肖 琪，郝耀峰，周立新，肖艷青，陳思兵

(中國人民解放軍63726部隊，寧夏 銀川 750004)

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實、圖像處理以及計算機技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進步，全景漫游技術(shù)迅速發(fā)展并逐漸在各行業(yè)流行。全景漫游技術(shù)具有交互性好、沉浸感強、可視化程度高等特點，有效地彌補了傳統(tǒng)展示手段單一、信息含量少、真實感差等缺陷，并滿足了目前虛擬展示領(lǐng)域的基本交互要求，在旅游、校園文化、建筑以及軍事等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-6]。陣地勘測是航天測控領(lǐng)域構(gòu)建和組成測控網(wǎng)絡(luò)“統(tǒng)一戰(zhàn)線”的必要前提，過程中需要觀測及采集大量的陣地信息，勘察結(jié)束后，如何將所需信息全面且真實地展示是值得研究的問題。為此，本文將全景漫游技術(shù)應(yīng)用至外場陣地勘測中，提出了一種陣地信息展示的新方法，既逼真地演示了陣地的三維場景，又具體地呈現(xiàn)了陣地的必要信息，達到了“不在陣地卻身臨其境，不知陣地卻一目了然”的效果。

1 全景漫游相關(guān)技術(shù)簡介

1.1 全景圖拼接技術(shù)

全景是指通過寬幅或全景攝影設(shè)備，均勻旋轉(zhuǎn)360°或一次拍攝合成獲得的一組符合人眼正常有效視角乃至540°完整場景范圍的照片[7]。全景圖像的拼接是對拍攝得到的部分重疊的圖像樣本生成全方位圖像的處理方法。全景圖像拼接主要包含圖像配準(zhǔn)和圖像合成2個過程。圖像配準(zhǔn)是指通過對一組圖像進行特征搜尋和特征匹配等處理找出待拼接圖像重疊區(qū)域的過程；圖像融合則是對圖像進行空間疊加(卷積處理)達到增加信息量、消除拼接痕跡的過程。除此之外圖像拼接還涉及亮度補償、全景投影變換等過程。與普通圖像相比，拼接后的全景圖像具有視角范圍大、立體感強、信息含量多等優(yōu)點[8]。全景圖像拼接的基本流程如圖1所示。

圖1 全景圖像拼接基本流程Fig.1 Basic process of panoramic image mosaic

1.2 場景漫游技術(shù)

場景漫游是通過計算機技術(shù)生成具有文字、圖像和視頻等動靜態(tài)功能結(jié)合的三維虛擬圖像環(huán)境，瀏覽者可在全視角圖像環(huán)境里進行場景切換，模擬觀察不同的場景，并獲取相關(guān)信息，達到“身臨其境”的效果[9]。

目前，實現(xiàn)該技術(shù)的途徑有2種[10]：一是基于三維建模的方式，先利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算建立三維場景模型，然后通過紋理或者渲染的方式來增加環(huán)境的真實性；二是基于圖像繪制的方法，用經(jīng)過特定投影方式的全景圖像構(gòu)建虛擬場景環(huán)境，通過在實景中添加箭頭等跳轉(zhuǎn)指示標(biāo)識實現(xiàn)場景之間的漫游。

由于圖像繪制方法不需要構(gòu)建場景模型，工作量小，占用資源少，直接利用真實場景圖像構(gòu)建漫游，易于實現(xiàn)。本文就是采用第2種方法來實現(xiàn)場景漫游。

1.3 HTML技術(shù)

Hyper Text Mark-up Language(HTML)是一種表示頁面內(nèi)容及樣式的語言，是設(shè)計web頁面的基礎(chǔ)[11]。全景漫游制作完成后通過軟件轉(zhuǎn)換輸出成HTML格式的網(wǎng)頁，用戶可通過手機、電腦等設(shè)備隨時隨地觀看漫游圖像。

2 全景漫游設(shè)計及實現(xiàn)方法

2.1 陣地全景漫游的功能需求

全景漫游在設(shè)計實現(xiàn)過程中需滿足用戶的三維視覺體驗需求，保證呈現(xiàn)效果的完整性與真實性，要具備場景的放大縮小、多樣化的信息展示和導(dǎo)航等基本人機交互功能，為用戶提供便捷操作體驗。通過陣地三維全景漫游與傳統(tǒng)的文字、圖片和視頻等信息的融合，使陣地場景展示更加直觀與真實，在設(shè)計制作時主要實現(xiàn)以下具體功能：① 可自定義布局；② 場景切換和跳轉(zhuǎn)；③ 文字、圖片、聲音等信息展示；④ 場景縮放及旋轉(zhuǎn)；⑤ 可添加導(dǎo)航或地圖等。

2.2 全景漫游的設(shè)計制作工具

圖像素材采集工具：Obsidian S全景相機；

圖像處理軟件：全景云臺/Photoshop CS5；

全景圖拼接軟件：Kandao Studio軟件，該軟件為全景相機自帶拼接工具；

漫游制作軟件：Kolor Panotour；

其他輔助工具：電腦、單反相機、智能手機和三腳架等；

需要說明的是，合理地選擇拍攝工具能夠最大限度地發(fā)揮各設(shè)備的優(yōu)勢，獲取高質(zhì)量、全方位的圖像信息[11]。拍攝全景時，選用專用的全景相機既能避免普通單反相機取景復(fù)雜且耗時長的缺陷，極大地提升取景效率，又能提高后期圖像的拼接質(zhì)量，為陣地勘測工作提供便利。

2.3 全景漫游的實現(xiàn)方法與流程

在進行陣地勘察時，為了實現(xiàn)陣地的全景漫游需要做好以下準(zhǔn)備工作：實地了解陣地的人文環(huán)境信息，根據(jù)陣地勘察規(guī)范將所需勘測要素考慮周全，參考漫游場景的功能需求并制定詳細(xì)的取景計劃，提高勘點效率。陣地全景漫游展示的構(gòu)建主要從圖像信息采集、圖像處理、全景圖拼接、全景漫游制作與展示4個方面進行。其實現(xiàn)流程及相應(yīng)途徑如圖2所示。

圖2 全景漫游實現(xiàn)方法與流程Fig.2 Implementation method and flow of panoramic roaming

2.3.1 圖像信息采集

陣地的場景圖像采集主要通過Obsidian全景相機獲取。該相機由均勻分布在360°范圍內(nèi)的6個魚眼鏡頭組成，每個鏡頭覆蓋185°圖像視角，保證了充分的圖像重疊信息，有利于全景圖拼接效果。相機視角及成像效果如圖3所示。

圖3 相機視角及成像效果Fig.3 Visual angle and imaging effect of panoramic camera

成像效果接近人眼視覺特征，形成水平360°，垂直180°方向的場景圖像。在拍攝前將三腳架調(diào)至水平保證相機平穩(wěn)可靠，對同一場景可拍3～5組圖片，供后期圖像拼接時進行篩選。全景相機一次拍攝生成的6張魚眼圖片如圖4所示。

圖4 全景相機一次拍攝的魚眼圖Fig.4 Fisheye pictures shot by panoramic camera at a time

另外，取景時可用單反相機對場景中的重點環(huán)節(jié)或要素進行細(xì)拍，作為漫游中細(xì)節(jié)展示的圖片素材，豐富陣地全景漫游信息展示。

2.3.2 圖像處理

圖像處理主要是針對質(zhì)量較差的場景圖片進行在線或離線的處理方法。離線方法是通過Photoshop軟件對采集的圖像進行包括畸變處理、圖像校正和雜物消除等后期處理，以確保圖像清晰、構(gòu)圖勻稱，同一場景及同一物體色調(diào)柔和相似，提高圖像拼接及場景漫游展示效果；在線方法是利用全景相機的在線云臺進行的實時處理，通過無線WiFi將智能手機與相機相連，實現(xiàn)在全景云臺中全局或單獨控制鏡頭ISO、曝光值等參數(shù)，從而獲得清晰和高質(zhì)量的場景照片，提高圖像處理的效率。

2.3.3 全景圖拼接

全景圖合成在相機自帶拼接軟件Kandao Studio上完成，它能自動識別存儲設(shè)備中同一時刻拍攝的6張魚眼圖片，并對圖像進行智能匹配對準(zhǔn)，操作簡捷。因全景相機相鄰鏡頭獲取的圖像重疊面積達到50%以上，所以拼接時圖像的特征點匹配和融合更加快速和精準(zhǔn)，合成一張全景圖的時間在10 s以內(nèi)。同時該軟件還具備簡單的圖片優(yōu)化以及分辨率選擇等功能。

2.3.4 漫游構(gòu)建及展示

Panotour是一款便捷、易操作且交互性較強的虛擬全景漫游制作軟件。它可以對單一場景或場景集進行漫游構(gòu)建，創(chuàng)建用戶交互按鈕以及熱點跳轉(zhuǎn)，將場景的概貌和相關(guān)信息直觀地利用文字、圖片等形式呈現(xiàn)。軟件主要由全景圖輸入、漫游編輯、樣式設(shè)置以及漫游的構(gòu)建和輸出4個功能模塊組成，能實現(xiàn)場景跳轉(zhuǎn)，視角縮放、旋轉(zhuǎn)，全景導(dǎo)航，文字、圖片和視頻添加，自定義布局和熱點樣式等功能。此外，Panotour還具有線下處理和離線瀏覽的功能，漫游編輯完成后軟件將以HTML網(wǎng)頁形式進行預(yù)覽或發(fā)布。

2.4 關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

在全景漫游設(shè)計與實現(xiàn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)全景圖扭曲或拼接錯位等問題[1]，這些問題將很大程度地影響后期全景漫游的演示效果。因此不管是在全景圖像拍攝階段，或是在后期圖像處理和篩選過程，都不能忽略任何一個影響圖像質(zhì)量的環(huán)節(jié)，這也是全景漫游制作的關(guān)鍵點及難點。否則，一旦全景漫游生成后，在任何一張全景圖像上做更改都需要對場景漫游中的熱點跳轉(zhuǎn)等關(guān)聯(lián)動作進行重新編輯。

3 外場陣地全景漫游展示

根據(jù)上述實現(xiàn)方法和流程，選取新選外場陣地的實地勘測作為全景漫游的展示實例。總體方案為：采用Obsidian S全景相機采集全景圖像信息，全景云臺在線處理圖像，Kandao Studio軟件進行全景圖片合成，全景圖像PS處理，Kolor Panotour 軟件構(gòu)建全景漫游，網(wǎng)頁瀏覽器(HTML)用于漫游場景的演示。具體步驟如下：

(1) 陣地勘察，圖像信息采集。依據(jù)勘點規(guī)范要求，在進行陣地實地勘測過程中需采集關(guān)鍵信息包括場坪基本情況(避雷接地、遮擋情況)、方位標(biāo)位置、遠(yuǎn)場信標(biāo)位置和路況等。陣地勘察時規(guī)劃的圖像采集點共有5個，包括陣地主場坪、方位標(biāo)1、方位標(biāo)2、轉(zhuǎn)彎路口和遠(yuǎn)場信標(biāo)。按取景計劃依次拍攝這些位置的全景圖以及關(guān)鍵位置或要素的細(xì)節(jié)圖。在采集圖像時，通過手機連接全景相機的方式在云臺中對圖像進行在線處理；另外，為方便陣地場景漫游游覽和提升可視化效果，將陣地及其周邊衛(wèi)星云圖在本地保存并自定義成導(dǎo)航地圖，如圖5所示，在圖中標(biāo)記陣地場景位置，再通過添加熱點的方式在導(dǎo)航圖中實現(xiàn)對各個位置全景漫游的自主切換。

圖5 自定義陣地導(dǎo)航圖Fig.5 Image of customized site navigation

(2) 全景圖像的拼接與后期處理。Kandao Studio軟件的拼接功能簡單高效，且能保證素材輸出的質(zhì)量。在拼接時，將重力校準(zhǔn)、消除色差和優(yōu)化天頂?shù)葓D像處理功能勾選上，對合成后的全景圖，可自由選擇輸出圖像的分辨率及格式，分辨率最高可選7 680 pixel×7 680 pixel。拼接后陣地場坪中心處的全景如圖6所示。再利用PS軟件對全景圖中的人物進行消隱處理后即可作為全景漫游編輯的素材，如圖7所示。

圖6 陣地場坪全景Fig.6 Panorama of site field

圖7 人物消隱后的陣地全景Fig.7 Panorama of site field after characters elimination

(3) 全景漫游的設(shè)計與制作。Kolor Panotour能夠提供離線且便捷的全景漫游實現(xiàn)途徑，該陣地有5個位置點，漫游熱點及路線相對復(fù)雜，在進行漫游編輯前需進行詳細(xì)的規(guī)劃，并根據(jù)勘點規(guī)范中的勘測要素對勘察結(jié)果進行展示。全景漫游生成后的陣地場坪處小行星效果截圖如圖8所示，小行星效果結(jié)束后陣地全景漫游首頁如圖9所示。

圖8 陣地全景漫游小行星效果Fig.8 Planetary effect of panoramic roaming at the site

圖9 陣地全景漫游首頁Fig.9 Home page of panoramic roaming at the site

圖中右下角為自定義導(dǎo)航地圖，單擊地圖中的熱點能夠?qū)崿F(xiàn)場景跳轉(zhuǎn)和顯示；漫游右上角文字框內(nèi)有陣地基本信息介紹，場坪水泥地左側(cè)有一處接地地阻的圖片熱點，單擊可實現(xiàn)圖片放大并顯示相應(yīng)細(xì)節(jié)信息，如圖10所示。圖片大小可在編輯時自行定義；圖中黃色箭頭代表跳轉(zhuǎn)熱點，實現(xiàn)向?qū)Ш吐吻袚Q功能，熱點的跳轉(zhuǎn)內(nèi)容可進行自定義設(shè)置；通過操作鼠標(biāo)或左下角的控制按鍵，可實現(xiàn)場景的縮放和旋轉(zhuǎn)；在圖中正下方設(shè)有預(yù)覽陣地所有場景的縮略圖。當(dāng)點擊左上方箭頭時，漫游場景從當(dāng)前場坪位置跳轉(zhuǎn)至方位標(biāo)2位置，如圖11所示。

圖10 場坪接地地阻細(xì)節(jié)Fig.10 Detail image of grounding resistance at the site field

圖11 方位標(biāo)2處全景漫游Fig.11 Panoramic roaming of azimuth point 2

(4) 全景漫游的輸出與展示。上述全景漫游的輸出與展示均為離線條件下通過本地瀏覽器實現(xiàn)，當(dāng)需要在其他設(shè)備上進行演示時，可將軟件輸出的HTML格式文件進行本地保存，再放到網(wǎng)站服務(wù)器上生成地址即可瀏覽。此外，通過iframe框架還能實現(xiàn)全景漫游的網(wǎng)頁嵌入及線上發(fā)布。

4 結(jié)束語

針對外場陣地場景展示提出了一種基于全景漫游技術(shù)的新演示方法并在陣地實地勘測中得到實踐。該方法主要利用全景相機獲取陣地圖片素材，再通過全景拼接及場景漫游制作生成漫游圖，最終在網(wǎng)頁中實現(xiàn)外場陣地的瀏覽與三維展示。形成的“虛擬陣地”提供了外場陣地環(huán)境及基本設(shè)施最直觀的表現(xiàn)形式，方便了用戶對陣地信息的訪問與了解，使得陣地勘測情況的展示更加數(shù)字化、虛擬化及信息化。該方法不僅簡便實用，還具有進一步的推廣或擴展價值，主要有：

① 可把所有陣地的場景漫游制成一個有序集合，然后嵌入到單位網(wǎng)站或以單獨頁面顯示形成外場陣地信息庫。

② 可將該方法應(yīng)用到測控設(shè)備中，制作出設(shè)備的全景漫游圖，并融合相關(guān)的設(shè)備信息，達到信息展示與學(xué)習(xí)訓(xùn)練相結(jié)合的目的。

③ 可利用web開發(fā)技術(shù)研制出相應(yīng)的全景漫游系統(tǒng)實現(xiàn)一鍵式的漫游制作[12-15]。