基于VR的景觀全景制作與研究
——以金川國家礦山公園為例

王斌儒，田建榮

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)高速發(fā)展，在各行各業(yè)均得到了廣泛的使用，可以為使用者提供良好的身臨其境體驗(yàn)，給用戶提供完美的360°沉浸效果。用戶在佩戴顯示設(shè)備時(shí)，可多個(gè)方向移動，進(jìn)行全方位人機(jī)交互，增強(qiáng)了展示效果。由于上述的優(yōu)勢，當(dāng)前VR技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，VR技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中都有廣闊的應(yīng)用前景，全景展示技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中都有著獨(dú)特的魅力[1-2]。

甘肅金昌國家礦山公園位于甘肅省金昌市，占地面積6.93 km2。2005年8月國土資源部批準(zhǔn)為首批國家礦山公園。礦業(yè)遺跡以典型的塊狀硫化物礦床為代表。主要礦業(yè)遺跡有：折腰山河火焰山兩個(gè)銅、硫、金、銀等貴金屬為主的露天礦礦山遺跡[3]。

本論文結(jié)合金昌市獨(dú)有的礦山特色，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和礦山景觀深度結(jié)合，提出基于VR的礦山景觀全景制作方案，進(jìn)而在基本交互流程、攝影手法和展示效果等方面進(jìn)行梳理，最終利用全景視頻的展示手法實(shí)現(xiàn)金昌市國家礦山公園的全景展示，使用戶可以體驗(yàn)到交互性強(qiáng)、沉浸度高的景觀展示。對于礦山和景觀的展示形式具有一定的創(chuàng)新效果。

1 技術(shù)路線

本文通過前期的調(diào)研，根據(jù)金川礦山公園全景展示的特點(diǎn)與需求，從3個(gè)方面來進(jìn)行分析和選擇，分別是：全景原理、全景制作和全景展示，如圖1所示。

圖1 金昌市礦山公園全景設(shè)計(jì)技術(shù)路線

1.1 全景原理

礦山全景的形成需要進(jìn)行多個(gè)角度的影視采集，以便達(dá)到公園內(nèi)重要景觀可實(shí)現(xiàn)垂直180°和水平360°范圍內(nèi)的全景展示，使用者可以通過自身或設(shè)備的移動進(jìn)行各個(gè)視角的瀏覽，進(jìn)而后期實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

目前主流的全景展示形式主要有3種：全景圖片形式、全景視頻形式和全景漫游形式[4]，均改變了傳統(tǒng)的圖片文字宣傳模式，能突破時(shí)間限制。在實(shí)景拍攝的基礎(chǔ)上加進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)都具有沉浸性、交互性的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)360°沒有死角的三維場景效果，但同時(shí)3種形式也各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以下將對其進(jìn)行具體分析。

1.1.1 圖片形式

圖片主要是通過現(xiàn)實(shí)照相和后期處理而得，最大的特點(diǎn)就是真實(shí)，而且制作成本較低，產(chǎn)出時(shí)間也短。但動態(tài)性差，交互能力不足。

1.1.2 視頻形式

該形式是在全景圖片技術(shù)上發(fā)展起來的，利用每秒連接多張圖片而形成視頻效果，故其真實(shí)性同上，但制作成本和時(shí)間將大大增加，動態(tài)性得到了極大地提升。但在視頻形式中，鏡頭語言缺失，細(xì)節(jié)刻畫不足，蒙太奇剪輯嚴(yán)重弱化，不適用于風(fēng)景或大場面。

1.1.3 漫游形式

漫游模式實(shí)現(xiàn)了360°無死角的觀看，而且在素材中添加了音樂、文字和各類選項(xiàng)，極大地增加了虛擬現(xiàn)實(shí)的趣味性和互動性，同時(shí)，由于具有開發(fā)的功能，故該形式具有極強(qiáng)可塑性。但制作周期長，制作成本高也是該模型讓人望而卻步的主要原因。

通過上述分析對比，得出表1，結(jié)合金川國家礦山公園的景觀特性和制作成本，可以選擇圖片或者視頻的形式。

1.2 全景制作

實(shí)地拍攝，建模繪制是全景制作的兩種主要形式，建模包含二維和三維兩種模式，但實(shí)際工作中主要以三維為主，以下將對實(shí)地拍攝和建模繪制進(jìn)行分析和選擇。

1.2.1 實(shí)地拍攝

主要通過全景設(shè)備進(jìn)行圖像采集，后期在室內(nèi)進(jìn)行圖像拼接，方可完成全景圖片或視頻，準(zhǔn)備工作簡單，真實(shí)感強(qiáng)，清晰度高，可信度高。

1.2.2 建模繪制

建模繪制時(shí)在實(shí)地拍攝的基礎(chǔ)上，通過前期設(shè)計(jì)，后期三維建模和實(shí)地場景融合，最后實(shí)現(xiàn)展示成果的一種方式，該方式成本較高，制作周期較長，需要對每一個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行詳細(xì)處理和渲染，技術(shù)門檻高，工作量大。但由于建模是數(shù)字化的成果，方便網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

對比表2，結(jié)合實(shí)際，對于金川國家礦山全景展示，最終選擇360ONE全景相機(jī)進(jìn)行實(shí)地拍攝的方式來完成全景制作的素材和成果。

表2 建模繪制和實(shí)地拍攝的對比

1.3 全景展示

制作完成后，展示成果的設(shè)備選擇也十分影響顯示和體驗(yàn)效果，傳統(tǒng)的模式是將其投放到屏幕上進(jìn)行顯示，現(xiàn)主要是使用VR眼鏡進(jìn)行交互和觀覽，綜合設(shè)備價(jià)格、顯示效果和用戶體驗(yàn)等各個(gè)方面，本研究選取愛奇藝VR2S眼鏡進(jìn)行展示，該設(shè)備使用驍龍XR2芯片，8G+128G，4K高清輸出，價(jià)格合理，參數(shù)滿足要求。

2 全景設(shè)計(jì)

2.1 展示內(nèi)容設(shè)計(jì)

金川國家礦山公園，位于金昌市區(qū)西南部龍首山脈北坡。主要景點(diǎn)以中國最大的人造天坑露天礦老坑為主體，包括觀景臺、綠化荒山邊坡，礦山廢渣綠化、礦山科技館、選礦冶煉和尾礦庫參觀游覽通道[5]。

已是綠意盎然，垂柳搖曳，相互映襯，美麗如畫。登山臺階兩側(cè)碧綠茂盛，別具一格，整個(gè)綠化錯落有致，成為國內(nèi)獨(dú)一無二的靚麗風(fēng)景線。

結(jié)合上述的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)本次顯示的內(nèi)容主要分為自然和人文兩方面。

（1）自然方面主要包含山體景觀和植被景觀。其中：山體景觀包括礦山公園八座山體和金川露天鎳礦坑，尤其是礦坑，是一個(gè)長1 300 m、寬700 m、深310 m多的橢圓形人造天坑，堪稱中國最深的人造天坑。其宏偉程度應(yīng)該重點(diǎn)展示。植被景觀主要是常規(guī)樹種和彩葉樹種，主要為圓冠榆樹、刺柏景觀植物和沙生植物，整體植被錯落有致，綠意盎然。

（2）人文方面主要是通過講解的方式，展示老一輩金昌鎳礦的開拓者們，用自己辛苦的汗水，愚公移山的堅(jiān)持和艱苦奮斗的精神，對金昌人的綠色環(huán)保、以人為本發(fā)展理念和“艱苦奮斗、和諧進(jìn)取”的金川精神有更深切的體驗(yàn)。

2.2 需求設(shè)計(jì)

由于金川國家礦山公園的特殊性，相較于傳統(tǒng)的景點(diǎn)，游客可能更加注重礦坑的參觀，體驗(yàn)從頂部到礦坑底部的刺激感，同時(shí)用戶也會注重時(shí)間段的選擇，如在礦山公園的標(biāo)志性頂部參觀天文景象，這些景象或存在一定風(fēng)險(xiǎn)，或時(shí)間段不好把控，通過虛擬全景顯示，可以讓旅客在保證安全的同時(shí)，能夠感受到礦山公園的與眾不同，也是全景顯示的重要作用之一。模擬礦山公園的上述特性，具體進(jìn)行以下的設(shè)計(jì)：

（1）重點(diǎn)拍攝礦坑的雄渾偉岸鬼斧神工，讓用戶通過全景感受人類的力量是何其的偉大。形成坐礦車下礦底的視頻素材，體驗(yàn)刺激感，深入礦坑底部的礦硐，體會開鑿采礦的艱辛。

（2）展示礦山道路兩邊的植被和綠化成果，讓用戶感受金昌的發(fā)展不僅僅是向大自然的索取，也在精心地保護(hù)大自然的每一寸土地。

（3）設(shè)計(jì)不同時(shí)間段的礦山景色，補(bǔ)足用戶無法在有限的時(shí)間內(nèi)參觀完全部美景的遺憾。

2.3 體現(xiàn)手段

為了不形成視頻顯示的卡頓，按照眼睛的反應(yīng)延時(shí)，選取視頻的幀率為30 fps。本次的全景展示務(wù)必保持主視角區(qū)域的高度一致，也就是說，全景顯示中全部使用第一人稱的視角，進(jìn)行360°無死角的觀測，周邊沒有其他人進(jìn)行干擾和影響。但是，顯示設(shè)備畢竟使用的是眼睛在觀看，無法不移動觀看到全部的景象，故本次的觀眾視角分為主要視角區(qū)，次要區(qū)和盲區(qū)。主視區(qū)不固定，根據(jù)用戶的轉(zhuǎn)動而變換，這樣，次要區(qū)會慢慢變成主視區(qū)，盲區(qū)慢慢變成次視區(qū)，形成良好的過渡。

2.4 引導(dǎo)手段

在全景顯示中，必須做的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是如何正確地引導(dǎo)用戶，使得用戶能夠跟上設(shè)計(jì)者的思維路線，需要實(shí)現(xiàn)物體、字幕和區(qū)別性引導(dǎo)方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

2.5 展示設(shè)計(jì)

展示作品制作之前，必須進(jìn)行前期資料調(diào)研和實(shí)地考察，進(jìn)而對技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行分析確定，然后根據(jù)需求分析和引導(dǎo)分析，依照全景制作技術(shù)規(guī)范，確定展示設(shè)計(jì)制作路線，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)手段的創(chuàng)作全景展示作品[6-8]。具體方案如下：

（1）采用360ONE全景相機(jī)進(jìn)行實(shí)景拍攝，以圖片和視頻兩種形式展現(xiàn)。

（2）對采集的圖像進(jìn)行調(diào)色處理，然后進(jìn)行拼接，完成展示內(nèi)容。

（3）根據(jù)需求分析，對所需的功能和內(nèi)容進(jìn)行交互式制作，完成本視頻展示。

3 全景制作與展示

3.1 全景拍攝

拍攝時(shí)期務(wù)必保證素材的質(zhì)量，所以在拍攝時(shí)需要選擇合適的時(shí)間和氣候：首先是不要在中午進(jìn)行拍攝，該時(shí)段光線太強(qiáng)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的色差，而清晨和傍晚是最好的拍攝時(shí)段，如圖2所示；其次是選擇人數(shù)較少的時(shí)刻拍攝，保證圖像的純潔性；再者就是減少微距和長焦拍攝；最后就是拍攝的過程中，其架體高度最好和人體高度相仿，在虛擬現(xiàn)實(shí)顯示中也會保證人體眼睛的觀感。同時(shí)，拍攝角度的選擇也很重要，腳架1.6 m左右的平視角度是一個(gè)較好的選擇，礦坑的美景可以采用仰視視角進(jìn)行拍攝，如圖3所示。

圖2 全景拍攝時(shí)間段選擇

圖3 全景拍攝角度選擇

3.2 后期制作

利用配置較高的專業(yè)視頻處理工作站，采用專業(yè)軟件Nuke進(jìn)行素材的拼接，使用CAVA VR插件實(shí)現(xiàn)視頻和照片的矯正、縫合、色彩改正等功能，最后對產(chǎn)品進(jìn)行渲染[9]。同時(shí)，為了產(chǎn)生更好的沉浸式體驗(yàn)，聲音的加入和噪音的消除必不可少，本研究主要使用后期添加背景音樂和旁白。最后，利用AE CC202軟件消除視頻中的畸變現(xiàn)象，進(jìn)行全景視頻的包裝和效果制作。

4 結(jié)論

（1）本文充分利用VR技術(shù)全景展示的優(yōu)點(diǎn)，對其在金川國家礦山公園全景展示中的應(yīng)用進(jìn)行了參數(shù)選取、設(shè)備選擇、理論設(shè)計(jì)和實(shí)際制作，形成一套較為成熟的制作方案，豐富了數(shù)字景點(diǎn)的建設(shè)技術(shù)，對后期其他礦區(qū)和風(fēng)景點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)具有一定的借鑒意義，拓展了虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范圍。

（2）結(jié)合實(shí)際拍攝情況，提出了拍攝手段、拍攝時(shí)間、拍攝角度和后期制作等方面的具體要求，對后期制作過程中的無縫拼接、聲音處理、剪輯特效和包裝完成進(jìn)行了技術(shù)梳理和總結(jié)。為高質(zhì)量素材的采集和成品制作提供專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)。

（3）本文由于經(jīng)費(fèi)和時(shí)間的限制，有很多的不足之處，今后將進(jìn)一步系統(tǒng)提升。