張 瑤,黃鵬嘉,朱長富

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日漸成熟，且被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃[1]、生態(tài)旅游[2]、建筑設(shè)計(jì)[3]、教育[4]、工程設(shè)計(jì)[5]等諸多領(lǐng)域，其中全景[6]的應(yīng)用已較為成熟。各行各業(yè)企圖使用全景技術(shù)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可視化監(jiān)督管理，為此大量的全景數(shù)據(jù)產(chǎn)生，高效管理工作中生產(chǎn)的全景數(shù)據(jù)成為一個迫在眉睫的問題。全景是通過對相機(jī)捕捉整個場景的圖像信息進(jìn)行圖片拼接所獲得的全景圖像或全景視頻[7]，基于該全景圖像和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位互動式的真實(shí)場景還原，稱之為全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[8-9]。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展所帶來的智慧產(chǎn)品，它改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中圖像瀏覽的平面化、靜態(tài)化的特點(diǎn)，使用戶在瀏覽器上能實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像的360度觀察，且通過交互操作體驗(yàn)三維的VR視覺世界[6,10]。

與傳統(tǒng)3D建模相比，全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作簡單，數(shù)據(jù)量小，系統(tǒng)消耗低，且真實(shí)感更強(qiáng)[11]，因此本次研究采用了全景技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大藤峽水利樞紐的虛擬展示。目前全景圖像的獲取方式有2種，其一直接通過全景拍攝器材獲得全景圖，該方法耗費(fèi)較多不適合一般工程項(xiàng)目，其二采用圖像拼接軟件將普通相機(jī)拍攝的局部圖合成全景圖[12-13]。在眾多圖像拍攝工具中，無人機(jī)航拍的靈活性與大區(qū)域性[14]，成為本次全景展示系統(tǒng)全景圖片素材的重要獲取手段，然后通過全景照片合成器制作最終的全景圖片，即全景系統(tǒng)所需要的源數(shù)據(jù)。

本研究以大藤峽水利樞紐工程建設(shè)項(xiàng)目為例，基于Krpano引擎和GIS地圖服務(wù)技術(shù)，采用PHP語言和MySQL數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一套完整的全景管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大藤峽水利樞紐工程全景數(shù)據(jù)的制作、管理和入庫等功能，方便用戶生產(chǎn)全景產(chǎn)品的同時(shí)，對該區(qū)域工程建設(shè)的監(jiān)督任務(wù)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，并對外形成良好的宣傳作用。

1 技術(shù)方法

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本全景展示系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器模式進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，該架構(gòu)開放式的特點(diǎn)可以支持系統(tǒng)在多種設(shè)備上運(yùn)行，有利于滿足本系統(tǒng)對多客戶端的需求。系統(tǒng)開發(fā)采用的后端支持語言為PHP，其在開源性、跨平臺性、運(yùn)行效率、數(shù)據(jù)庫連接、安全性等方面的優(yōu)勢[15-16]成為本次系統(tǒng)建設(shè)語言選擇的考慮因素，與此對應(yīng)的MySQL數(shù)據(jù)庫[17]成為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理工具。

該系統(tǒng)主要包含4個功能模塊(圖1)：①全景管理，將用戶發(fā)布的全景作品進(jìn)行統(tǒng)一管理，便于后期全景資料的管理和查閱，并能根據(jù)需求創(chuàng)建自己的管理圖冊；②全景編輯，對生成的全景作品進(jìn)行基礎(chǔ)信息、子全景、場景熱點(diǎn)、輔助功能等相關(guān)信息的修改，并生成訪問地址和二維碼以供用戶使用和分享；③素材管理，對上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，如全景圖、普通圖片、音頻、視頻等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理；④全景發(fā)布，通過本地上傳的數(shù)據(jù)或素材庫里的數(shù)據(jù)，發(fā)布生成全景作品。

1.2 Krpano引擎技術(shù)

大藤峽水利樞紐無人機(jī)VR全景展示系統(tǒng)是基于Krpano引擎技術(shù)[18]的二次開發(fā)產(chǎn)品，在基礎(chǔ)全景制圖上實(shí)現(xiàn)了全景數(shù)據(jù)管理、全景發(fā)布以及全景分布的功能，有助于全景項(xiàng)目高效管理，提升了用戶體驗(yàn)。之所以選擇Krpano引擎來開發(fā)全景系統(tǒng)，不僅在于其可拓展性，還在于它能支持最常見的瀏覽器和設(shè)備，且能很好兼容多種系統(tǒng)和瀏覽器版本。Krpano內(nèi)置的圖像生成算法以及視圖渲染算法，能夠較好地提高切片后的相片質(zhì)量，以高細(xì)節(jié)和清晰度呈現(xiàn)圖像。除此外，該工具支持無縫的VR切換功能，不需要額外的插件或軟件支持。

Krpano引擎在該系統(tǒng)中主要作用是實(shí)現(xiàn)圖像的切片(圖2)，生成不同尺度不同角度的全景切片數(shù)據(jù)，然后依托web前端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)的360度瀏覽。雖然目前已出現(xiàn)了較多基于Krpano的全景系統(tǒng)[19-20]，但是本系統(tǒng)的構(gòu)建思路和方法仍然存在差異之處，例如采用無人機(jī)獲取全景數(shù)據(jù)、采用fileinput插件上傳文件、不同的圖像切片和入庫標(biāo)準(zhǔn)等。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖2 Krpano引擎技術(shù)在系統(tǒng)中工作示意

1.3 模塊功能設(shè)計(jì)

1.3.1全景管理

項(xiàng)目中數(shù)據(jù)獲取有了無人機(jī)的支持必然簡單快速，但是對創(chuàng)建的大量全景數(shù)據(jù)進(jìn)行管理是本系統(tǒng)必須要解決的問題。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的全景管理模塊就是讓用戶能根據(jù)需求創(chuàng)建自己的存儲模式，從而達(dá)到全景數(shù)據(jù)的管理目的。

本系統(tǒng)的全景管理模塊包含全景圖和全景視頻2種全景作品的管理(圖3)，其中以全景圖的管理為首要。該模塊建設(shè)的重點(diǎn)在于對數(shù)據(jù)庫的管理，創(chuàng)建合適的全景管理數(shù)據(jù)表，合理設(shè)置各表屬性以及相關(guān)表格之間的關(guān)系。系統(tǒng)基于MySQL數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建了全景圖的分類表，用戶可以根據(jù)自己的需求自定義圖冊，將相關(guān)全景作品分類存儲，方便查詢管理。除此之外，用戶還可以根據(jù)作品創(chuàng)建時(shí)間或作品名來檢索目標(biāo)全景。

1.3.2全景編輯

系統(tǒng)提供全景作品編輯的功能，允許用戶編制具有獨(dú)特風(fēng)格的全景瀏覽作品。該模塊設(shè)計(jì)了5個功能區(qū)：基本信息編輯、子全景編輯、場景熱點(diǎn)編輯、輔助功能編輯、使用與分享，每個功能區(qū)實(shí)現(xiàn)不同的編輯作用，以完成全景作品中每個場景的定制效果。

a)基礎(chǔ)信息編輯。作品基礎(chǔ)信息包括作品的標(biāo)題、封面、文字介紹、拍攝時(shí)間地點(diǎn)等，用戶可以隨時(shí)修改全景作品的基礎(chǔ)信息內(nèi)容，給全景作品添加文字修飾，讓瀏覽觀眾有渠道可以了解該作品的相關(guān)信息。

b)子全景編輯。子全景編輯指的是對已發(fā)布的全景作品中各個全景圖片的添加和移除，該功能實(shí)現(xiàn)方式類似全景發(fā)布模塊的選擇素材數(shù)據(jù)進(jìn)行全景作品創(chuàng)建的功能。設(shè)計(jì)該功能的目的是，用戶發(fā)布完某個全景作品后，能夠通過添加素材庫里的全景圖片來補(bǔ)充遺漏的全景圖，亦或通過刪除功能移除不適合該作品的全景圖片，從而達(dá)到全景作品隨意增添場景的能力。

這段話中，作者借助律師之口有意突出了男孩的個人歷險(xiǎn)與古老的史詩之間的聯(lián)系；并且強(qiáng)調(diào)這部個人史詩應(yīng)該用一種“更有力度的語言”，事實(shí)上是帝國的語言——拉丁語——講出來，明顯表現(xiàn)了一種帝國的懷舊情結(jié)和強(qiáng)烈的敘事沖動。

圖3 全景管理數(shù)據(jù)表E-R圖

c)場景熱點(diǎn)編輯。系統(tǒng)熱點(diǎn)編輯部分包含場景分組、視角、熱點(diǎn)等功能模塊(圖4)，其中場景視角提供初始視角、視域范圍和垂直視角3個場景視角的設(shè)置；場景熱點(diǎn)分別為全景切換、超級鏈接、圖片、文字、語音、圖文、視頻熱點(diǎn)，該功能可以實(shí)現(xiàn)場景中各熱點(diǎn)的添加和刪除、內(nèi)容編輯。這些功能都是通過調(diào)用預(yù)先配置好的全景XML文件中相應(yīng)功能函數(shù)，再根據(jù)前端輸入內(nèi)容同步修改全景查看器中的配置信息，以實(shí)現(xiàn)各個場景效果的修改。場景分組是指將同一全景作品中的不同場景分組歸類，便于直觀展示各個場景之間的從屬關(guān)系。而在場景沙盤功能中，用戶根據(jù)各場景的位置在區(qū)域平面圖上添加對應(yīng)點(diǎn)位，使得全景作品全局效果一目了然。場景特效，顧名思義可以幫助用戶給全景添加天氣效果，如雨雪陽光等。視頻貼片則是將具有輔助效果的視頻放置到對應(yīng)場景的某個位置，給該位置點(diǎn)增加視頻介紹，該視頻會隨著場景的變動而移動。除此之外，場景導(dǎo)覽功能可以為相關(guān)工程項(xiàng)目的宣傳提供輔助作用，用戶設(shè)置好預(yù)定義的全景觀賞路線后，搭配上VR眼鏡，觀眾就可以通過一鍵導(dǎo)覽實(shí)現(xiàn)全景自動瀏覽，體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)身臨其境的效果。

d)輔助功能編輯。為了更好地設(shè)計(jì)和管理全景作品，系統(tǒng)添加了一些小型輔助工具，如添加背景音樂或語音解說、添加項(xiàng)目足跡、增加底部菜單欄等。下面以添加足跡為例，簡單介紹該功能的實(shí)現(xiàn)流程(圖5)。足跡功能采用的地理信息技術(shù)是騰訊地圖?；隍v訊地圖qq.maps接口，創(chuàng)建了Locator對象，該對象包含切換地圖、添加標(biāo)記點(diǎn)、地理位置搜索定位、點(diǎn)擊獲取鼠標(biāo)位置點(diǎn)信息等功能。系統(tǒng)前端通過調(diào)用該對象可以實(shí)現(xiàn)全景作品的地理位置添加。與此同時(shí)，全景分布模塊根據(jù)各個全景作品的位置信息，將其標(biāo)注在地圖上，于是用戶可以直觀地看到所有項(xiàng)目的全景產(chǎn)品地理位置分布狀況，利于對各個全景項(xiàng)目有一個清醒的地理認(rèn)知。

圖4 全景熱點(diǎn)編輯模塊功能設(shè)計(jì)

圖5 添加足跡功能界面

e)使用與分享。該部分使用的關(guān)鍵技術(shù)是二維碼創(chuàng)建功能，系統(tǒng)采用PHP類庫中的PHPqrcode接口生成可供微信識別的二維碼，便于用戶快速分享創(chuàng)建的全景作品，利于項(xiàng)目宣傳。PHPqrcode是一個開源的PHP二維碼生成類庫，其基于libqrencode C庫，提供用于創(chuàng)建二維碼條形碼圖像的API，從而可以輕松生成包含相應(yīng)內(nèi)容的二維碼。

1.3.3素材管理

素材管理中包含對全景素材、普通圖片、音頻和視頻的管理，其管理方式類似于全景管理模塊對全景作品的管理，用戶可以根據(jù)需要將素材分層管理，且能依據(jù)作品名快速查找相應(yīng)素材。

1.3.4全景發(fā)布

全景發(fā)布模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是全景作品的生產(chǎn)工廠。該模塊的實(shí)現(xiàn)離不開Krpano引擎的支撐，它能幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全景圖片的切片。本系統(tǒng)的全景發(fā)布流程簡述如下。用戶上傳全景圖片到服務(wù)器后，系統(tǒng)通過PHP后臺程序調(diào)用Krpano引擎將圖片進(jìn)行切片處理，從而生成全景作品所需的多視角多尺度的工程切片數(shù)據(jù)，并且存儲到對應(yīng)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫表中，這一流程實(shí)現(xiàn)了全景作品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲??；接著，基于預(yù)設(shè)的全景配置信息生成初始化的全景作品，并創(chuàng)建作品的唯一URL和開放該地址的任意用戶訪問權(quán)限，至此一個完整的全景作品生產(chǎn)成功；最后，前端通過Krpano查看器讓用戶能在瀏覽器上自由觀賞該作品。全景視頻的發(fā)布過程基本同于全景圖，差異之處在于全景視頻不需要通過Krpano進(jìn)行切片處理，系統(tǒng)直接將視頻嵌入到Krpano查看器中，就可以通過前端實(shí)現(xiàn)視頻的360度瀏覽效果。圖6采用UML圖簡單展示了發(fā)布模塊中各功能角色之間的關(guān)系。

圖6 全景作品發(fā)布示意

2 應(yīng)用實(shí)例

研究開發(fā)的大藤峽水利樞紐無人機(jī)VR全景展示系統(tǒng)已成功投入使用，成功解決了以上提到的問題。該系統(tǒng)已經(jīng)上傳了2019年至今拍攝的上千幅大藤峽全景圖，且制作了幾十個全景作品(圖7以2020年12月的全景作品為例展示了經(jīng)過該系統(tǒng)制作的全景結(jié)果)，運(yùn)行良好，大大提升了公司在全景數(shù)據(jù)管理的工作效率，并且給大藤峽水利樞紐的宣傳工作起到良好作用，后期在制作大藤峽工程展覽場所和大藤峽博物館的VR展示繼續(xù)發(fā)揮作用。當(dāng)然該系統(tǒng)也存在不完善的地方，由于該項(xiàng)目重點(diǎn)在全景圖的采集管理上，系統(tǒng)中全景視頻模塊的功能相對較少，后期有望繼續(xù)深入研究。

圖7 大藤峽水利樞紐2020年12月VR全景項(xiàng)目展示

3 結(jié)論

無人機(jī)VR全景展示系統(tǒng)是基于Krpano和地理信息技術(shù)的全景管理和展示平臺，已成功應(yīng)用于水利工程建設(shè)中，后期有望在水利水電工程建設(shè)監(jiān)督、房屋設(shè)計(jì)展示、虛擬展覽館等項(xiàng)目進(jìn)行推廣。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅有助于工程進(jìn)度控制，為項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)控提供技術(shù)支持，也能在一定程度上節(jié)省工程監(jiān)測成本。該系統(tǒng)主要的特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下。

a)首次采用無人機(jī)和全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對大藤峽全景數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和控制，為大藤峽工程建設(shè)的遠(yuǎn)程監(jiān)督提供服務(wù)平臺，為其他項(xiàng)目系統(tǒng)開發(fā)工作提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

b)該系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于大藤峽的全景數(shù)據(jù)管理和制作，也可以在其他地區(qū)和不同行業(yè)的全景項(xiàng)目中使用。

c)研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無人機(jī)VR全景展示系統(tǒng)，為大藤峽水利樞紐工程建設(shè)管理提供了智慧監(jiān)控平臺和輔助決策的科學(xué)依據(jù)。