張晨輝

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

1 引 言

歷史建筑是一個民族，一座城市的生動面孔，也是生活在歷史之中的一部分人的共同記憶和身份憑據(jù)。隨著城市規(guī)劃發(fā)展越來越快，歷史建筑保護問題就顯得越來越迫在眉睫。濟南是國務(wù)院1986年公布的國家歷史文化名城，2018年1月29日，濟南公布了第一次歷史建筑普查名單，共366處歷史建筑，現(xiàn)有歷史建筑展示主要有圖片、視頻、網(wǎng)頁等常規(guī)方式，這些方式存在效果不夠震撼、無交互性等問題。隨著科技的發(fā)展，三維全景技術(shù)逐漸發(fā)展起來，三維全景技術(shù)則是利用實景歷史建筑照片建立虛擬環(huán)境，按照現(xiàn)狀照片采集→圖像處理→全景拼接→場景發(fā)布→地圖標注的模式來完成歷史建筑虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)建，該技術(shù)簡單實用，使用戶足不出戶即可身臨其境，感受歷史建筑的720°風(fēng)貌。因此，本文通過三維全景技術(shù)，輔以電子地圖、HTML技術(shù)，綜合、全面、立體形象地展現(xiàn)濟南歷史建筑風(fēng)采。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全景圖拼接技術(shù)

本文使用PTGui Pro來進行濟南歷史建筑全景圖拼接，該軟件將拍攝的每個場景不同視角的魚眼照片拼合為一張全景圖。拼接過程中適當(dāng)添加控制點，確保魚眼照片之間連接正確、不錯位。拼接完成后使用PTGui Viewer軟件對全景圖進行瀏覽檢查。

2.2 全景圖像轉(zhuǎn)換應(yīng)用技術(shù)

本文使用Pano2VR來進行濟南歷史建筑全景圖像的漫游、發(fā)布等。該軟件把全景圖片轉(zhuǎn)換輸出成HTML5格式的網(wǎng)頁，轉(zhuǎn)換過程中可定制各種皮膚以及熱點跳轉(zhuǎn)，經(jīng)緯度添加等功能。用戶可通過手機、電腦等設(shè)備點擊隨時隨地觀看。

2.3 電子地圖、HTML技術(shù)

本文發(fā)布的濟南歷史建筑全景圖網(wǎng)頁文件，通過調(diào)用百度地圖API，將歷史建筑的實際地理位置進行地圖標注。用戶可通過點擊標注，了解歷史建筑的基礎(chǔ)信息、周邊搜索和三維全景導(dǎo)覽，并查詢指定位置到當(dāng)前歷史建筑的路線規(guī)劃。

3 全景地圖制作流程

全景地圖的主要內(nèi)容為各個歷史建筑的全景導(dǎo)覽數(shù)據(jù)，以文件夾形式進行存儲與管理，并將其配置到地圖上。地圖全景導(dǎo)覽的建設(shè)流程包括現(xiàn)狀照片采集、圖像處理、全景拼接、場景發(fā)布、地圖標注。下面分別對各工序的工作方法進行簡要說明。

3.1 現(xiàn)狀照片采集

全景圖拍攝采用的設(shè)備為單反相機、魚眼鏡頭、云臺和三腳架。為保證優(yōu)秀的展示效果，每個歷史建筑選取6個～8個場景，綜合拍攝建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境；單個場景拍攝10張～12張現(xiàn)狀照片，復(fù)雜環(huán)境適當(dāng)增加照片拍攝數(shù)量。全景數(shù)據(jù)采集如圖1所示，拍攝流程如下：

(1)使用全景云臺及配備魚眼鏡頭的單反相機，在預(yù)規(guī)劃好的歷史建筑全景點位處進行架設(shè)，三腳架調(diào)整水平，保證每一處歷史建筑圖片都是在同一水平狀態(tài)下拍攝。

(2)拍攝時采用360°旋轉(zhuǎn)相機機身、每隔20°拍攝一張照片的方式進行，單個全景點拍攝照片數(shù)量提高到20張左右。水平全景拍攝完畢后，原地旋轉(zhuǎn)相機，拍攝2張?zhí)炜杖啊?張地面全景；移動三腳架，另外拍攝一張不同位置處的地面全景，用于后期的補地處理。拍攝完成后回溯檢查，確保照片拍攝質(zhì)量滿足要求，無逆光、虛化、失真等問題照片出現(xiàn)。

(3)移動相機，完成歷史建筑其余全景點位的拍攝。

(4)全景數(shù)據(jù)采集完成后，換用普通鏡頭的單反相機，對歷史建筑入口、建筑主體進行現(xiàn)狀照片拍攝，作為建筑圖文簡介的原始圖片素材。

圖1 全景數(shù)據(jù)采集

3.2 圖像處理

使用Adobe Photoshop軟件，對采集獲得的現(xiàn)狀照片進行后期處理，如圖2所示，主要處理內(nèi)容包括：勻光勻色、畸變處理、圖像校正、雜物消除等，確保處理后的圖片圖像清晰、構(gòu)圖勻稱，同一場景及同一建筑色調(diào)柔和相似，可用于后續(xù)的圖像拼接及全景制作工序。

圖2 全景圖像處理

3.3 全景拼接

全景拼接基于PTGui Pro軟件進行，用于將單個全景點位拍攝的全部局部全景照片(包括平面全景、天空全景及地面全景)拼合為一張全景圖。拼合后的全景圖可以直接通過全景圖片瀏覽軟件加載展示，呈現(xiàn)以拍攝點位為中心720°全景展示效果。主要流程如下：

(1)打開PTGui Pro軟件，統(tǒng)一加載單個全景點位拍攝的全部全景照片，如圖3所示。

圖3全景照片加載

(2)軟件自動根據(jù)全景點照片內(nèi)容進行自動匹配對準。在自動匹配的基礎(chǔ)上，通過控制點功能頁，為未能準確匹配、或?qū)食霈F(xiàn)錯誤的相鄰照片添加控制點，如圖4所示。為保證對準效果，相鄰兩張全景照片之間的控制點應(yīng)在3個以上，且盡量保證控制點在照片中分布均勻。

(3)通過編輯工具，對地面全景照片中的三腳架支架、入鏡的拍攝人員進行消隱。調(diào)整不同地面全景照片在拼合圖中的位置及拉伸狀況，在保證相鄰地面紋理對接無紕漏的基礎(chǔ)上，覆蓋局部消隱導(dǎo)致的畫面空白，確保拼合后的全景圖地面完整。

圖4添加控制點

(4)使用全景圖創(chuàng)建功能，對拼合完成后的全景圖進行創(chuàng)建輸出，完成單個全景點的全景圖拼接工作，如圖5所示。

圖5 全景圖拼接成果

3.4 場景發(fā)布

基于Pano2VR軟件，對單個歷史建筑涉及的全部全景圖像進行集成，創(chuàng)建用戶交互按鈕及全景場景熱點跳轉(zhuǎn)，并完成場景發(fā)布。主要流程如下：

(1)全景數(shù)據(jù)加載。以歷史建筑為單位，將該建筑全部全景點位拍攝拼接完成的全景圖像導(dǎo)入Pano2VR軟件。

(2)基于不同場景之間的位置交互關(guān)系，添加不同場景點之間的跳轉(zhuǎn)熱點，設(shè)置跳轉(zhuǎn)后下一場景的視角范圍。

(3)創(chuàng)建場景交互皮膚。主要包括三個部分：功能按鈕區(qū)、場景縮略圖區(qū)、導(dǎo)航區(qū)，另外還包括熱點皮膚、熱點說明文字等內(nèi)容的設(shè)置。

①功能按鈕區(qū)：

如圖6所示，提供空中全景跳轉(zhuǎn)、鏡頭左移、鏡頭上移、鏡頭下移、鏡頭右移、視角放大、視角縮小、自動旋轉(zhuǎn)控制、縮略圖控制按鈕。場景發(fā)布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標)點擊按鈕的方式實現(xiàn)對應(yīng)功能的應(yīng)用。

圖6 功能按鈕

②場景縮略圖區(qū)

通過功能按鈕區(qū)的縮略圖控制按鈕，實現(xiàn)場景縮略圖區(qū)域的顯示與隱藏，如圖7所示。

本區(qū)域以縮略圖形式對當(dāng)前歷史建筑的主要全景點位進行了整理展示，供用戶瀏覽查看。各個縮略圖添加對應(yīng)的場景跳轉(zhuǎn)動作設(shè)置，場景發(fā)布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標)點擊縮略圖的形式，實現(xiàn)到指定場景的快速跳轉(zhuǎn)。

圖7 場景縮略圖區(qū)

③導(dǎo)航區(qū)

如圖8所示，整理各個歷史建筑的頂部航拍圖，作為導(dǎo)航區(qū)底圖。對歷史建筑的各個全景點位進行圖上標注，同時設(shè)置位置熱點，并預(yù)設(shè)跳轉(zhuǎn)動作及跳轉(zhuǎn)后視角。場景發(fā)布完成后，用戶可以通過手指(或鼠標)點擊導(dǎo)航區(qū)圖上定位點的形式，實現(xiàn)到指定場景的快速跳轉(zhuǎn)。

圖8 導(dǎo)航區(qū)

④場景發(fā)布

設(shè)定首頁全景，設(shè)置全景自動旋轉(zhuǎn)速度，添加對應(yīng)歷史建筑的語音導(dǎo)覽文件(MP3格式)作為背景音樂并循環(huán)播放，以html格式對全景場景進行發(fā)布。

3.5 地圖標注

首先通過外業(yè)測繪，測出各個歷史建筑精確坐標，并轉(zhuǎn)換成百度坐標。如圖9所示，調(diào)用百度地圖API，圖上標注歷史建筑具體位置，使用InfoWindow信息窗口，展示歷史建筑文字簡介、圖片、全景超鏈接、周邊搜索、導(dǎo)航等功能信息。用戶可通過地圖實現(xiàn)歷史建筑全景瀏覽以及其他各類信息資料展示，提升了歷史建筑展示效果。

圖9 地圖標注

4 制作難點和關(guān)鍵點

4.1 全景圖扭曲

外業(yè)人員通過魚眼鏡頭拍攝歷史建筑照片，數(shù)據(jù)處理人員進行全景照片拼接過程中，合成照片經(jīng)常會出現(xiàn)房屋不正、樹木不直等扭曲現(xiàn)象，產(chǎn)生扭曲的原因一般是拍攝時三腳架水平?jīng)]有校正，對于空中全景，因為風(fēng)力也會引起無人機姿態(tài)的不水平而可能導(dǎo)致最終拼接畫面扭曲，當(dāng)然有時也會因為環(huán)境影響而拼接后扭曲。如果數(shù)據(jù)處理人員沒有注意到這一細節(jié)而進行后續(xù)的拼接、美化，等質(zhì)檢人員檢查出問題，就要重新拼接，造成很大的工作量。

針對上述問題，數(shù)據(jù)處理人員在使用PTGui Pro軟件進行全景拼接過程中，首先須進行數(shù)字校正，保持主要建筑橫平豎直，如圖10、圖11所示，然后再進行后續(xù)的拼接、美化工作。

圖10 數(shù)字轉(zhuǎn)換

圖11 數(shù)字校正前后對比

4.2 全景圖拼接錯位

數(shù)據(jù)處理人員進行全景照片拼接過程中，合成照片經(jīng)常會出現(xiàn)斑馬線、房屋、樹木、電線桿等拼接錯位問題，如圖12所示。導(dǎo)致錯位問題的原因主要是拍攝過程中鏡頭的節(jié)點不準確造成的。

圖12 近景拼接瑕疵

針對上述問題，解決方法有很多，比如在PTGui Pro軟件中手工在錯位處加控制點，比如勾選視點矯正等等。最有效的處理方法是使用PTGui Pro軟件中的模板工具，該工具通常用于修改局部瑕疵，模板處理的原則是把瑕疵留給天空和遠方。

由于節(jié)點的誤差，錯位有可能出現(xiàn)在任何部位，節(jié)點誤差對近景影響大，而景物越遠，錯位漸小。用蒙版將接縫安排在遠景。圖13是一個典型的十字路口，東西南北四條馬路可由近而遠。通過紅綠蒙版的組合應(yīng)用，將接縫避開了近景，而將這些接縫留給了天空和遠方(圖13箭頭指處)。盡量使景物中的歷史建筑主體保持完整，在一幅魚眼圖中，比如一幢大樓，地面上的十字標識等。而天空、江河湖海、草地沙灘、柏油馬路、不規(guī)則紋理的墻壁、森林等等，都可以容錯。

圖13 蒙版拼接技巧

5 總 結(jié)

全景地圖技術(shù)是目前迅速發(fā)展并逐步流行的一個虛擬現(xiàn)實分支，本文采用PTGui Pro和Pano2VR工具將實地拍攝獲取的歷史建筑照片發(fā)布成全景效果，通過調(diào)用百度地圖API，將歷史建筑的實際地理位置進行地圖標注，結(jié)合歷史建筑各類信息資料，展現(xiàn)給用戶。該技術(shù)可實現(xiàn)歷史建筑虛擬觀看，免受時間與空間的限制，是一種新型歷史建筑保護手段。