3D与VR介入古遗址全景观览设计与开发的技术研究

李晓辉，张春庆

兰州财经大学 陇桥学院，甘肃 兰州 730101

一、总体设计

近年来，随着全域旅游的发展，古文化遗址的资源价值进一步得到了提升。同时，文创产品开发以及地方性的战略性宣传使文化遗址的名片和符号功能凸显了出来。文化遗产信息可视化，就是对数字化文化遗产的信息进行剖析、阐释和加工，并以可视化的方式呈现到观众面前[1]。全景观览设计开发迎合了这种趋势与要求，通过对空间图像的序列式拍摄，结合3D和VR技术将平面的普通图像通过六面体围合形成一个可以动态调整的空间单元，观者可以自由“进入”整个场景，通过交互设计的按钮控制或陀螺仪的设置进行前后、左右、上下自由的浏览。全景观览设计与开发需要三个阶段来完成。其中图像拍摄与阈值叠加的算法处理非常关键，决定着全景图像是否可用；进入中期阶段，要进行全景图像的合成与图像空间的缺陷处理，photoshop图像处理软件和PTGui中对3D全景空间的动态修复可以做到“无痕”效果；最后阶段的观览设计与开发则是通过全景资源的互联网设计与交互来实现的，通过互联网数据叠加与热点推送以“去中心化”的形式到达受众，经过迭代优化，成为古文化遗址传播的一条全新的路径选择。

二、图像拍摄与像素阈值叠加识别

（一）设备要求

全景云台是当前市场中进行序列图像拍摄的主流载体，它可以与手机或单反相机连接来实现操作，通过App设置，确定拍摄图像的角度与视域。同时，大部分App还自带了对拍摄的序列图像进行全景合成的功能，集成性更高。以鲲图云台为例，它不仅可以自如地在手机端设置需要拍摄的序列图像的数量和角度，还可以在云端将拍摄的图像进行全景图像一键合成，大大节约了时间，对技术操作要求相对较低。当然，随着技术的进步，无人机拍摄正在悄然兴起，其视觉感更强，空间层次感更加理想。

（二）技术要求

全景图像的是通过处理若干张序列图像的相关性来组成的（如图1、图2），每张图像与下一张图像之间都有20%～30%的角度或拍摄的内容是重叠的，这些图像重叠的部分从内容和像素的一致性方面高度接近且拼接效果极佳（如图2）。图像拼接的主要问题是处理相邻2个图像样本之间的重叠部分，根据Mc Milliams提出的全景图拼接算法，依据摄像机绕轴旋转360°所拍摄的序列图像求解摄像机参数，进行全景图拼接[2]。其原理是通过图像阈值的相似性进行叠加识别，在拍摄的时候要保证每一次选景的角度与上一张图像和下一张图像之间有相交的部分，不能出现无关联的图像在序列中，导致一个拍摄序列作废。柱面模型是最普遍采用的全景图拼接模型，该方法要求相机绕垂直转轴（如三脚架）作水平转动，将图像投影到一个统一的柱面上之后，拼接问题就转化为在柱面上图像间的平移问题[3]。据此原理，三维实体空间的再造过程中，天与地部分和竖向柱面之间必须存在内容关联，拍摄时以相机为球体的中心，结合球体经纬构造的特点，纬度越高拍摄的张数也要相应减少，拍摄的方式是先横着拍，再进行仰角30°和俯角30°拍摄，最后对天与地各拍摄2张。为了消除云台支架影响地面效果，一般通过平移的方式挪动云台一个机位的距离，之后对地面再拍摄1～2张，所拍摄的照片一般每组为36张到40张为宜。最后通过相应的软件进行全景图像合成，处理成一张纵横比为1：2的高清大图，这张图像大小一般为10 000*20 000像素，基本可以满足全景观览使用。

图1 序列图像中具有重合部分

图2 序列图像的内容叠加

（三）图像色彩与曝光控制

由于受到光线和光照角度的影响，所拍摄的序列图像之间在色彩与曝光控制方面存在一定的差别，特别是绕垂直转轴作水平转动时，受到逆光与顺光的影响，图像的明亮程度以及色彩倾向方面有很大的出入。为了解决这个问题，序列图像拍摄时一般采用曝光锁定的方式，使拍摄的图片色彩饱和度、色彩倾向性以及曝光的程度基本都控制在一个相近的范围之内，这样在图像拼接的过程中，序列图像边缘衔接没有太大差别或过于强烈的跳跃感。

三、全景合成与图像缺陷的阈值修复

（一）图像合成的技术处理

图像合成中的技术处理与图像相关性密不可分，且在图像的合成过程中2张图像的相交部分能够实现完美的像素关联，并实现内容的相近性识别，这样合成的图像柱面边缘才没有裂缝。相邻的柱面图像之间只有相对平移，使用相位相关度（phase correlation）方法可以求出该平移量[4]。这就要求在前期的拍摄中，所选择的每一张图像所旋转的角度都要控制在一个适度的范围。虽然它的取景范围较大，但是每张图像与相邻图像在纵向和横向的重叠部分要达到的1/3左右。图像合成的技术是通过相似像素计算与像素深度测量综合形成的，通过双向来衡量相邻像素深度与相关性进行图像处理以及图像缺陷修复。当前所常用的图像处理软件有PTGui及专门所开发的全景合成图像的App来完成。需要说明的是，PTGui软件的全景合成功能对图像的修复更加全面，手段更加灵活，它的修复功能主要基于图像相似内容的定位以及蒙版遮盖来实现。如图3所示，对序列图像6和序列图像23的相近内容的控制点调节，细节编号一致，内容也须相同，出现变量差则要通过重新确定控制点或移动现有控制点重新定位，最终使2张相关图像进行动态缝合。

图3 PTGui对内容相近的序列组图像动态缝合

（二）图像缺陷修复

对PTGui合成的全景图中通过遮罩不能完全处理的图像缺陷可以使用photoshop全景图像3D功能来修复。值得一提的是，合成的全景图像不能在photoshop的平面功能下进行修复，因为它所围合成的6 面体是一个实体空间，Photoshop图像处理软件2019版提供了完整的空间图像缺陷修复解决方案。在3D菜单中，选择由图像生成三维空间，进入三维空间以后，选择相应的要修复掉的内容，可以采用选框工具将其框选，它的边缘应尽量与所要删除的内容接近或边缘相对比较接近。接下来要做的工作是，通过图像填充的形式选取内容识别，将不必要或不需要的内容用相似的像素填充掉，原理是相邻像素深度的阈值接近性覆盖。如图4所示，大地湾古文化遗址原始村落F601探方全景图像修复三脚架前后的对照。

图4 利用photoshop中的3D功能修复图像缺陷的前后对比

（三）图像分辨率与像素要求

随着硬件技术的发展，图像分辨率越来越高，存储的信息也越来越多[5]。720云以及鲲图全景处理软件当前所支持的图像都采用的是纵横比1：2的画幅大小，图像越大所显示的效果相对越清晰。图5为在PTGui软件当中合成的全景图像，它所显示的图像像素为7 000像素*14 000像素，所呈现的图像效果非常清晰。

图5 PTGui修复的全景图像（序列图像编号形式）

四、观览设计开发

全景观览的设计与开发是在全景图像设计完成的基础上，将它导入到专业的全景制作软件中，使其根据图像的空间属性产生三维空间实体效果，从而进行动态浏览的一种技术。它的实现要有开发平台作为支撑进行空间再造，需要交互设计优化观览的效率并进行迭代开发。

（一）开发平台

当前常用的720云和鲲图App可以实现完整的全景观览开发。特别是它的交互性中所采用的热点连接、网站搭载、图片和文字介绍、音乐添加等功能，能够在浏览的过程当中实现视、听觉多方面的感官体验。设计集成中，通过热点的链接可以实现不同场景之间的切换，同时对于重点的内容亦可通过网页的链接来深入介绍，通过文字介绍，也可以对于某一个展示重点进行信息渗透。

（二）交互设计与迭代

交互（interaction）是因为有了“动作”（action）和相应的“反馈”（reaction）才形成了一个回合的交互行为[6]。随着5G技术的应用与推广，消费者参与互联网经济的机会大大增加，用户体验对消费决策的影响力愈加明显。古遗址全景观览设计需要通过迭代优化来提升艺术展示的效果与服务价值的延伸。用户可以在浏览的过程中即时发布个人意见与见解，开发者可以通过交互设计掌握用户的动态以及个人爱好来分析受试者对于全景观览资源的认知情况。互连网迭代开发与优化的价值在于可以实现迭代与开发并行，快速提升交互的易操作性与大众体验的快感，并迅捷地做出调整。

互联网的介入使全景观览资源快速到达消费者成为可能，在这个过程，“去中心化”的推送与浏览，最大化的满足了目标群体受众的要求。资料显示，2018年全国乡村旅游收入突破8 000亿元[7]，特别是近年呈现出井喷式增长态势，VR和3D技术介入全景观览设计助推旅游资源整合开发大有可为。

五、总结

互联网时代，3D和VR技术介入全景观览设计，对于古文化遗址的价值传播，特别是对全域旅游发展的推动意义非常积极，属于通过艺术展示的形式助推地区经济快速的一条全新的路径探索。尤其是对于经济欠发达的地区，基于互联网渠道对地区文化资源禀赋进行视觉开发与推广，可以在较短的时间内实现经济社会价值与文化价值传播相渗透的双效作用。