基于三維全景技術(shù)的虛擬地震臺站構(gòu)建及GIS應(yīng)用
2017-09-12 03:07:54張孟怡王建國
華北地震科學(xué) 2017年3期
張孟怡， 薛 娜， 朱 宏， 王 萍， 王建國
(天津市地震局，天津 300201)
基于三維全景技術(shù)的虛擬地震臺站構(gòu)建及GIS應(yīng)用
張孟怡， 薛 娜， 朱 宏， 王 萍， 王建國
(天津市地震局，天津 300201)
構(gòu)建了天津地區(qū)三維全景漫游的虛擬化地震觀測臺站，并介紹了其技術(shù)原理、技術(shù)路線以及制作技巧。通過網(wǎng)頁發(fā)布使用戶利用瀏覽器即可了解地震臺站的工作環(huán)境、儀器設(shè)備等信息，同時將三維全景與GIS應(yīng)用相結(jié)合，一方面擴(kuò)展了防震減災(zāi)宣傳教育面向的領(lǐng)域，增強了網(wǎng)站的互動性，另一方面也為三維全景漫游技術(shù)的應(yīng)用提供參考。
全景漫游；三維全景；地震臺站；圖像拼接
0 引言
地震臺站是防震減災(zāi)工作的最基層單位，它的功能是觀測地震活動、地殼形變及地球內(nèi)部的物理特性、化學(xué)特性變化。同時，地震臺站也是重要的防震減災(zāi)科普教育基地。目前公眾對防震減災(zāi)的工作內(nèi)容并不十分了解，他們大多通過網(wǎng)頁知識介紹，以及門戶網(wǎng)站來了解簡單的工作職能。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前地震系統(tǒng)31家省級單位和16個中國地震局直屬單位，部分市縣地震部門均開辦了自己的門戶網(wǎng)站。這些門戶網(wǎng)站中在網(wǎng)站上建立科普專欄的有22家，占46.8%。而科普專欄建設(shè)內(nèi)容較豐富的只有9家，占所有開辟網(wǎng)站單位的19%?？梢妼τ诙鄶?shù)單位而言，門戶網(wǎng)站的科普宣傳作用并未被充分發(fā)掘[1]。
隨著HTML5技術(shù)的發(fā)展，大家越來越強調(diào)網(wǎng)站的互動性，所以比較傳統(tǒng)的展示手段如圖片、文本等已經(jīng)不能被訪問者所接受。這些展示手段只是在單方面進(jìn)行表達(dá)，無法讓瀏覽者有參與感，展示宣傳的效果自然比不上有沉浸感和參與感的虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)方式。本文提出三維全景漫游臺站的思路，通過三維全景漫游技術(shù)，在計算機中真實再現(xiàn)地震臺站工作環(huán)境。用戶只需要輸入網(wǎng)址便可直觀地了解臺站工作環(huán)境、區(qū)域地震概況和儀器運行原理等信息[2]。以天津地區(qū)有人值守臺站為實例，在臺站的主要場景進(jìn)行全景圖像采集，制作各個場景圖的跳轉(zhuǎn)和交互，基于百度地圖API提供的Web服務(wù)，確定三維場景的實際地理位置，將位置與實景對應(yīng)起來，最后進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布。
1 三維全景漫游技術(shù)及本文制作技巧簡介
1.1 三維全景漫游技術(shù)簡介
三維全景(Three-dimensional Panorama)漫游技術(shù)是運用相機對目標(biāo)場景進(jìn)行多角度拍攝，然后利用軟件進(jìn)行后期縫補并生成一種三維虛擬展示效果的方法。這是一種對于真實場景的還原方式，在播放器(Quicktime、flash等)或者網(wǎng)頁瀏覽器的支持下，觀看者可以用鍵盤和鼠標(biāo)在虛擬場景中進(jìn)行上下左右的移動，達(dá)到行進(jìn)或者后退等效果，實際上也是在調(diào)整觀看者的視點位置和視角，使觀看者有身臨其境的體驗。三維全景技術(shù)強調(diào)的是人以現(xiàn)實中的方式同虛擬場景空間中的對象進(jìn)行交互操作，給操作者豐富的想象。從性能上看，它不需要昂貴的硬件設(shè)備就可以產(chǎn)生相當(dāng)程度的VR*VR.Virtual Reality的縮寫，中文釋義為虛擬現(xiàn)實體驗[3]。同時有利于對偏遠(yuǎn)、危險環(huán)境的仿真，極大地縮減管理、參觀成本。
表1 三維全景漫游的特點
三維全景按照所映射的幾何體模型可以分為3種:球形全景、柱形全景、立方體全景。柱形全景構(gòu)造相對簡單，可以使用全景相機拍攝一張完整的柱面全景圖，也可以用普通相機圍繞固定點以一定角度旋轉(zhuǎn)一周拍攝得到一組邊緣相互重疊的圖像序列，然后將它們投影到圓柱面上，最后無縫拼接得到全景圖[4]。在柱形全景中，觀看者可以環(huán)水平方向360°觀看四周的景色，但是如果用鼠標(biāo)上下拖動時，觀看者的視野會受到限制，適合狹小空間和室內(nèi)的全景制作；球形全景在拍攝時沿著水平和垂直2個方向進(jìn)行多角度環(huán)視拍攝，經(jīng)過拼接縫合后可以實現(xiàn)上下與左右方向360°的全視角展示[5]，通過鼠標(biāo)、鍵盤的操作，可以觀察到任何一個角度。實質(zhì)是將球形的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)直接拉伸到水平和垂直坐標(biāo)形成一個平面。球形全景圖可以通過普通相機拍攝后，再通過拼接手段得到球面形狀，也可以應(yīng)用魚眼鏡頭或廣角鏡頭得到；立方體全景是將全景圖分成了前后左右上下6個面，效果與球形全景相似，瀏覽的時候?qū)?個面結(jié)合成一個密閉空間來實現(xiàn)整個水平和豎直的360°全景(圖1)。
圖1 柱形全景和球形全景投影原理[6]
1.2 采用的技術(shù)路線及制作技巧
本文研究制作使用的相機為佳能EOS7D ，軟件工具是PTGUI和Pano2VR。其中PTGUI是全景圖制作軟件，Pano2VR將拼接好的全景圖生成格式為“.swf”，可以在QuickTime以及各種瀏覽器中瀏覽的flash文件。技術(shù)路線如圖2所示。
圖2 制作技術(shù)路線
在制作技巧方面應(yīng)注意以下幾點細(xì)節(jié)：
1)采集圖片
采集圖片是整個制作過程的基礎(chǔ)，圖片的質(zhì)量關(guān)系到產(chǎn)出的全景漫游成品的清晰度、行進(jìn)的流暢度等等。拍攝照片時要使用三腳架完成，首先要將腳架的每一節(jié)腳管固定牢靠，防止在拍攝過程中出現(xiàn)松動和腳管收縮的現(xiàn)象，然后將三腳架放在目標(biāo)場景的中間位置。拍攝時轉(zhuǎn)動云臺，并且沿著水平方向或垂直方向逐一進(jìn)行拍攝，同一個點位采集的照片，要有互相重疊的部分，并且盡可能具有唯一性和參照性，這樣使得后期拼接圖片的質(zhì)量更高。拍攝應(yīng)在白天進(jìn)行，陽光充足的情況下，ISO不超過200，選擇中檔光圈；光線較弱的情況下，ISO最好不超過800，可以選擇大光圈，快門時間按實際情況調(diào)節(jié)。
2)制作全景照片
將采集的圖像進(jìn)行拼接，生成全景圖，是最為關(guān)鍵的一步。把在同一個點位拍攝的若干張圖片導(dǎo)入PTGUI，在源圖像標(biāo)簽下調(diào)整好所選圖片的順序。PTGUI會自動生成一張經(jīng)過軟件預(yù)處理、配準(zhǔn)、邊界融合、去除變形的全景照片。但往往由于拍攝時的環(huán)境和設(shè)備因素，圖像會出現(xiàn)失真、變質(zhì)的現(xiàn)象，這就需要我們手動調(diào)整控制點并進(jìn)行優(yōu)化，反復(fù)修改達(dá)到無縫拼接的效果。圖像對準(zhǔn)好以后，在全景圖編輯器中對圖像進(jìn)行裁切，去掉留黑留白的部分。最后選擇好輸出文件夾輸出即可。制作好的全景圖片如下圖3所示。
圖3 地震臺站全景效果圖
3)構(gòu)建全景漫游
通過PTGUI生成的全景圖是一個二維的平面圖，構(gòu)建全景漫游需要利用Pano2VR將二維的全景圖模擬成真實的三維空間場景，這其實是一個利用實景照片建立虛擬環(huán)境的過程。
本文中對于地震臺站的全景制作，采用的是球形全景和柱形全景結(jié)合的制作方式。臺站室內(nèi)的拍攝對象空間較狹小，所以采用柱形全景制作；室外空間較開闊，則采用球形全景制作。將每一個點位的柱形全景或球形全景制作完成后，得到的是對單一視點的動態(tài)觀看，還需要對成品進(jìn)行空間邏輯上的編輯，例如本文制作的“濱海防震減災(zāi)科普教育中心”分為5個展區(qū)，包括“序廳與震災(zāi)展區(qū)”、“地震知識展區(qū)”、“監(jiān)測預(yù)報工作展區(qū)”、“震害防御工作展區(qū)”、“應(yīng)急救援和避震自救展區(qū)”。這5個展區(qū)本身構(gòu)成一個閉合的橢圓形，通過制作可以使瀏覽者在任何一個展廳都可以進(jìn)行前進(jìn)、倒退、返回等動作操作。最終將單獨視點的瀏覽連接成線，在每個場景之間跳轉(zhuǎn)，生成有序集合體，最終實現(xiàn)對目標(biāo)空間的虛擬漫游。通過添加聲音、圖片的方式可以使全景漫游成品更加生動。制作流程大致如下：
將制作好的全景圖導(dǎo)入到Pano2VR中，在顯示參數(shù)欄目里點擊修改。首先調(diào)整水平視角(180°或360°)，調(diào)整頂?shù)鬃笥业囊暯?，使其與全景圖的視角保持一致；隨后添加交互熱點，所謂“熱點”即多個全景圖之間的鏈接方式，在圖片上雙擊要進(jìn)行熱點交互的區(qū)域后編輯熱點名稱，或者在皮膚設(shè)置中，制作成“箭頭”樣式，當(dāng)鼠標(biāo)停留在熱點區(qū)域就會顯示熱點名稱或者圖標(biāo)；最后輸入URL 即要跳轉(zhuǎn)的路徑，為了方便在服務(wù)器上讀取，注意這里要填寫相對路徑。
4)發(fā)布
地震臺站的全景漫游圖基于Web界面進(jìn)行展示。測試系統(tǒng)采用Linux Suse10，Apache作為Web容器，使用php+html語言進(jìn)行前臺頁面的展示?？紤]到Flash加載的效率和用戶分辨率適配問題，采用了swfobject插件。只需加載對應(yīng)的路徑，并做出分辨率自適應(yīng)布局的設(shè)置即可完成。發(fā)布后的效果圖如圖4所示，具體代碼如下：
圖4 網(wǎng)站發(fā)布效果圖
2 制作難點與關(guān)鍵點
在拍攝和制作過程中，筆者總結(jié)了一些技巧和經(jīng)驗，主要有以下4個關(guān)鍵點。
1)控制點的選擇
在采集照片的過程中，前后采集的照片要有盡可能多的重疊部分，并且盡量選擇有標(biāo)識性或可參考性的控制點，比如樹木，儀器，小橋等，以方便后期的拼接修補。手動添加控制點至少需要3對，添加的控制點越多，拼接得就越細(xì)膩(圖5)。
圖5 控制點選擇示意圖
2)拍攝參數(shù)
對于同一目標(biāo)場景尤其是室外的拍攝，盡量要一氣呵成，避免由于天氣光線原因造成前后拍攝參數(shù)不一致。拍攝室內(nèi)同一目標(biāo)場景的不同照片時需要注意白平衡和曝光度一致的問題，先選取好測光點，再進(jìn)行拍攝，避免后期調(diào)整工作過于繁瑣。如遇特殊情況造成參數(shù)不一致，可用Photoshop等修圖軟件將圖片的白平衡和曝光度調(diào)整一致后再進(jìn)行后續(xù)制作。
3)曝光糾正
利用PTGUI接片的過程中會發(fā)現(xiàn)相鄰場景的照片有曝光不足或曝光過度的情況，上文提到過，拍攝的過程中要盡量保持曝光度一致。但在具體操作中，尤其三維全景漫游臺站中涉及到很多室外場景的拍攝，由于建筑物對陽光的遮擋等原因難免會出現(xiàn)前后場景曝光度不一致，拼接后圖像色調(diào)過渡生硬，局部過曝或欠曝的問題。這就可以利用PTGUI中的曝光糾正功能，在命令窗中使用“曝光/HDR”功能，點選后會在全景圖編輯器中實時顯示效果，根據(jù)需要選擇優(yōu)化(圖6)。圖7為拍攝寶坻臺室外場景出現(xiàn)的曝光不一致現(xiàn)象后，優(yōu)化前后的對比。
圖6 曝光糾正界面
a 曝光糾正優(yōu)化前
b 曝光糾正優(yōu)化后圖7 優(yōu)化前后對比
4)空間編輯
為增強瀏覽者的沉浸感，要特別注意空間上的邏輯順序，要對每張全景圖制作返回的路徑，比如行進(jìn)的主路和支路，使整個全景圖從空間上形成一個閉環(huán)。
3 三維全景地震臺站與GIS結(jié)合
三維全景GIS是結(jié)合數(shù)據(jù)庫以及電子地圖、三維全景等實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)地址可視化、地圖化、模擬化及實現(xiàn)用戶的自我維護(hù)，主要采用網(wǎng)頁嵌入顯示形式，實現(xiàn)GIS地圖和虛擬全景的結(jié)合[7]。GIS作為一門新興的技術(shù)，在美國、日本等發(fā)達(dá)國家的防震減災(zāi)中已得到了廣泛的應(yīng)用，形成了一定的規(guī)模[8]。隨著電子地圖技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電子地圖產(chǎn)品提供了相應(yīng)的API接口，方便進(jìn)行二次開發(fā)。三維全景地圖作為重要的展示方式，也可以通過調(diào)用地圖API接口的形式，進(jìn)行可視化展示。本文將臺站三維全景圖集成到百度地圖中，具體做法是在百度地圖上疊加標(biāo)注層，對各觀測室進(jìn)行標(biāo)注。并通過點擊標(biāo)注彈出信息窗口顯示該場景的三維全景，實現(xiàn)三維全景與百度地圖的集成。
獲取三維場景的地理坐標(biāo)后，在百度地圖中添加三維場景的主要步驟為：首先基于百度地圖API提供的Web服務(wù)設(shè)置地圖，添加放大縮小等基本地圖瀏覽工具；接著使用Marker在地圖上標(biāo)注三維場景，這里直接使用場景坐標(biāo)將其標(biāo)記在地圖上，使用addOverlay()方法在地圖中添加標(biāo)注層；然后使用Marker自帶的open-InfoWindow()方法在地圖上顯示該標(biāo)注點的信息浮窗，將該點對應(yīng)的三維場景添加到信息浮窗的IFrame中顯示，這樣就構(gòu)成了基于百度地圖的地震臺站三維實景地圖(圖8)。
圖8 在百度地圖中集成靜海地震臺三維全景圖
4 結(jié)語
公眾對地震行業(yè)尚存在諸多誤解，從近年來不斷攀升的負(fù)面輿論數(shù)據(jù)可見端倪。面對這樣的客觀現(xiàn)狀，我們必須重新審視自身，查找原因。誤解大多源于不了解，防震減災(zāi)工作的業(yè)務(wù)專業(yè)性較強又相對封閉，公眾對防震減災(zāi)工作的性質(zhì)、職能、業(yè)務(wù)、工作內(nèi)容、程序都知之甚少。我們要使用更多有效的宣傳形式，打開更多的“窗口”與公眾進(jìn)行溝通和接觸，尋求更多的了解和理解，提高公眾的參與度以及群測群防的科學(xué)意義。本文提出的三維全景漫游臺站的構(gòu)建，為防震減災(zāi)宣傳提供了新的思路，改變了原先單調(diào)交互性差的2D平面展示方式，實現(xiàn)三維實景環(huán)境與瀏覽者交互，并得到了良好的展示效果。將三維全景漫游技術(shù)與GIS結(jié)合，使三維全景帶有地理坐標(biāo)，在三維場景中方便瀏覽者挖掘更多的地理信息，同時三維全景技術(shù)使得GIS的可視化效果得以提升。三維全景漫游臺站的拍攝和制作工作相對來說都是非常簡單方便的，尤其是數(shù)據(jù)量很小，系統(tǒng)要求低，適合各種終端設(shè)備上觀看。
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Virtual Seismic Station and Its GIS Application Base on 3-D Panoramic Walkthrough Method
ZHANG Meng-yi, XUE Na, ZHU Hong, WANG Ping, WANG Jian-guo
(Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China)
With the method of 3-D panoramic walkthrough, the setting-up of the virtual seismic station has been achieved for Tianjin district. Herein we will introduce the technique principle, concrete routine and vivid experience of 3-D panoramic principle which we have encountered. Through our web publishing, every user can log in the web and look up the needed information of seismic station, such as the work environment and specialized instrumentation. Furthermore, by making use of the integration of 3-D panoramic walkthrough and GIS application, we not only develop the domain of earthquake disaster-reduction education and the positive effort of web interactive, but also provide a valuable technical reference to the application of 3-D panoramic walkthrough.
panoramic walkthrough; three-dimensional panoramic; seismic station; image stitching
2016-11-23
天津市“十二五”防震減災(zāi)綜合能力提升工程“地震監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)完善與建設(shè)”(171019)
張孟怡(1989—)，女，天津人，助理工程師，主要從事地震應(yīng)急值守工作.E-mail:houxiandai718@126.com
P315-3
A
1003-1375(2017)03-0001-07
10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.001
張孟怡，薛娜，朱宏，等.基于三維全景技術(shù)的虛擬地震臺站構(gòu)建及GIS應(yīng)用[J].華北地震科學(xué)，2017，35(3):1-7.
