campus remain within doors and feel the campus style，and achieves the purpose of promoting the school.

Keywords：virtual reality technology;campus panorama;panoramic system

0 ?引 ?言

隨著科學技術快速發展，VR技術在現實生活中的應用已越來越廣泛。虛擬與現實相結合既給人以近乎真實的感官體驗也滿足了用戶對虛擬場景的交互需求。由于VR技術擁有很強的沉浸感和構想性，能讓體驗者完全沉浸在虛擬空間里，而基于現實場景構建虛擬空間，也能讓體驗者足不出戶便能體驗出真實的感覺。

隨著VR技術高速發展并與各個領域深度結合，也給不同領域帶來了更多的VR可能性：以模擬戰場操作訓練為主的軍事航天領域、以模擬高難度手術場景為主的醫學領域、以游戲影視為主的娛樂領域，還有以云課堂為主的教育領域，等等。

在這些領域中，虛擬技術都展現出了非同一般的效果，也促進了這些領域的高速發展;而該課題的研究目的是構建一個虛擬漫游校園系統，讓需要了解學校情況的人可以云游覽校園，感受校園環境氛圍，作為校園名片展示有著重要意義。

1 ?全景拍攝的前期準備流程

1.1 ?拍攝設備的選擇

工欲善其事，必先利其器，想要做一張極佳的全景圖，必然選擇能配得上這張全景圖片的“武器”。這里的“武器”指的是一臺性能過硬的單反相機、全景云臺、魚眼鏡頭和一個穩固的三腳架等拍攝設備，全景拍攝的質量與拍攝設備的選擇息息相關，根據自身需求選擇合適的設備。

1.2 ?了解校園地理文化風貌

了解拍攝地的地理文化風貌是拍攝前的重要工作之一。如本課題選擇的是廣州工商學院花都校區作為研究對象，首先要了解學校的主要建筑群、標志建筑及文化底蘊等。經深入調研和查閱資料，廣州工商學院現有廣州花都和佛山三水兩個校區，建筑面積有926 714.42 m2，其中花都校區為主校區。

廣州工商學院花都校區位于廣州市花都區獅嶺鎮海布，主要建筑有圖書館，經管樓，外語樓，音樂樓，體育館、運動場，辦公樓，綜合樓、休閑廣場，學生教工宿舍、食堂等，標志性建筑有圖書館、體育館、運動場、綜合大樓等，校園文化氛圍濃厚，建筑內裝潢、圖書、學習辦公、實驗設備等物品豐富。提前了解了校園文化、校園建筑等，思想與學校產生共鳴，可以準確地傳達學校的文化與精神，更便于課題研究。

1.3 ?校園踩點

于開拍前幾天去拍攝地進行現場踩點。所謂踩點，就是提前規劃好拍攝的路線，明確當天天氣對不同場地拍攝的影響，對校園景觀進行明確的認識，確定每個地點具體的拍攝位置，了解不同時間段各個拍攝地點人流量的不同，提前與學校負責人交流協商，獲得將要拍攝場地的通行權與拍攝許可等。

首先是規劃拍攝路線，根據校園的物理位置圖和重要建筑和標志性建筑規劃出一條大致的拍攝路線。

其次是確定每個拍攝點的具體位置。根據提前規劃好的拍攝路線，確定拍攝路線上的每個景物的具體拍攝位置，確保拍攝位置能完全體現出景物的面貌。在不同拍攝位置拍攝出來的景物也不盡相同，傳達度也會有所差異，多嘗試不同的地點，多在不同的視角拍攝，有時能發現意想不到的極佳拍攝角度。

再次是明確天氣對不同場景拍攝的影響。對于戶外拍攝來說，天氣的好壞很大程度上決定了一張照片成像的優劣。所以拍攝者需要根據拍攝場地的不同來選擇合適的時段與天氣進行拍攝。如拍攝花都校區的體育場館及周邊區域，根據早上中午下午三個時段不同的天氣來安排拍攝地點與修改拍攝路線。其中戶外場景可安排在上午7點到10點50分左右或下午3點15分到5點30分左右，具體時間可視太陽光猛烈程度而變化。中午太陽過于猛烈可以拍攝體育館內部，綜合樓內部等的室內場景，內部光源由內部燈光支持。

最后是了解不同時間段各個拍攝地點人流量的情況。如學生下課時段，中午飯點時間人流量都會激增，所以拍攝者需錯開這些特殊時間段。確保能在最佳的時間段拍攝最佳的照片。

1.4 ?相機節點的調整

在拍攝前，需要對相機的節點進行調整。節點調整的準確與否直接關系到拍出來的全景圖后期的拼接。

節點，即光線穿過鏡頭的一個點進入到相機，這一點即為節點。通過調整節點的位置，使光線不會發生折射，圍繞著鏡頭節點拍攝出來的照片，無論相機拍攝方向進行怎樣旋轉，相機監視器中距離較遠與距離較近的物體之間的透視關系都是不變的。所以，開始拍攝前，要進行相機節點的校正，避免后期拼接出現過多出現錯位的情況。

2 ?校園全景的拍攝

2.1 ?拍攝設備的搭設及調整

首先進行全景云臺與三腳架的安裝。根據選擇的設備型號和拍攝地、景的要求把云臺和三腳架連接好，然后相機原有的鏡頭換成魚眼鏡頭，再將相機安裝在全景云臺上。

2.2 ?相機的調整

按事先記錄好的節點進行相機位置的調整，焦距設置等，取得自動獲得的曝光時間和光圈值。通過相機自動識別當前場景的曝光程度，并自動對焦，有利于更加準確的獲取到當前場景的光線情況，更好的拍攝出當前場景的真實狀態。拍攝時要調回手動模式，進行手動對焦，是為了在拍攝一組全景照片的過程中，相機不會自動獲取曝光時間和光圈值并改變它，保證拍攝的一組全景照片都是用同樣的曝光時間，光圈值和ISO感光度來進行拍攝的，便于后期拼接，也能減少錯位的產生。

接著我們調整光圈值。光圈是可以收縮放大的類似圓片的裝置，用葉片遮擋光線來控制光線進入相機的數量。在相機中以f值的大小表示光圈的大小，值越小，光圈張的越開，畫面越亮，反之，畫面就越暗。但光圈值的大小不僅僅影響到拍攝畫面的亮度，還影響到了拍攝畫面的景深，如圖1為光圈與景深的關系。

所謂景深，就是拍攝畫面中最近的物體與最遠的物體之間，能清晰成像的部分。也就是平時所講的背景虛化程度。f值越小，景深愈短，背景越模糊。f值越大，景深愈長，即背景越清晰。所以選擇合適的光圈值對拍攝不同場景來說是十分關鍵的。在拍攝校園戶外場景時一般采用F8及以上的光圈值進行拍攝。拍攝校園室內場景時，F5.6到F11這個區段的光圈值比較適合全景拍攝。可以通過其他曝光補償的值調節拍攝畫面的亮度。

最后我們進行曝光時間的調節，曝光時間就是我們常說的快門速度，單位是秒。曝光時間越長，拍攝畫面越亮，反之，曝光時間越短，拍攝畫面越暗。但拍攝時間越長，越容易因為其他因素，比如手抖，被攝畫面中人物移動過快而出現殘影的情況。所以需要根據所拍攝的場景選擇合適的曝光時間。在我們拍攝校園戶外場景時，常常會遇到校園內學生在畫面內移動的情況，此時可以視情況將快門速度調高，一般可調節在1/250左右或以上，具體可視成像效果而改變，如表1所示。若是遇到室內無人的情況，可以將快門速度調節在1/50左右，具體可視成像效果而改變。建議不要低于1/4，避免出現殘影的現象。

ISO感光值、曝光時間、光圈值這三個數值一起影響著相片的曝光，要相應地調節這三個參數，此消彼長。

2.3 ?全景拍攝

拍攝時的角度滿足的條件是：在相鄰的兩個角度之間拍出來的圖像中間至少有30%左右的重疊即可，根據確定的焦距計算拍攝的視角大致為126度。圍繞相機水平拍攝四張照片，再補拍天空跟地面各一張。原則上一個角度只需要拍攝一張照片即可。但是經常會碰到在高光比的環境下，拍攝的照片出現某些地方過曝或者某些地方過暗的情況。在拍攝一組全景照片的過程當中不可以隨意地進行參數的調節，所以使用HDR模式來進行拍攝。通過HDR模式，相機會根據設定的參數來自動拍攝三張不同曝光的照片，拍攝者會得到一張偏暗的照片，一張正常的照片，一張偏亮的照片還有一張三者結合后的照片如圖2所示。相機自動合成照片時，偏暗的照片會根據另外兩張照片追回其高光缺失的部分，偏亮的照片也會根據另外兩張照片彌補其暗部缺失的細節，所以在HDR合成之后，拍攝者會得到一張細節更多，并且光線也更加柔和的照片。

調整好角度拍攝完水平的一張照片后，要旋轉云臺底座90度，拍攝第二張照片，直至水平一周的照片拍攝完成，將云臺底座刻度旋轉回0度，并將上懸臂向下垂直，使相機鏡頭面向天空，進行天空的拍攝。進行天空拍攝時需要所有拍攝者蹲下或者到魚眼鏡頭拍攝不到的地方，否則可能會入相，導致后期工作增加。拍攝完成天空的相片后就開始拍攝地面的相片，雙手握住相機，雙腿向后站立，身體向前傾，保持相機不動，過程中盡量不碰到拍攝者拿著相機的手臂。

3 ?構建虛擬全景

3.1 ?合成全景圖

合成全景圖有多種軟件可以實現，本次設計使用PTGui Pro X64 12軟件來進行全景圖的合成。

3.1.1 ?合成修剪

首先放大所有拍攝照片的縮略圖以挑選六張照片用于合成全景圖。由于拍攝時開啟了HDR模式，因此拍攝一個角度，相機會生成四張照片，前三張是三張不同曝光的照片，最后一張是由前三張曝光不同的照片HDR合成的照片，所以一般選擇第四張照片進行全景圖的合成。在一個場景的每一個角度選擇一張相同曝光的照片后，直接拖進PTGui中，PTGui會自動獲取到鏡頭參數，并對圖片進行修剪，要確保五張照片采用同樣的修剪范圍，完成后點擊對齊影像就可以得到一張全景預覽圖，如圖3所示。然后查看控制點，選擇最差控制點給予刪除，有利于接下來的優化。

3.1.2 ?遮罩與優化

想得到一張相對完善的全景圖，必須有完美的全景照片，即控制點是精準的，暴光是正確的，重疊是合適的。PTGui中自帶遮罩和優化功能能夠實現對合成的不完美的圖形進行修改，方法是首先利用遮罩功能來改善方向、透明度和色彩等不足，然后用優化功能對圖中的瑕疵進行優化，從而達到相對較好的效果。

3.1.3 ?預覽與保存

對完成的全景圖可以在PTGui中進行預覽查看效果。最終效果如果顯示正常，就創建全景圖，查看全景圖的寬度和高度是否保持在二比一的比例，然后選擇95%的品質。因為100%與95%的畫質相差不大，但100%的畫質文件卻大了許多。接下來設置全景圖保存的位置，點擊創建全景，即可創建出一張全景圖。

3.2 ?全景地面的修補

正常情況下創建出一張全景圖之后，還需要將被三腳架遮擋住的地面修補回來，一般使用Photoshop就可以完成修補工作。不過要熟練運用Photoshop，通過圖層、遮罩、選擇工具等功能完成修補工作。

3.3 ?錯位在PTGui中的處理

若在全景圖中出現錯位的情況，要重新回到PTGui中，在合成全景圖之前要手動進行控制點放置。首先要刪除最差控制點，然后查看圖片錯位的地方系統標記的控制點是否準確，在有錯位的相鄰的兩張圖片上添加幾組控制點，增加圖片拼接的準確率。選擇控制點添加的位置也就是尋找兩張圖片的相同之處是關鍵，最好找交接點的位置，如地板線之間的交接點，墻壁與地面之間的交接點等等，控制點盡量要均勻的添加，一般錯位的地方上下左右最好都要有，如圖4所示。一般情況下，找五、六組控制點就可以。找好控制點之后，再按F5整體優化一下，查看優化結果。

3.4 ?錯位在Pano2VR中的處理

如果在PTGui中通過手動增加控制點之后，仍然有錯位的情況出現，可以單獨將有錯位的地方提取出來再次進行修補。使用Pano2VR軟件進行錯位提取非常方便，將有錯位的全景圖拖入Pano2VR中，點擊轉換圖片按鈕，選擇立方體格式類型，選擇輸出文件位置，點擊轉換按鈕即可。

根據后綴名_cube_編號，可以很容易找到通過Pano2VR導出的圖片。選擇其中出現錯位的圖片，用PS進行修補即可。修補時要注意盡量不要改動到連接下一張圖片的線，否則會產生新的錯位。

修補完后儲存，保持圖片名不變，將原來錯位的圖片覆蓋掉，格式保存為JPEG格式。再返回到Pano2VR中，將原先分割出來的后綴名為_cube_0的圖片拖入Pano2VR中，Pano2VR軟件會自動識別同一文件夾下的其它五張圖片并進行合成。進行相關設置后點擊轉換按鈕，即會重新拼接生成一張新的全景圖。可在PTGui查看器查看修補之后全景圖片的效果。

4 ?全景圖的修飾

4.1 ?全景圖的調色

對修補拼接后的全景圖還要進行調色處理。使用PS中的Camera Raw功能進行全景圖的調色處理。

調色時要注意：陰影修剪警告會以藍色覆蓋的區域來表示圖片過暗的部分，高光修剪警告會以紅色覆蓋的區域來表示圖片過曝的部分。若提示曝光部分過多，可適當降低高光值;增加陰影值可使圖片中陰影部分變得明亮（局部明亮而非全局明亮）。

其它根據照片的質量可對對比度、清晰度、去除薄霧值等進行調整。調高對比度可使照片看起來有色澤，清晰度值越高，圖像看起來越清晰，去除薄霧值，與清晰度類似但效果沒有清晰度明顯，其數值越高，圖片所展現出來的效果越清晰，去除薄霧值越低，則圖片所呈現的效果越模糊，仿佛蒙上了一層薄霧。通常情況下適當增加去除薄霧值即可。還有白色與黑色的值可適當增加或減少，其他的參數值一般不進行調整。

本次戶外場景拍攝的照片調節高光值與陰影值的參數會比較多，因為戶外光線強烈容易引起過曝的情況，也容易使局部陰影過于沉重，能局部調節的高光值與陰影值就成為了應對這種情況的專用良藥。

調整完成后存儲，然后再打開圖像，可在完成調色的基礎上進行全景圖片的換天工作。

4.2 ?全景天空的替換

進行戶外拍攝的圖片經常會出現天空過曝的情況，為了使最終全景漫游效果更美觀，專業的制作者時常會進行更換天空的操作。

首先，準備全景天空的素材包，在已經調好色的全景圖片上拖入一張全景天空的素材，最好使用拖曳的方法打開，這樣有利于全景天空素材與全景圖之間大小的校準。將全景天空拖進去之后，調整全景天空的位置，使其與全景圖的天空位置一致。接著使用PS的圖層、柵格化、蒙版、漸變、濾鏡、亮度與對比度等功能完成全景天空和全景圖的畫面的替換。

5 ?全景圖的上傳

5.1 ?平臺的選擇與發布

在所有圖片都修整好之后，就可以進行全景漫游效果的完善與發布了。發布的平臺有許多，如選擇發布到720云平臺上。操作相對簡單，在注冊賬號后，按照提示就可以發布作品和對作品進行編輯。發布時要注意上傳的全景圖的尺寸要不小于6 000×3 000像素。

5.2 ?編輯

進入編輯頁面后，默認為基礎設置界面，可以在基礎設置界面中設置開場動畫，其他功能如說一說，點贊，手機陀螺儀，分享，瀏覽量等功能，一般除了開場動畫，其他使用默認設置即可。

5.2.1 ?全景視角調整

全景視角的調整。對編輯完成的圖形要根據實物場景進行視角的調整，首先確定初始視角的范圍大小，可自定義限定最近與最遠的值，以達到真實的效果。如圖5所示。

5.2.2 ?添加熱點

熱點是最關鍵的設置，通過熱點將本各自獨立的全景圖連接起來，成為一個整體。720云平臺可以非常方便地進行熱點的設置。點擊“熱點”選項，進入熱點界面，選擇想要添加熱點的視角，點擊“添加熱點”按鈕，選擇熱點樣式、熱點類型，選擇全景切換類型、選擇目標場景等，即可在導入的全景圖中選擇熱點切換的場景，如圖6所示。

5.2.3 ?設置沙盤

沙盤，其實就是設置一個縮略圖，再設置一個帶方向的位置點，將用戶當前所在校園場景全景圖的位置與朝向與校園縮略圖中該校園場景的位置與朝向相對應。720云平臺上可以方便地完成沙盤的設置。需要注意的是縮略圖最好為2 500×2 500規格大小的照片，體積不超過1 Mbps。

5.3 ?添加其它元素

5.3.1 ?添加音樂

在VR全景圖中加入音樂，能使全景圖變得生動活潑，整體提升用戶在進行全景漫游時的心情，也能讓制作者更好且更準確地傳達作品的精神與內涵。

720云平臺上具有添加音樂的功能，按照提示添加即可。但要注意音樂的選擇要和場景相匹配，并要注意知識產權的問題，不能引起糾紛。音樂添加好后可以適當調整音量，選擇循環播放等。另外還可以加入字幕、語音講解等。

5.3.2 ?設置特效

特效設置，是給全景校園添加“下雨天”或“太陽光”以及特殊場景的特效，根據真實場景的需要，添加特效，會增加真實感，達到身臨其境的效果。

當所有全景圖片編輯完成之后，制作者可以點擊預覽查看編輯的效果與隱藏不重要的縮略圖，然后進行調試與修改。當調試修改無誤后，校園全景漫游的制作也就完成了，如圖7所示。

6 ?結 ?論

本文主要是利用三維全景技術完成虛擬現實系統中場景的搭建，涉及拍攝技術和技巧、圖像處理和拼接技術、全景的發布平臺和處理軟件等。虛擬現實技術正在快速發展，全景制作技術與拍攝設備也在不斷地更新迭代，作為全景的制作者，需要不斷地學習與接收新的知識技術，以更便捷，更有效的方法呈現更為完美的全景作品。

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作者簡介：黃靖（1997.07—），男，漢族，廣東汕頭人，本科在讀，研究方向：數字媒體技術;李滿（1966.12—），女，漢族，河南南陽人，副教授，碩士，研究方向：虛擬現實技術、人工智能。