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user: 1. 绪论 1.1. 全景图研究意义 虚拟现实系统(Virtual Reality System，简称VR) [ 1 ] 是近年来出现的图形图像领域的高新技术，也被称为灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。 全景的英文名称是Panorama，在虚拟现实系统中，全景图的定义为：将多张平面相片合成一张球形图相片，拍摄者的镜头定位于“球体”模型的自定义中心，浏览者可以定位在拍摄者的角度，看到球形空间中所有方向对应的景象具体内容。全景图通过绘画、相片、视频、三维模型等形式的配备加入，尽可能强烈明显地展现出虚拟现实的周围环境展示效果。360度全景视角，即通过对拍摄设备捕捉整个场景的图像信息，或者是使用如3DsMAX、Maya等建模软件制作出的三维浏览效果图片，使用软件进行平面二维关联图片的拼合，并用能够展示全景效果的播放器进行播放，就可以将二维的平面照片或者是建模软件制作出的平面图片的信息内容，展示为360度的全景观看效果。 虚拟现实系统具有以下基本特征： 多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉，听觉，力觉，触觉，运动等几种。 浸没感(Immersion)——又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。 交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。 构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 通过航空拍摄或者是卫星拍摄的三维全景效果，可以对某一区域的场景具体内容拍摄，再通过虚拟全景技术模拟地区视图，将其中具体的山脉、河流、地理坐标位置等等内容全方位展示。虚拟现实技术可以广泛地应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益：展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性，能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意地进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。同时虚拟现实技术也可用于旅游业中对游客的场景展览，教育行业中对在课堂中教学内容的展示，军事中对作战区等的模拟。 全景摄影本质并不是真正意义上的3D图形技术，是2D的平面图像所带来的虚拟3D观看效果。但它所带来的体验充分展示了市场对于其的需求，以下是它发展速度非常之快的原因： 1. 实地拍摄，有照片模拟的真实感，正是因为如此，才能够带给浏览者在观赏时所具备的身临其境感。 2. 它有一定的交互性浏览模式，浏览者能用使用配备的控制环视的方向，360度东南西北上下六个方向720度无死角全方位观看，也能够进行自主页面跳转和相关链接浏览。 3. 浏览全景图没有什么强烈的必备设备要求，在电脑上、移动设备上都能够看到各式各样的想要观赏的全景图。 4. 在制作过程中对于拍摄设备及相关制作软件页没有较高要求，通过熟练的编程即可实现简单的漫游全景图制作。 令人眼前一亮的沉溺感体验和真实的3D效果感觉，是其在当下多种多样的娱乐活动中的一大亮点。 1.2. 国内外前景图发展现状 虚拟现实技术的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。在国外，虚拟现实技术已经有了很长一段时间的研究，发展速度迅猛。虚拟现实技术首先带给参与者的根本内容在于视觉上的冲击感。360度的展示效果 [ 2 ] ，三维立体的内容能够令参与者轻而易举地融入整个虚拟环境。虽然是2D的虚拟现实却能够给浏览者带来3D世界的真实感。浏览者沉浸于场景并能够与该场景进行交互。在头显设备方面，国外Oculus、HTC vive、Sony三大厂占据市场龙头地位，但其最大劣势在用户体验和VR沉浸感方面已经大幅超出消费者预期 [ 2 ] 。国内的头戴式VR显示器产业已初具规模。但国内的VR头显产品中能够打开市场，迅速积累口碑的产品偏少，与三大厂产品相比，在用户体验、技术含量、做工等方面还有一定的差距。在输入与交互设备方面，新的输入交互还在探索和创新阶段，目前主要分为类似传统手柄的感应操作杆、手势识别与手势捕捉装备、动作捕捉设备等。 在我国最早引入虚拟现实技术的研究过程中 [ 3 ] ，北京航空航天大学计算机科学与技术学院作为领军角色，拥有着先进的研究技术目标，做出了不少多项有效的研究成果。在航空航天飞行训练的虚拟现实展示系统中的应用与开发，着重于展示研究目标的物理性质以及相关可靠的处理方法，并为此开发了有关的硬件技术支持和软件配置。系统的运用点还在于三维的动态数据库，模拟现实环境，用于航天飞行的模拟训练，发掘其中需要改善和处理的相关信息内容。对于虚拟现实技术的普及，在高校的学生们面前经常出现。虚拟现实技术让学生们能够体验到VR技术使场景所富有的动态效果。物理、化学、地理各种科目都能运用到这些技术。可以知道，虚拟现实技术在发展的过程中正在逐步走向成熟，与人们生活中的方方面面也相互融合，更加的深入、广泛和普及。 1.3. 全景图基本理论 1.3.1. 主要制作问题 在全景图制作初期，是初步拍摄作品素材 [ 4 ] ，本作品采用手机拍摄，一组素材需要三个维度拍摄，每张图片有1/5重叠，背光时调整焦距，减少虚拟现实场景中观看时的失真。图1展示拍摄图片存在的一些问题。相似的场景，特别是对蓝天的拍摄，在图片场景中必须出现可识别特征标识物，对于相接洽的场景，还要注意拍摄亮度和焦距，素材场景中的光线确保能在全景图中融合。一些无法使用的拍照素材如图1所示。 上述照片在全景图合成时无法识别，会出现需要手动对齐的问题，即使自主合成，图片之间出现明显裂缝，场景扭曲和区域之间蓝天的颜色无法调和等问题，后期可通过填充来识别天空与一些地面空缺，简单操作如图2和图3所示。 但是自动填充是通过已有部分纹理的复制，填充内容跟过多会使全景图出现不符合常理的重复部分，如图4所示。 由于移动设备对于材料相片的拍摄有诸多譬如拍摄时的抖动，拍摄物体的移动，拍摄角度的变更，光线与阴影的影响等各方面在拍摄时不可避免的因素，会导致制作出来的全景图整体的架构有不稳定现象，很多细节部分有明显的交错偏差，衔接部分的不协调，使得一张全景图的初成品不美观。所以需要后期对全景图片的细节加工。 图1. 素材照片 图2. 原始合成图 图3. 填充后场景图 图4. 填充重复部分 简单的全景图浏览无法使浏览者身临其境，在采集并加工好作为全景图网页制作的原材料之后，需要添加背景音乐，插入视频，图片，相册等元素丰富漫游系统。 1.3.2. 制作流程 全景图制作流程的工作内容及顺序 [ 5 ] 为： 1. 原材料相片采集：选择需要制作三维漫游场景的地点，确定某一合适位置为原点，在此处进行相片拍摄，收集全景图制作的材料，确保场景的各个位置都能完成被拍摄，同时确保图片之间的连续性和每张图片的之间可识别性。 2. 相片拼接：将已收集好的单张相片使用photoshop拼接为一张平铺的整体，合并各个图层。 3. 图像缝合与修饰：由于所用收集相片集的是普通的拍摄设备，其在拍摄时无法固定导致单张相片拼接为整体时会出现大量的拼接问题，显而易见的交错重合误差等等是全景图制作的最大问题。为解决这样的问题，需要对已经拼接好的材料相片集进行后期的加工处理，例如填充天空和地面等。 4. 全景图制作：以已经处理好的平面全景图为材料，导入pano2VR中识别，初步完成三维场景建设。全景图立体框架如图5所示。 图5. 全景图立方体框架 5. 全景图网页制作：对于虚拟现实全景漫游系统，想要让浏览者在观看过程中拥有更好的体验感，可以加入场景选择、地图标识、动态移动、多媒体配件等等有用的功能，完成一个网页的制作。