基于VR全景技术的三维校园漫游系统场景搭建

基于VR全景技术的三维校园漫游系统场景搭建

作者：陈展鹏黄建泽

来源：《现代信息科技》2021年第06期

摘要：随着高科技和自媒体的快速发展，人们日益追求足不出户即可获得身临其境的生活体验，为满足技术提升所带来的用户对高效便捷的需求，使用户的参与感变强，文章以广州工商学院三水校区校园外景虚拟场景搭建为例，主要研究基于720云平台的全景制作流程和关键技术，全方位展示校园的特色。通过硬件与软件的相互结合，使用全景拍摄、拼接、图像处理、优化、交互等技术，最终完成广州工商学院三维校园漫游系统的场景搭建工作。

关键词：全景图;虚拟场景;校园漫游;720云

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）06-0087-05

Scene Construction of 3D Virtual Campus Based on VR Panoramic Technology

——Take Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an Example CHEN Zhanpeng，HUANG Jianze

（Institute of Technology，Guangzhou College of Technology and Business，Foshan 528138，China）

Abstract：With the rapid development of high technology and we media，people are increasingly pursuing to get immersive life experience without going out. In order to meet user’s demand for efficiency and convenience brought by technology upgrading，and make users have a stronger sense of participation. Taking the virtual scene construction of campus exterior view from Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an example，this paper mainly studies the panoramic production process and key technologies based on 720 cloud platform，and displays the characteristics of the campus in an all-round way. Through the combination of hardware and software，using panoramic shooting，mosaic，image processing，optimization，interaction and other technologies，the scene construction of 3D virtual campus of Guangzhou College of Technology and Business is completed finally.

Keywords：panorama;virtual scene;virtual campus;720 cloud

0 引言

全景虚拟现实技术可以较好地展示目标场景，让人感受到虚拟影像中的三维立体空间关系，实现全方位浏览图像景色[1]。近年来全景技术飞速发展，包括360°全方位实景图像或视频和VR（虚拟现实技术），以及后来由VR进一步衍生出的AR（增強现实技术），均在各行业被广泛应用且得到了很好的反馈[2]。所谓虚拟现实系统，是图形图像领域内的一种高新技术，在计算机技术的支持下，模拟出一个虚拟世界，主要表现为三维空间，可对三维空间内事物开展无限制观察，虚拟现实系统主要包含沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、桌面型虚拟现实系统、增强现实系统等[3]。随着5G时代的到来，这一技术得到了快速的发展和应用，如可以通过全景虚拟现实技术的手段，让新生在入校前通过网络即可熟悉校园，这种手段就是VR虚拟漫游技术。通过互联网，让新生在全国各地足不出户就可以游览熟悉校园，提前了解教学场所、实验场地、实训课室，增强新生们对学校的了解和认同，还可通过交互式互动，掌握更多有用信息。因此比起传统的校园推广，全景虚拟现实技术更具影响力和针对性，效果会更好[4]。

1 场景搭建

1.1 拍摄

拍摄前首先调整相机参数，对相机的光圈和曝光度进行调整。

1.1.1 调整光圈

通过调整相机的光圈大小可以得到不同景深的场景素材，景深关系到拍摄时在焦点外的区域的清晰程度。大景深代表着焦点外区域都会呈现出更加清晰的状态，反之则代表焦点外的区域呈现模糊的状态。数值越大的光圈，景深就越大，焦点外的光圈越清晰，背景虚化效果优秀，本次研究光圈的系数统一设置为10～12系数之间。

1.1.2 调整曝光度

曝光度也被称之为曝光值，曝光值代表能够给出同样曝光的所有相机光圈快门的组合。简单说就是在拍照时，明明很亮的场景或物体，照出来反应在相机上时却很暗，这就表明，相机的曝光度不够，需要把相机的曝光度值调高。反之，过亮就减少曝光值。大部分时候可以通过相机的P档自动调节相机的曝光度，只需要记住P档位的快门速度和ISO系数，然后回到M 档位手动输入P档位的系数就可以。同时由于环境的不同也可以手动调节相机的快门速度和ISO系数以达到要求的曝光效果。

1.2 拍摄

1.2.1 拍摄目标

完成广州工商学院三水校区三维虚拟场景的构建，以体育场馆、公园等绿化景观为主，包括国际学院及教工宿舍和部分学生宿舍的虚拟场景构建。最终目标是和项目组的其他成员及其他项目组成员共同完成整个三水校区的虚拟校园。

1.2.2 素材采集规划

本次拍摄采用团队合作的方式采集广州工商学院三水校区的实景素材。所以计划从校门口开始往校园内部逐步拍摄，途经校门口，商业街，国际楼，素质拓展中心，桃李园，运动场，图书馆，广场，学生活动中心，花园，宿舍楼，饭堂，最后到教师公寓，共13个步骤拍摄。

1.2.3 素材采集

首先从学校门口开始，在阳光明媚的天气中选定学校门口的中心位置，搭建好拍摄设备，调整相机参数，在校门口的正中心以面朝门口的方向为起点，以支架为中心，绕支架360度，以90度为分界拍摄4张素材，拍摄的素材之间的重叠至少为20%～25%。然后旋转相机对准天空和地面再拍摄两张素材。一个场景共拍摄6张场景素材，如图1所示。在拍摄的过程中注意不同的素材中应避开相同的人影重叠，避免车辆的运行，车辆的快速运行会在素材中留下重影，保持拍摄角度，拍摄水平的一致。

1.3 拼接素材

1.3.1 合成初始全景图像

素材拼接选择PTGUI软件。它是一款接片软件，它能自动读取底片的镜头参数，识别图片重叠区域的像素特征，然后以“控制点”的形式进行自动缝合，并进行优化[5]。导入之前采集好的6张场景素材到PTGUI软件，通过对齐影像自动计算控制点缝合成初始的全景图像，全景编辑模式中发现全景图像存在偏移的情况可以把全景图像拉正。如果发现导入素材有误也可以返回工程助理项目，点击添加更多影像和删除或重组排列影像来调整导入的素材。

1.3.2 初始影像的检查

通过预览模式可以发现初始全景图像存在的问题，由于素材采集和拼接全景图像的过程中出现各种问题是不可避免的，所以拼接的初始全景图像会存在各种不同的问题需要修复。这个时候就根据不同影像存在的不同问题来进行处理。

2 虚拟场景的问题优化

2.1 基于PTGUI的全景优化

2.1.1 遮罩处理

在素材采集的过程中会有人影或全景云台阴影的残留，可以运用PTGUI的遮罩功能进行处理，如图2所示。用遮罩画笔把需要遮罩的范围先用画笔圈起来，然后填充满整个区域。需要注意的是，遮罩功能是通过其他5张素材与选中素材的重合区域对遮罩位置的自动填充，进行遮罩之后不可避免地会出现误差，所以应该尽量减少填充的区域。

2.1.2 修剪处理

因为在拍摄过程中曝光度和水平方向不一致，会出现全景图像存在明显的裂缝或缝合痕迹较为明显的情况，可以通过PTGUI自带的修剪功能进行处理。首先在修剪项目中把素材的范围小幅度缩小，然后选中独立设置就可以解决上述问题。如果在修剪的过程中发现素材光圈并没有在图像的中间，光圈位置出现了明显的偏移，需要先摆正光圈的位置。

2.1.3 控制点处理

运用PTGUI进行自动拼接时，可能会岀现拼接不了或拼接错位等现象。这些现象多数是由于图像没有控制点或控制点混乱所造成的。解决办法就是要找出错误的控制点。这类错误的控制点往往出现在非相邻的图像中，应全部删除。重叠部分必然会有控制点，用此方法逐一检查每一图像，删除所有错的控制点，最后进行优化就能得到正确的拼接图像。

2.1.4 视点矫正

由于补地的一张底片是移开三脚架之后拍摄的，它的视点与其余的底片并不在一起，所以在拼接的时候就会出现像素点偏离和线条错乱等现象。这个时候需要运用PTGUI自带的视点矫正功能来修复它：导入一组场景素材，对齐图像之后，对全景图像进行优化。当然对于没有能够自动识别调整回来的地方，就需要手动调整控制点或者运用pano2vr软件进行分解、处理、合成来调整。

2.2 基于Photoshop的圖像处理

2.2.1 填充处理

经过PTGUI遮罩处理之后，由于素材与素材之间的重叠部分不足以填充遮罩部分的像素，导致部分被遮罩区域出现空洞现象，这个时候就需要把全景图像拉到Photoshop软件之中填充缺失部分。在Photoshop中通过3D（D）项目中的球面全景打开全景图像，选中出现问题的区域，然后通过内容识别填充空白区域。

2.2.2 调整色调曲线

拍摄素材时环境的影响会导致场景色调暗沉或高光。这个时候可以运用Photoshop的调整曲线功能，通过调整全景图像的色调曲线来调整全景图像的色调。

2.2.3 置换天空

有些素材因为拍摄时天气气候的影响会使天空出现偏暗、发白、发灰的现象。如果要让合成的场景能够更好地展现，需要通过Photoshop更换天空，使得照片看上去明亮。首先将要换天的素材用Photoshop软件打开，然后利用裁剪工具，将照片的比例裁剪为2：1。打开滤镜，根据照片调整照片的色彩，提高饱和度，使素材较之前比显得饱满和谐。调整素材的天空将原图所有的天空覆盖，然后为素材天空添加蒙版。需要特别注意天空和地平面的相接处，要将天空素材调整至刚才和原图同样的色调。

2.3 基于pano2vr的图像处理

2.3.1 分解全景图像

在拍摄素材的过程中，如果有时地面和天花板出现有较多线条的场景，那么在合成全景图像后，地面和天花板难免会出现线条错乱的现象。此时便不能直接用Photoshop软件直接进行处理，需要把合成好的全景图像通过pano2vr分解成6张图像，转换输入图片的类型为立方体面片，再用Photoshop软件处理出现问题的区域。

1.2 拍摄

完成广州工商学院三水校区三维虚拟场景的构建，以体育场馆、公园等绿化景观为主，包括国际学院及教工宿舍和部分学生宿舍的虚拟场景构建。最终目标是和项目组的其他成员及其他项目组成员共同完成整个三水校区的虚拟校园。

1.2.2 素材采集规划

本次拍摄采用团队合作的方式采集广州工商学院三水校区的实景素材。所以計划从校门口开始往校园内部逐步拍摄，途经校门口，商业街，国际楼，素质拓展中心，桃李园，运动场，图书馆，广场，学生活动中心，花园，宿舍楼，饭堂，最后到教师公寓，共13个步骤拍摄。

1.2.3 素材采集

首先从学校门口开始，在阳光明媚的天气中选定学校门口的中心位置，搭建好拍摄设备，调整相机参数，在校门口的正中心以面朝门口的方向为起点，以支架为中心，绕支架360度，以90度为分界拍摄4张素材，拍摄的素材之间的重叠至少为20%～25%。然后旋转相机对准天空和地面再拍摄两张素材。一个场景共拍摄6张场景素材，如图1所示。在拍摄的过程中注意不同的素材中应避开相同的人影重叠，避免车辆的运行，车辆的快速运行会在素材中留下重影，保持拍摄角度，拍摄水平的一致。

1.3 拼接素材

1.3.1 合成初始全景图像

素材拼接选择PTGUI软件。它是一款接片软件，它能自动读取底片的镜头参数，识别图片重叠区域的像素特征，然后以“控制点”的形式进行自动缝合，并进行优化[5]。导入之前采集好的6张场景素材到PTGUI软件，通过对齐影像自动计算控制点缝合成初始的全景图像，全景编辑模式中发现全景图像存在偏移的情况可以把全景图像拉正。如果发现导入素材有误也可以返回工程助理项目，点击添加更多影像和删除或重组排列影像来调整导入的素材。

1.3.2 初始影像的检查

通过预览模式可以发现初始全景图像存在的问题，由于素材采集和拼接全景图像的过程中出现各种问题是不可避免的，所以拼接的初始全景图像会存在各种不同的问题需要修复。这个时候就根据不同影像存在的不同问题来进行处理。

2 虚拟场景的问题优化

2.1 基于PTGUI的全景优化

在素材采集的过程中会有人影或全景云台阴影的残留，可以运用PTGUI的遮罩功能进行处理，如图2所示。用遮罩画笔把需要遮罩的范围先用画笔圈起来，然后填充满整个区域。需要注意的是，遮罩功能是通过其他5张素材与选中素材的重合区域对遮罩位置的自动填充，进行遮罩之后不可避免地会出现误差，所以应该尽量减少填充的区域。

2.1.2 修剪处理

因为在拍摄过程中曝光度和水平方向不一致，会出现全景图像存在明显的裂缝或缝合痕迹较为明显的情况，可以通过PTGUI自带的修剪功能进行处理。首先在修剪项目中把素材的范围小幅度缩小，然后选中独立设置就可以解决上述问题。如果在修剪的过程中发现素材光圈并没有在图像的中间，光圈位置出现了明显的偏移，需要先摆正光圈的位置。

2.1.3 控制点处理

运用PTGUI进行自动拼接时，可能会岀现拼接不了或拼接错位等现象。这些现象多数是由于图像没有控制点或控制点混乱所造成的。解决办法就是要找出错误的控制点。这类错误的控制点往往出现在非相邻的图像中，应全部删除。重叠部分必然会有控制点，用此方法逐一检查每一图像，删除所有错的控制点，最后进行优化就能得到正确的拼接图像。

2.1.4 视点矫正

由于补地的一张底片是移开三脚架之后拍摄的，它的视点与其余的底片并不在一起，所以在拼接的时候就会出现像素点偏离和线条错乱等现象。这个时候需要运用PTGUI自带的视点矫正功能来修复它：导入一组场景素材，对齐图像之后，对全景图像进行优化。当然对于没有能够自动识别调整回来的地方，就需要手动调整控制点或者运用pano2vr软件进行分解、处理、合成来调整。

2.2 基于Photoshop的图像处理

2.2.1 填充处理

经过PTGUI遮罩处理之后，由于素材与素材之间的重叠部分不足以填充遮罩部分的像素，导致部分被遮罩区域出现空洞现象，这个时候就需要把全景图像拉到Photoshop软件之中填充缺失部分。在Photoshop中通过3D（D）项目中的球面全景打开全景图像，选中出现问题的区域，然后通过内容识别填充空白区域。

2.2.2 调整色调曲线

拍摄素材时环境的影响会导致场景色调暗沉或高光。这个时候可以运用Photoshop的调整曲线功能，通过调整全景图像的色调曲线来调整全景图像的色调。

2.2.3 置换天空

有些素材因为拍摄时天气气候的影响会使天空出现偏暗、发白、发灰的现象。如果要让合成的场景能够更好地展现，需要通过Photoshop更换天空，使得照片看上去明亮。首先将要换天的素材用Photoshop软件打开，然后利用裁剪工具，将照片的比例裁剪为2：1。打开滤镜，根据照片调整照片的色彩，提高饱和度，使素材较之前比显得饱满和谐。调整素材的天空将原图所有的天空覆盖，然后为素材天空添加蒙版。需要特别注意天空和地平面的相接处，要将天空素材调整至刚才和原图同样的色调。

2.3 基于pano2vr的图像处理

2.3.1 分解全景图像

在拍摄素材的过程中，如果有时地面和天花板出现有较多线条的场景，那么在合成全景图像后，地面和天花板难免会出现线条错乱的现象。此时便不能直接用Photoshop软件直接进行处理，需要把合成好的全景图像通过pano2vr分解成6张图像，转换输入图片的类型为立方体面片，再用Photoshop软件处理出现问题的区域。