張 麗，劉 蕾，孫大兵

（安徽省蕪湖市氣象局，安徽 蕪湖 241000）

隨著網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們獲取信息更加注重快捷、方便、高效的獲取方式和良好的個人體驗效果。虛擬現(xiàn)實即VR（Virtual Reality），其是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展與人們對良好體驗需求不斷交叉增長中產(chǎn)生的新事物[1]。

VR 是借助計算機及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機交互手段，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[2]。VR 全景技術(shù)作為VR 技術(shù)中的重要部分，在軍事、醫(yī)學(xué)、城市規(guī)劃、視頻會議、娛樂等領(lǐng)域被廣泛運用。VR 全景技術(shù)是一種運用數(shù)碼相機或全景拍攝設(shè)備對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝，然后進行后期縫合并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術(shù)[3]。由于自身的沉浸感、交互性、想象性等特點，VR 全景技術(shù)目前也成為了現(xiàn)代社會傳播文化的重要手段[4]，尤其是在2020年全球爆發(fā)新冠疫情后，在居家無法外出、避免人群集聚的情況下，線上辦公、學(xué)習、參觀等需求急劇飆升。充分把VR 技術(shù)應(yīng)用到各類展覽中是當今時代發(fā)展的必然結(jié)果。

近年來很多專家學(xué)者對此展開了相關(guān)研究，如馬自萍等[5]應(yīng)用Pano2VR 與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的方法，對寧夏博物館進行虛擬設(shè)計；王映霓[6]基于PTGui和Pano2VR 對自貢鹽業(yè)歷史博物館交互式全景漫游進行了設(shè)計研究；馮于天韞等[7]運用VR 技術(shù)對校史館進行了導(dǎo)覽設(shè)計；孫曉艷等[8-10]也都對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展覽數(shù)字化進行了探索和研究。在氣象科普領(lǐng)域VR技術(shù)也非常受歡迎，能夠顯著增強用戶參與度并提升用戶體驗。如上海氣象博物館推出“云”游博物館通道，公眾通過掃描二維碼就可以通過VR 全景方式游覽上海氣象博物館展廳，突破距離和人流量的約束用全新的方式體驗；中國氣象局基于VR 技術(shù)制作了《穿越臺風》《天兵行動》《太陽風暴》等多部氣象科普影片，使用戶能夠親臨其境體驗體驗臺風、了解人工影響天氣等氣象過程[11]。

2021-03-23—2021-05-23，安徽省氣象局在蕪湖市博物館舉辦了《世紀風云——安徽氣象事業(yè)百年回顧展》（以下簡稱“回顧展”），精選了氣象儀器、書籍、照片等80 余件（套） 珍貴藏品，展示安徽氣象歷史和氣象科學(xué)的發(fā)展歷程。因為線下實體展覽的展期只有2個月，為打破時空限制將此次展覽內(nèi)容長久保存在云端。本研究運用VR 全景技術(shù)設(shè)計了虛擬安徽百年氣象回顧展，使公眾隨時隨地可以通過PC、智能手機、iPad 等智能終端進行在線參觀，獲得沉浸式的感受和體驗。

1 設(shè)計思路

通過對安徽氣象事業(yè)百年回顧展進行室內(nèi)室外的實景拍攝，將多組照片拼接成一個全景圖像，然后通過計算機技術(shù)構(gòu)建一個虛擬現(xiàn)實的全景空間，添加解說語音、背景音樂等實現(xiàn)720°全方位視聽覺體驗。將安徽近代以來的氣象科技發(fā)展歷程通過互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)字化展示，公眾隨時隨地都可以點擊鏈接或掃描回顧展二維碼通過PC、智能手機、iPad等智能終端進行在線參觀。

建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)字化采集制作和展示發(fā)布系統(tǒng)2部分。

數(shù)字化采集制作：將安徽氣象事業(yè)百年回顧展的展廳、展柜、展板、展品以及室外部分進行數(shù)字化采集并進行后期處理，為項目數(shù)字資源部分。形式設(shè)計上要求版面展現(xiàn)立體，景觀模型靜態(tài)動態(tài)相結(jié)合、實物與場景融合一體。通過運用蕪湖市博物館建筑和街區(qū)實景圖片與三維動畫、多媒體視頻融合等展示手段，增強展覽的知識性、觀賞性。

展示發(fā)布系統(tǒng)：720 云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用，對內(nèi)容進行編輯處理，面向相關(guān)網(wǎng)站、微信和APP 為公眾用戶提供服務(wù)，展示安徽氣象事業(yè)百年回顧展的展板、展品和服務(wù)信息，并提供公眾與回顧展的互動平臺。

2 虛擬回顧展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安徽氣象事業(yè)百年回顧云展覽，由云端、終端、軟件、內(nèi)容4 部分組成。云端為720 在線云平臺，終端包括電腦瀏覽器和手機、平板等移動客戶端瀏覽器，軟件又稱為界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬安徽百年氣象回顧云展覽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 虛擬回顧展實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)

3.1 硬件

攝影設(shè)備：航拍無人機（用于在博物館室外鳥瞰全景）、單反相機（用于展品及圖文高清圖）、魚眼鏡頭（用于拍攝展廳廣角全景圖）及全景云臺、三腳架等輔助設(shè)備。

拍攝要求：清晰度需遠超普通全景作品，單張球形圖要能清晰還原場景原貌，像素需達到2 億以上。采用5 次包圍曝光、HDR 曝光融合。全景文件采用漸進式分辨率瀏覽方式，可在不同分辨率之間無縫切換，既能保證全景圖片的最高清晰度，也能加快全景內(nèi)容的加載速度保證觀眾流暢觀看。為實現(xiàn)在電腦、手機、平板電腦等跨平臺終端的瀏覽目的，全景內(nèi)容發(fā)布文件應(yīng)采用H5 內(nèi)核。

電腦設(shè)備：因VR 軟件對電腦處理器和顯卡要求較高，計算機的顯卡必須選擇專業(yè)圖形顯卡，內(nèi)存為16 G 以上。

3.2 軟件

軟件具體包括以下4 類：①全景圖片拼接軟件。如PTGui/PTGui Pro 等，利用此類軟件可以快捷方便地制作出360×180°的完整球型全景圖片，以“控制點”的形式進行自動縫合和優(yōu)化融合從而提高拼接的精度。軟件支持多種格式的圖像文件輸入，輸出可以選擇為高動態(tài)范圍的圖像，拼接后的圖像基本上沒有拼接痕跡[12]。②后期圖片制作軟件。如Photoshop、Lightroom 等，支持各種RAW 圖像，主要用于數(shù)碼相片的瀏覽、編輯、整理、打印等。③VR 全景制作軟件。如道可云VR，用于設(shè)計全景界面，添加解說詞語音，強化展板圖文和音頻內(nèi)容。④發(fā)布系統(tǒng)。如720 云端，可對本地拍攝的全景圖片和視頻進行編輯，優(yōu)化拍攝畫面、處理視頻細節(jié)，并將制作完成的作品上傳到網(wǎng)絡(luò)或者分享到云端。

4 虛擬回顧展制作流程

4.1 全角度拍攝

設(shè)備器材的準備：制作720 全景展示需要相應(yīng)的拍攝設(shè)備，包括數(shù)碼單反相機、魚眼鏡頭、無人機、全景云臺、三腳架。具體設(shè)備品牌及型號為佳能6D2單反相機、8-15 魚眼鏡頭、JTS-Rotator 全景云臺、大疆御Mavic Air 2、偉峰6307 三腳架。

拍攝前準備：首先需到拍攝場地堪景，對拍攝現(xiàn)場的場地地形進行察看，結(jié)合現(xiàn)場光線、展示物、視角等諸多因素，擬定拍攝點位，對拍攝場地內(nèi)的陳列進行調(diào)整，達到最優(yōu)的觀看體驗；準備拍攝設(shè)備，包括全景云臺的安裝、相機參數(shù)與鏡頭節(jié)點的調(diào)試。旋轉(zhuǎn)云臺時三腳架需穩(wěn)定，保持相機位置不移動；圖片之間不少于30%重合度。拍攝與取材包括全景相機拍攝與單反相機拍攝。使用HDR 功能拍攝，保留圖像暗部、中間、高光區(qū)域細節(jié)。用此套工具取材每60°一張，水平標的需要拍攝6 張圖像，外加頂端和底面2 張圖像，用6～8 張圖像拼合成一個360°全景展示，或選用Sigma 8 mm 的魚眼鏡頭，需4 張圖像，總計拍攝24個全景點位。

4.2 3D 建模

運用720 全景建立有三維立體感覺的實景360°全方位圖像。全景圖實際上是通過映射具有一定幾何關(guān)系的周圍場景而生成的平面圖，通過全景播放器的校正處理將其轉(zhuǎn)換為三維全景圖。將水平360°和垂直360°環(huán)視效果疊加在一起，雖然照片都是平面的，但通過技術(shù)處理獲得的360°全景可以給人一種三維空間感，讓觀眾感覺自己置身其中，它能充分顯示雙360°球面范圍內(nèi)的所有景物[13]；可以按住并拖動鼠標左鍵以查看場景的各個方向。三維全景圖大多是在照片的基礎(chǔ)上拼接而成的圖像，最大限度地保留了場景的真實性[13]。使用手機或電腦就可以流暢地觀看?！妒兰o風云——安徽氣象事業(yè)百年回顧展》全景及鳥瞰圖如圖2所示。

圖2 《世紀風云——安徽氣象事業(yè)百年回顧展》全景及鳥瞰圖

4.3 配音音頻制作

根據(jù)安徽氣象事業(yè)百年回顧展的燦爛與智慧、安徽古代氣象、艱難與探索、近代安徽氣象奮斗與輝煌、共和國氣象事業(yè)等不同的場景及展品情況共撰寫了47段解說詞，并制作完成解說詞的音頻mp3 格式文件。

4.4 圖形合成VR 渲染

使用全景拼合軟件PTGui 進行圖像的拼合處理。PTGui 是一款性能較為強大的全景圖片拼接軟件，其操作流程簡單方便：導(dǎo)入一組原始圖片，運行自動對齊控制點，生成全景圖片文件。軟件導(dǎo)入圖片后能主動讀取圖片的鏡頭參數(shù)，識別圖片堆疊區(qū)域的像素特征，隨后以“控制點”的模式進行自動縫合，用戶也可以手工添加或刪除控制點，從而提高拼接的精度。并且它支持輸入多種格式的圖像文件，拼接后的圖像基本上沒有明顯的拼接痕跡[8]。

使用全景拼合軟件PTGui 進行圖像的拼合處理，具體過程如下：打開PTGui 和圖片所在的文件夾。點擊“加載圖像”，將所拍攝同一場景的6 張圖像拖至PTGui 窗口。對齊選中時6 張圖像，當屏幕出現(xiàn)全景編輯界面時，將全景圖居中，固定垂直對齊。點擊放大鏡圖標檢查全景圖細節(jié)，拖動鼠標平移圖像。在全景交互預(yù)覽窗口中調(diào)整視角，直至合適。通過設(shè)置與查找重疊區(qū)域的同名像點，可以將各同名像點一一對應(yīng)。返回到主屏幕，單擊“創(chuàng)造全景”按鈕，選擇默認設(shè)置，點擊創(chuàng)造全景。最后補天補地。采用pano2vr或Krpano 軟件將長條圖轉(zhuǎn)換為720 全景。

使用Lightroom 進行修圖和潤色，保障制作出的圖像具有美感，修圖和潤色水平?jīng)Q定了全景質(zhì)量的優(yōu)劣；使用道可云VR 全景制作系統(tǒng)進行界面設(shè)計，增加藏品的高清單圖展示，配備解說詞語音，呈現(xiàn)展板圖文和音頻內(nèi)容。

4.5 全景漫游圖發(fā)布

進入720 云進行注冊并登錄，在“發(fā)布”界面上傳已處理的全景圖片，在導(dǎo)入全景圖片后單擊“發(fā)布”按鈕完成工作的創(chuàng)建。創(chuàng)建完成后在主窗口中會看到創(chuàng)建的作品，雙擊打開創(chuàng)建完成的全景圖，可進入作品的編輯界面，進行全景效果編輯，如初始視角的重定義、添加熱點鏈接、添加音樂、添加特效、嵌入圖片元素、添加遮罩等多種編輯操作，這些編輯性能可以依據(jù)實際需求進行選擇操作。添加熱點鏈接是為了實現(xiàn)回顧展的全景漫游，通過熱點鏈接完成圖像間的切換。實現(xiàn)熱點設(shè)置后，還能夠給全景圖增加語音講解、配鏡音樂等特效潤飾美化。編輯好全景圖并設(shè)置完基本功能后，在720 云端發(fā)布Flash、Java、Quicktime等多種觀看方式，可用計算機、手機、平板等瀏覽器進行觀看。

5 結(jié)語

采用VR 實景漫游技術(shù)制作了線上的《世紀風云——安徽百年氣象回顧展》，共設(shè)計了24個場景，觀眾在任意時間地點都可以通過登錄網(wǎng)站、氣象蕪湖微信公眾號或掃描二微碼的方式進行觀看，只需通過線上動用手指、動作等一些交互性的手段點擊任一場景就可以實現(xiàn)沉浸式觀看?；赑TGuiVR 的實景漫游技術(shù)只需要將所拍攝的圖像拼接成全景圖獲取圖片數(shù)據(jù)。方法簡單易上手，同時使用相機進行實景拍攝場能夠真實呈現(xiàn)原景原貌，真實逼真、可信度高，開發(fā)周期短、成本低?；谶@些優(yōu)點使其成為在互聯(lián)網(wǎng)上進行全景展示較好的工具與平臺，為實現(xiàn)展覽數(shù)字化建設(shè)起到積極的推進作用。

本研究利用VR 全景技術(shù)對氣象科普展覽進行了有益的探索。采用VR 技術(shù)，讓原本只有2個月短暫展覽周期的《世紀風云——安徽百年氣象回顧展》能夠得以永久保存，觀眾能夠跨越時空得到全方位交互式的視覺感受，更好地發(fā)揮了教育功能和社會功能。由于目前VR 技術(shù)應(yīng)用在氣象展覽等科普活動中還處于初級發(fā)展階段，硬件和軟件還有待進一步發(fā)展，虛擬的安徽百年氣象回顧展還存在畫面不夠精致、交互體驗的動作簡單固定等弊端，還不能給觀眾帶來嗅覺、觸覺等互動感，真正的沉浸式體驗還沒能實現(xiàn)。

總體來看，基于VR 技術(shù)的新型數(shù)字化氣象科普產(chǎn)品能夠起到良好的科普效果，改變了傳統(tǒng)的參觀和學(xué)習方式。未來隨著技術(shù)的發(fā)展和需求牽引的相互推動，VR 技術(shù)將被全面應(yīng)用于氣象科普領(lǐng)域，如將氣象觀測站、氣象應(yīng)急指揮車、氣象預(yù)報平臺、人工影響天氣直升飛機、多普勒雷達等裝備和場景展示出來，并能三維模擬大風、龍卷、洪澇、暴雨等常見災(zāi)害，演示其發(fā)生發(fā)展規(guī)律，身臨其境體驗氣象災(zāi)害并在體驗中學(xué)習掌握自救和互救知識[14]，提升公眾的氣象科普素養(yǎng)和全民防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的能力。同時基于VR 的氣象科普電影、游戲、短視頻等產(chǎn)品也會蓬勃發(fā)展。利用VR 技術(shù)通過制造真實、優(yōu)良的虛擬體驗和學(xué)習空間將對氣象科學(xué)方式進行重塑，將大大激發(fā)人們對科學(xué)的想象力和創(chuàng)造力，使民眾切實體會到科普的魅力和作用。