胡永進(jìn)，楊小花，魯禺州

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，句容 212400）

1 引言

VR 攝影技術(shù)又名全景攝影，是指通過(guò)對(duì)環(huán)境、場(chǎng)景或具體靜物進(jìn)行720°的實(shí)地或?qū)嵨锱臄z，將圖片拼接為720度全景圖，并利用虛擬漫游軟件將場(chǎng)景或物體各個(gè)角度的二維圖片模擬成具有一定交互功能的、具有三維效果的展示空間[1]。當(dāng)前的實(shí)景VR 場(chǎng)景，包括實(shí)景拍攝的全景照片及全景視頻，通常采用空中無(wú)人機(jī)、地面騎行/車(chē)行等攝影平臺(tái)搭載Gopro 等3D 攝像機(jī)進(jìn)行全方位720度拍攝視頻/照片。用戶(hù)在觀看視頻/照片的時(shí)候，可以隨意調(diào)節(jié)視頻上下左右進(jìn)行觀看，從而達(dá)到沉浸式體驗(yàn)效果，廣泛應(yīng)用于旅游景點(diǎn)拍攝、醫(yī)療上的觀察、或者娛樂(lè)性用途。但一般VR 漫游場(chǎng)景制作為事先規(guī)劃，由無(wú)人機(jī)搭載全景相機(jī)進(jìn)行視頻拍攝，該技術(shù)受拍攝當(dāng)天的場(chǎng)地、地形、空域、天氣等影響，無(wú)法保障視頻/照片拍攝質(zhì)量；而且拍攝路線固定，表現(xiàn)場(chǎng)景單一，且后期視頻/照片制作再創(chuàng)造性不強(qiáng)。

本研究提出了基于三維GIS 系統(tǒng)的實(shí)景VR 漫游場(chǎng)景的制作方法和工藝流程，利用GIS 三維平臺(tái)展示手段，通過(guò)將DOM 影像和DEM 高程相配準(zhǔn)、疊合，在平臺(tái)中進(jìn)行切片、渲染，隨著用戶(hù)操作實(shí)時(shí)調(diào)入影像和地形將渲染后的三維地形展示出來(lái)，可解決任意時(shí)刻、任意視角、任意手段路線的實(shí)景VR場(chǎng)景制作問(wèn)題，降低了實(shí)景VR 場(chǎng)景的制作門(mén)檻，為實(shí)景VR 漫游場(chǎng)景制作提供新的技術(shù)方法。

2 試驗(yàn)區(qū)概況及方案選擇

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)為某河流流域兩岸，面積約20平方公里，成果包括1：2000比例尺的地形數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM），詳見(jiàn)圖1。要求采用區(qū)別于傳統(tǒng)的三維GIS 展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)720度VR 虛擬漫游效果。

圖1 試驗(yàn)區(qū)高精度數(shù)據(jù)成果

2.2 方案選擇

在三維地形表達(dá)中，如采用GIS 三維平臺(tái)僅僅是將影像和地形疊合，形成地形三維。漫游展示效果為導(dǎo)演視角前進(jìn)式看到的局部場(chǎng)景，不如720度全景沉浸感強(qiáng)。具體GIS 三維效果詳見(jiàn)圖2。

如對(duì)測(cè)區(qū)重新進(jìn)行全景視頻航拍，通常采用空中無(wú)人機(jī)、或地面騎行等攝影平臺(tái)進(jìn)行全方位720度進(jìn)行全景視頻拍攝，但該方法實(shí)施難度大且無(wú)人機(jī)的行進(jìn)路線固定，最終展示效果呆板。該方法適用于測(cè)區(qū)、地形、天氣情況良好，可進(jìn)行固定展示路線航拍。

圖2 測(cè)區(qū)三維地形展示

圖3 全景拍攝示意

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，本研究結(jié)合了大范圍、高精度的DOM、DEM地理信息數(shù)據(jù)，以及VR 展示效果的技術(shù)要求，采用了一種全新的基于三維GIS 的實(shí)景VR 漫游技術(shù)方法，得到了大范圍的實(shí)景VR 漫游場(chǎng)景。

3 技術(shù)流程以及關(guān)鍵技術(shù)方法

3.1 總體生產(chǎn)技術(shù)流程

圖4 總體技術(shù)流程圖

利用現(xiàn)有的高精度DEM 和高清晰的DOM 影像，在三維地理信息平臺(tái)中構(gòu)建地形三維場(chǎng)景，并以此為基礎(chǔ)，在空間三維中選取全景瀏覽視角點(diǎn)，形成全景漫游瀏覽路線。依次獲取每個(gè)視角點(diǎn)的720度全景場(chǎng)景圖片，按照一定幀速度形成720度全景視頻，并通過(guò)后期音效、特效制作等，形成具有一定創(chuàng)意效果的全景漫游視頻，從而達(dá)到用戶(hù)沉浸式體驗(yàn)?？傮w生產(chǎn)制作技術(shù)流程見(jiàn)圖4：

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與方法

在三維GIS 的實(shí)景VR 漫游場(chǎng)景生產(chǎn)制作過(guò)程中，主要環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)源的獲取、漫游路線構(gòu)建、全景場(chǎng)景制作、視頻后期編輯處理等。

（1）三維GIS 場(chǎng)景的數(shù)據(jù)源保證

三維地理信息數(shù)據(jù)可以通過(guò)遙感衛(wèi)星、中高空大飛機(jī)、低空無(wú)人機(jī)等多種遙感平臺(tái)獲取，對(duì)于大范圍的場(chǎng)景制作宜采用高分辨率的衛(wèi)星或航空遙感影像數(shù)據(jù)；對(duì)于小范圍的實(shí)景漫游展示，建議采用無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)。因在后期全景圖片、視頻處理過(guò)程中，需做一系列的圖像處理工作，影像質(zhì)量有所降低，為確保后期VR 漫游效果，建議原始地面分辨率不低于0.2米。

通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，形成高精度地形DEM 和正射影像DOM數(shù)據(jù)。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將已有成果數(shù)據(jù)與三維GIS 平臺(tái)進(jìn)行配準(zhǔn)統(tǒng)一。通過(guò)導(dǎo)入疊加高精度的DEM 和DOM 數(shù)據(jù)，構(gòu)建精細(xì)三維地形模型。

（2）漫游路線構(gòu)建

三維GIS 平臺(tái)已具備三維空間坐標(biāo)，在三維空間中可任意選取漫游視角點(diǎn)位。在實(shí)際漫游視角點(diǎn)選取過(guò)程中，需考慮最終漫游路線的連貫性、轉(zhuǎn)換角度的舒適性、重點(diǎn)待展示地形地貌的獨(dú)特性等因素，根據(jù)漫游腳本分別選擇添加多個(gè)全景VR 漫游視角點(diǎn)位，構(gòu)建全景漫游瀏覽路線。

通過(guò)路線預(yù)覽查看，檢查漫游路線的合理性。根據(jù)要求對(duì)路線上的每個(gè)視角點(diǎn)進(jìn)行編輯，調(diào)整每個(gè)視角點(diǎn)的三維坐標(biāo)、播放時(shí)間等，直到預(yù)覽效果滿(mǎn)足要求。

（3）720度全景漫游場(chǎng)景制作

全景視頻的漫游體驗(yàn)效果好壞取決于每一幀全景圖片質(zhì)量，以及整體播放速度。為確保在合適的數(shù)據(jù)量前提下，選擇合理的幀速率，才能確保最終播放效果的流暢度。

根據(jù)本文試驗(yàn)，選擇按照不低于30幀/秒的VR 視頻播放速度生成幀序列的實(shí)景720度場(chǎng)景圖片。每個(gè)場(chǎng)景通過(guò)在三維平臺(tái)中進(jìn)行前/后/左/右/上/下六個(gè)方位依次截取場(chǎng)景，通過(guò)各場(chǎng)景的重疊區(qū)拼接形成每個(gè)視角點(diǎn)的720度全景圖片。

檢查生成的大量全景圖片是否按幀序列命名、場(chǎng)景畫(huà)面色彩、清晰度等質(zhì)量是否符合要求，并進(jìn)行局部圖像編輯，如去除雜物、顏色調(diào)整等。

（4）視頻后期編輯處理

在視頻編輯軟件中如常用的Adobe Premiere 軟件，批量導(dǎo)入編輯后的幀序列全景圖片，輸出選擇與播放硬件（如HTC、大鵬等品牌的VR 眼鏡）相匹配的格式、分辨率等參數(shù)設(shè)置，生成實(shí)景VR 漫游視頻。

根據(jù)項(xiàng)目需求，可在視頻編輯軟件中添加文字、配音、配樂(lè)，調(diào)整播放速度等剪輯工作，形成成片。經(jīng)VR播放設(shè)備調(diào)試合格后，最終進(jìn)行全景漫游產(chǎn)品發(fā)布。

圖5 地形三維全景輸出

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究面向大場(chǎng)景的實(shí)景VR 漫游需求，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐探討了高精度地理信息數(shù)據(jù)成果在實(shí)景VR 漫游中的具體應(yīng)用點(diǎn)，提出了基于三維GIS 的實(shí)景VR 漫游視頻制作方法，并結(jié)合試驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目實(shí)踐、效果比對(duì)，總結(jié)提出了生產(chǎn)制作工藝流程和技術(shù)方法，解決了任意時(shí)刻、任意視角、任意路線的實(shí)景VR 場(chǎng)景制作問(wèn)題，降低了實(shí)景VR 場(chǎng)景的制作門(mén)檻。經(jīng)實(shí)踐證明該技術(shù)方法效率高、成本低、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小，可在旅游、地理教學(xué)等行業(yè)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。