基于VR 全景技術的虛擬氣象科普展設計＊

張 麗，劉 蕾，孫大兵

（安徽省蕪湖市氣象局，安徽 蕪湖 241000）

隨著網絡、信息技術的不斷發展，人們獲取信息更加注重快捷、方便、高效的獲取方式和良好的個人體驗效果。虛擬現實即VR（Virtual Reality），其是在互聯網技術產業鏈發展與人們對良好體驗需求不斷交叉增長中產生的新事物[1]。

VR 是借助計算機及最新傳感器技術創造的一種嶄新的人機交互手段，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物[2]。VR 全景技術作為VR 技術中的重要部分，在軍事、醫學、城市規劃、視頻會議、娛樂等領域被廣泛運用。VR 全景技術是一種運用數碼相機或全景拍攝設備對現有場景進行多角度環視拍攝，然后進行后期縫合并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術[3]。由于自身的沉浸感、交互性、想象性等特點，VR 全景技術目前也成為了現代社會傳播文化的重要手段[4]，尤其是在2020年全球爆發新冠疫情后，在居家無法外出、避免人群集聚的情況下，線上辦公、學習、參觀等需求急劇飆升。充分把VR 技術應用到各類展覽中是當今時代發展的必然結果。

近年來很多專家學者對此展開了相關研究，如馬自萍等[5]應用Pano2VR 與虛擬現實技術相結合的方法，對寧夏博物館進行虛擬設計；王映霓[6]基于PTGui和Pano2VR 對自貢鹽業歷史博物館交互式全景漫游進行了設計研究；馮于天韞等[7]運用VR 技術對校史館進行了導覽設計；孫曉艷等[8-10]也都對基于虛擬現實技術的展覽數字化進行了探索和研究。在氣象科普領域VR技術也非常受歡迎，能夠顯著增強用戶參與度并提升用戶體驗。如上海氣象博物館推出“云”游博物館通道，公眾通過掃描二維碼就可以通過VR 全景方式游覽上海氣象博物館展廳，突破距離和人流量的約束用全新的方式體驗；中國氣象局基于VR 技術制作了《穿越臺風》《天兵行動》《太陽風暴》等多部氣象科普影片，使用戶能夠親臨其境體驗體驗臺風、了解人工影響天氣等氣象過程[11]。

2021-03-23—2021-05-23，安徽省氣象局在蕪湖市博物館舉辦了《世紀風云——安徽氣象事業百年回顧展》（以下簡稱“回顧展”），精選了氣象儀器、書籍、照片等80 余件（套） 珍貴藏品，展示安徽氣象歷史和氣象科學的發展歷程。因為線下實體展覽的展期只有2個月，為打破時空限制將此次展覽內容長久保存在云端。本研究運用VR 全景技術設計了虛擬安徽百年氣象回顧展，使公眾隨時隨地可以通過PC、智能手機、iPad 等智能終端進行在線參觀，獲得沉浸式的感受和體驗。

1 設計思路

通過對安徽氣象事業百年回顧展進行室內室外的實景拍攝，將多組照片拼接成一個全景圖像，然后通過計算機技術構建一個虛擬現實的全景空間，添加解說語音、背景音樂等實現720°全方位視聽覺體驗。將安徽近代以來的氣象科技發展歷程通過互聯網和移動互聯網平臺進行數字化展示，公眾隨時隨地都可以點擊鏈接或掃描回顧展二維碼通過PC、智能手機、iPad等智能終端進行在線參觀。

建設內容包括數字化采集制作和展示發布系統2部分。

數字化采集制作：將安徽氣象事業百年回顧展的展廳、展柜、展板、展品以及室外部分進行數字化采集并進行后期處理，為項目數字資源部分。形式設計上要求版面展現立體，景觀模型靜態動態相結合、實物與場景融合一體。通過運用蕪湖市博物館建筑和街區實景圖片與三維動畫、多媒體視頻融合等展示手段，增強展覽的知識性、觀賞性。

展示發布系統：720 云端實現數據存儲和調用，對內容進行編輯處理，面向相關網站、微信和APP 為公眾用戶提供服務，展示安徽氣象事業百年回顧展的展板、展品和服務信息，并提供公眾與回顧展的互動平臺。

2 虛擬回顧展的系統結構

安徽氣象事業百年回顧云展覽，由云端、終端、軟件、內容4 部分組成。云端為720 在線云平臺，終端包括電腦瀏覽器和手機、平板等移動客戶端瀏覽器，軟件又稱為界面。系統結構如圖1所示。

圖1 虛擬安徽百年氣象回顧云展覽系統結構圖

3 虛擬回顧展實現的技術基礎

3.1 硬件

攝影設備：航拍無人機（用于在博物館室外鳥瞰全景）、單反相機（用于展品及圖文高清圖）、魚眼鏡頭（用于拍攝展廳廣角全景圖）及全景云臺、三腳架等輔助設備。

拍攝要求：清晰度需遠超普通全景作品，單張球形圖要能清晰還原場景原貌，像素需達到2 億以上。采用5 次包圍曝光、HDR 曝光融合。全景文件采用漸進式分辨率瀏覽方式，可在不同分辨率之間無縫切換，既能保證全景圖片的最高清晰度，也能加快全景內容的加載速度保證觀眾流暢觀看。為實現在電腦、手機、平板電腦等跨平臺終端的瀏覽目的，全景內容發布文件應采用H5 內核。

電腦設備：因VR 軟件對電腦處理器和顯卡要求較高，計算機的顯卡必須選擇專業圖形顯卡，內存為16 G 以上。

3.2 軟件

軟件具體包括以下4 類：①全景圖片拼接軟件。如PTGui/PTGui Pro 等，利用此類軟件可以快捷方便地制作出360×180°的完整球型全景圖片，以“控制點”的形式進行自動縫合和優化融合從而提高拼接的精度。軟件支持多種格式的圖像文件輸入，輸出可以選擇為高動態范圍的圖像，拼接后的圖像基本上沒有拼接痕跡[12]。②后期圖片制作軟件。如Photoshop、Lightroom 等，支持各種RAW 圖像，主要用于數碼相片的瀏覽、編輯、整理、打印等。③VR 全景制作軟件。如道可云VR，用于設計全景界面，添加解說詞語音，強化展板圖文和音頻內容。④發布系統。如720 云端，可對本地拍攝的全景圖片和視頻進行編輯，優化拍攝畫面、處理視頻細節，并將制作完成的作品上傳到網絡或者分享到云端。

4 虛擬回顧展制作流程

4.1 全角度拍攝

設備器材的準備：制作720 全景展示需要相應的拍攝設備，包括數碼單反相機、魚眼鏡頭、無人機、全景云臺、三腳架。具體設備品牌及型號為佳能6D2單反相機、8-15 魚眼鏡頭、JTS-Rotator 全景云臺、大疆御Mavic Air 2、偉峰6307 三腳架。

拍攝前準備：首先需到拍攝場地堪景，對拍攝現場的場地地形進行察看，結合現場光線、展示物、視角等諸多因素，擬定拍攝點位，對拍攝場地內的陳列進行調整，達到最優的觀看體驗；準備拍攝設備，包括全景云臺的安裝、相機參數與鏡頭節點的調試。旋轉云臺時三腳架需穩定，保持相機位置不移動；圖片之間不少于30%重合度。拍攝與取材包括全景相機拍攝與單反相機拍攝。使用HDR 功能拍攝，保留圖像暗部、中間、高光區域細節。用此套工具取材每60°一張，水平標的需要拍攝6 張圖像，外加頂端和底面2 張圖像，用6～8 張圖像拼合成一個360°全景展示，或選用Sigma 8 mm 的魚眼鏡頭，需4 張圖像，總計拍攝24個全景點位。

4.2 3D 建模

運用720 全景建立有三維立體感覺的實景360°全方位圖像。全景圖實際上是通過映射具有一定幾何關系的周圍場景而生成的平面圖，通過全景播放器的校正處理將其轉換為三維全景圖。將水平360°和垂直360°環視效果疊加在一起，雖然照片都是平面的，但通過技術處理獲得的360°全景可以給人一種三維空間感，讓觀眾感覺自己置身其中，它能充分顯示雙360°球面范圍內的所有景物[13]；可以按住并拖動鼠標左鍵以查看場景的各個方向。三維全景圖大多是在照片的基礎上拼接而成的圖像，最大限度地保留了場景的真實性[13]。使用手機或電腦就可以流暢地觀看。《世紀風云——安徽氣象事業百年回顧展》全景及鳥瞰圖如圖2所示。

圖2 《世紀風云——安徽氣象事業百年回顧展》全景及鳥瞰圖

4.3 配音音頻制作

根據安徽氣象事業百年回顧展的燦爛與智慧、安徽古代氣象、艱難與探索、近代安徽氣象奮斗與輝煌、共和國氣象事業等不同的場景及展品情況共撰寫了47段解說詞，并制作完成解說詞的音頻mp3 格式文件。

4.4 圖形合成VR 渲染

使用全景拼合軟件PTGui 進行圖像的拼合處理。PTGui 是一款性能較為強大的全景圖片拼接軟件，其操作流程簡單方便：導入一組原始圖片，運行自動對齊控制點，生成全景圖片文件。軟件導入圖片后能主動讀取圖片的鏡頭參數，識別圖片堆疊區域的像素特征，隨后以“控制點”的模式進行自動縫合，用戶也可以手工添加或刪除控制點，從而提高拼接的精度。并且它支持輸入多種格式的圖像文件，拼接后的圖像基本上沒有明顯的拼接痕跡[8]。

使用全景拼合軟件PTGui 進行圖像的拼合處理，具體過程如下：打開PTGui 和圖片所在的文件夾。點擊“加載圖像”，將所拍攝同一場景的6 張圖像拖至PTGui 窗口。對齊選中時6 張圖像，當屏幕出現全景編輯界面時，將全景圖居中，固定垂直對齊。點擊放大鏡圖標檢查全景圖細節，拖動鼠標平移圖像。在全景交互預覽窗口中調整視角，直至合適。通過設置與查找重疊區域的同名像點，可以將各同名像點一一對應。返回到主屏幕，單擊“創造全景”按鈕，選擇默認設置，點擊創造全景。最后補天補地。采用pano2vr或Krpano 軟件將長條圖轉換為720 全景。

使用Lightroom 進行修圖和潤色，保障制作出的圖像具有美感，修圖和潤色水平決定了全景質量的優劣；使用道可云VR 全景制作系統進行界面設計，增加藏品的高清單圖展示，配備解說詞語音，呈現展板圖文和音頻內容。

4.5 全景漫游圖發布

進入720 云進行注冊并登錄，在“發布”界面上傳已處理的全景圖片，在導入全景圖片后單擊“發布”按鈕完成工作的創建。創建完成后在主窗口中會看到創建的作品，雙擊打開創建完成的全景圖，可進入作品的編輯界面，進行全景效果編輯，如初始視角的重定義、添加熱點鏈接、添加音樂、添加特效、嵌入圖片元素、添加遮罩等多種編輯操作，這些編輯性能可以依據實際需求進行選擇操作。添加熱點鏈接是為了實現回顧展的全景漫游，通過熱點鏈接完成圖像間的切換。實現熱點設置后，還能夠給全景圖增加語音講解、配鏡音樂等特效潤飾美化。編輯好全景圖并設置完基本功能后，在720 云端發布Flash、Java、Quicktime等多種觀看方式，可用計算機、手機、平板等瀏覽器進行觀看。

5 結語

采用VR 實景漫游技術制作了線上的《世紀風云——安徽百年氣象回顧展》，共設計了24個場景，觀眾在任意時間地點都可以通過登錄網站、氣象蕪湖微信公眾號或掃描二微碼的方式進行觀看，只需通過線上動用手指、動作等一些交互性的手段點擊任一場景就可以實現沉浸式觀看。基于PTGuiVR 的實景漫游技術只需要將所拍攝的圖像拼接成全景圖獲取圖片數據。方法簡單易上手，同時使用相機進行實景拍攝場能夠真實呈現原景原貌，真實逼真、可信度高，開發周期短、成本低。基于這些優點使其成為在互聯網上進行全景展示較好的工具與平臺，為實現展覽數字化建設起到積極的推進作用。

本研究利用VR 全景技術對氣象科普展覽進行了有益的探索。采用VR 技術，讓原本只有2個月短暫展覽周期的《世紀風云——安徽百年氣象回顧展》能夠得以永久保存，觀眾能夠跨越時空得到全方位交互式的視覺感受，更好地發揮了教育功能和社會功能。由于目前VR 技術應用在氣象展覽等科普活動中還處于初級發展階段，硬件和軟件還有待進一步發展，虛擬的安徽百年氣象回顧展還存在畫面不夠精致、交互體驗的動作簡單固定等弊端，還不能給觀眾帶來嗅覺、觸覺等互動感，真正的沉浸式體驗還沒能實現。

總體來看，基于VR 技術的新型數字化氣象科普產品能夠起到良好的科普效果，改變了傳統的參觀和學習方式。未來隨著技術的發展和需求牽引的相互推動，VR 技術將被全面應用于氣象科普領域，如將氣象觀測站、氣象應急指揮車、氣象預報平臺、人工影響天氣直升飛機、多普勒雷達等裝備和場景展示出來，并能三維模擬大風、龍卷、洪澇、暴雨等常見災害，演示其發生發展規律，身臨其境體驗氣象災害并在體驗中學習掌握自救和互救知識[14]，提升公眾的氣象科普素養和全民防災減災救災的能力。同時基于VR 的氣象科普電影、游戲、短視頻等產品也會蓬勃發展。利用VR 技術通過制造真實、優良的虛擬體驗和學習空間將對氣象科學方式進行重塑，將大大激發人們對科學的想象力和創造力，使民眾切實體會到科普的魅力和作用。