基于全景技术的测绘虚拟实验室展示与实现

陈润静　邓健　何原荣　潘火平

摘要全景技术是一种基于全景图像的虚拟现实技术，本文将360°全景技術应用于测绘工程专业实验室管理建设，基于造型师、造景师相关软件对测绘实验室设备及实验环境进行全景建模，最后，利用漫游大师平台，设计并开发了实验室场地环境漫游及设备仪器展示系统。

关键词360°全景测绘工程实验室仪器展示系统

中图分类号：G482    文献标识码：A    DOI： 10 16400/j .cnki.kj dk.2021. 11 .058

0引言

测绘工程对学生的实践能力有着较高的要求，教学科研中涉及的测绘仪器种类多且精贵，特别是近年来随着现代测绘新技术的发展，无人机、无人船、三维激光扫描仪等高精尖测绘设备的出现，测绘工程实验室在日常教学、科学研究中的管理显得更为重要，一方面要提升仪器设备的使用效果，另一方面又确保仪器操作、管理的安全性。360°全景技术是将相机拍摄的照片通过专门软件合成全景图，在其上添加视频、音频等元素，模拟形成三维空间的真实场景，通过人机交互的方式达到虚拟现实功能。本文尝试将360°全景技术应用于测绘工程专业实验室管理建设，建立仪器设备、实验室环境的全景模型，实现三维可视化展示。该展示平台可以辅助日常实践教学，方便学生利用课余时间对仪器设备进一步认识学习，提升实践操作能力，同时，对加强测绘实验室仪器设备的开放管理具有一定的促进作用和现实意义。

1基于造型师的测绘仪器设备360°全景建模

1 1拍摄方法

通常的场景拍摄是将相机固定在三脚架上的全景云台，通过调整云台实现360°旋转相机，记录下以三脚架所在位置为中心的周围画面。对于测量仪器设备的360°全景拍摄，该方法较为复杂，在实际操作中，巧妙的借助硬件转盘，即将测绘仪器放置在转盘上，进行360°旋转，保持相机位置不动，即可完整记录仪器360°的画面，该方法实现起来容易操作且拍摄效果好。

具体的拍摄方法是：首先安置三脚架，调整使水准气泡居中使其处于水平状态，之后安置全景云台，采用10.5mm的鱼眼镜头与尼康D300s搭配，利用全景云台和三脚架支撑，完成硬件设备的搭建，将其固定在较平稳的位置。固定好相机后，选择合适的高度安放转盘，将实验设备放置于转盘的中心位置，调整相机参数直至拍摄效果达到最佳，转动转盘，每300拍摄一张全帧鱼眼图片，总共拍摄12张，利用造型师将所拍摄的照片按不同帧拼合在一起，达到可以旋转360°观察设备的效果。

拍摄过程中需注意以下问题：

（1）拍摄时间地点。选择上午10-11点间进行拍摄，将测绘仪器设备置于室内，保证不同角度的亮度和对比度。采用无影灯拍摄，便于开展后续拼接工作。

（2）背景准备。对浅色物体宜用深色背景，反之亦然，这样才能使物体从背景中显现出来，节约后期图像处理的耗时。

（3）曝光值。在相同的环境下保证拍摄对象的连续性，采取相同的曝光设定进行各张照片的拍摄，同组照片在拍摄过程中应保持光圈、变光圈、速度、分辨率与其他设置一致，此外还应固定白平衡，防止色调变化。

（4）重叠度。拍摄时保持相机位置不发生变化，按顺时针方向每隔300拍摄一张，相邻两张照片要有足够的重叠度，便于后期拼接处理。

1 2多媒体素材获取

添加多媒体素材可使输出界面更加丰富美观，素材可从互联网上直接下载，亦可运用相关软硬件自行制作。目前使用最为广泛的基础多媒体素材主要有下列五类：

（1）文本。容易处理、占用空间少、方便输入与存储的特点使文本成为最直观、应用最多的一种多媒体表达方式，在360°全景中用文本来显示标题、菜单等内容，对添加的热点作适当的描述，简洁易懂。

（2）图像。图像通过画面化抽象为具体，表达大量信息，是决定视觉效果的关键因素。360°全景中添加的热点可以是指示性的图标，例如上下左右的箭头指向、播放暂停符号等，让人一目了然。

（3）动画。动画是在图像基础上的升级，利用视觉暂留特征.通过快速播放时序相连的图形图像，具有表现力丰富的特点。事实上360°全景技术就是基于全景图的一种特殊动画形式。

（4）声音。获取声音素材的方法有利用现有素材和自行录制两种，常用的声音处理软件有CoolEditor、GoldWave等。声音在360°全景中最直接的应用就是添加背景音乐。

（5）视频。视频由连续的画面组成的，具有时序性。以链接的方式可以将视频插入到360°全景中去，使界面更加丰富多彩。

1 3基于造型师的360°全景建模

（1）运行杰图造型师3 00软件，单击工具栏“文件”，选择“打开图形文件”，弹出对话框，选中拍摄好的12张仪器照片，将其导入软件。

（2）导入文件后，软件会弹出“定义图像区域”的对话框，按照需要选择合适的范围，然后点击“确定”进入下一步。

（3）选择工具栏“输出”下的“预览360°物体”，弹出对话框，可以选择缺省大小或自己定义播放器的宽度及高度，点击“确定”即可实现预览功能。

（4）预览完成后，选择选择工具栏“输出”下的“输出360°物体”，弹出“发布”对话框，勾选发布的格式，选择输出路径，设置其他相关参数，最后完成发布。

1.4建模效果分析

360°全景技术的图片来源于实地拍摄得到的真实照片，通过对图像的透视处理来实现三维立体的效果，再现实际模型和场景。一般图片无法给人以立体感，并且视角范围有限，仅通过一张图片不可能看清仪器的各个部位，而通过造型师建立的经纬仪模型有360°的视角，更形象生动地展示仪器的构造。此外，由于360°全景技术特有的互动式体验，用户可通过移动鼠标的操作对真实场景进行上下、左右、前后拖动观看，还可通过鼠标滚轮放大、缩小场景，这样的方式使得原本枯燥的学习变得更有意思，激发学习者的兴趣。

从立体感和沉浸感角度出发，三维建模并不会逊色于360°全景，但是若希望达到十分逼真的程度，建模过程需要投入大量的时间与财力。而360°全景制作过程相对方便，数据量小，对计算机系统要求相对较低，适合在多种终端上运行，具有较高的性价比。

2基于造景师/漫游大师的测绘实验室环境360°全景建模

2 1整体建模与系统集成

2.1.1路径规划与照片采集

结合测绘实践教学的实验场地和实验室位置，建立通往厦门理工学院测绘实验室的沿途全部场景，真正达到全方位无死角。场景建模的首要步骤是采集场景照片信息。在漫游路径图上的每个站点找到合适的位置架设三脚架，将全景云台、尼康D300s与10.5mm鱼眼镜头全部搭配到位，先选择主场景拍摄一张，然后顺时针旋转相机，按水平分割每600拍摄一张全帧鱼眼图片，环绕拍摄一周共6张，再将单反对准天空拍摄天顶，每个场景至少获取7张照片。拍摄过程中要使相机准确可靠定位在同一中心点上，避免照片错位导致连接时出现较大偏差。同时要注意室内室外的光线差，相应地对相机参数进行设置，尽量避免拍摄到移动的人群、车辆等，从而增加后期处理的难度。

2.1.2后期处理与设计

将同一场景的7张照片导入造景师软件，在相邻两张照片的重叠部分选择至少3个同名像点，像点选择要遵循均匀分布的原则，从而完成进一步优化，使拼接工作更加顺利。如果场景数量比较多，可以使用批量处理功能，软件自动完成拼接。全景图生成后将其导出软件，利用Photo-shop把地面部分放置三脚架造成的照片黑洞处理掉，对全景图深入美化后保存。

在漫游大师软件中新建工程，展示的界面可以选择系统提供的模版，也可按照自己的喜好设计，通过添加按钮，赋予它相应的功能，如放大、缩小场景，上下左右旋转场景等，按钮的形式包括文字、图片等。加载处理后的全景图，按照漫游路径树状图将各个场景排列好，在场景上添加热点，设置相应的动作和文字说明，实现场景到场景的链接，热点的形式也可以是各种多媒体素材。根据需要在界面设计放置背景音乐、相关动画、视频介绍等，使输出界面多元化。

在测绘实验室漫游系统设计中，将仪器展示嵌入到场景漫游中，使用户在同一界面内既可以实现前往实验室的虚拟漫游，又可以观看测绘仪器的360°展示。通过界面下方的缩略图可以轻易l刀换不同场景，查看不同仪器，如图1所示。

2.1.3系统发布

可供选择的发布格式有Flash VR（HTML）、exe、SWF、HTML5，方便在各种终端上运行。多媒体光盘容量大、成本低、携带方便、操作简单，是一种广受欢迎的信息存储载体。将测绘实验室漫游与仪器展示系统刻录成光盘，无疑是存储和传播信息的良好途径。

3总结与展望

利用全景技术对测绘实验室的建模及集成应用是课程教学方式的一种创新改革，不仅为教师教学提供有力的工具，让学生提前了解实验室的环境与布局，激发学生学习激情，培养学生的实践动手能力及创新精神。

借助全景技术对测绘实验室建模只是其在教学领域的一小部分，同样可将其应用于其他专业的课程教学中，提升课程的体验效果。同时可以进一步对校内其他相关设施，如实验楼、教学楼、图书馆、食堂、宿舍等建模，开发学校虚拟漫游系统，在系统中添加地图播放器，利用雷达实现地点跟踪功能，用户在地图播放器中的地图上随意点击雷达，即可切换到雷达对应的场景，实现场景之间的快速链接和漫游。这这为来访客人、家长和师生对学校教学环境和设施提供直观、全面、便捷的信息平台，有利于加大学校宣传力度，更好地体现办学特色，促进专业建设与发展。

基金项目：2020年厦门理工学院教育教学改革研究项目“面向新工科的测绘工程专业产学研协同人才培养模式建设与实践”（JG2020021）;2020年厦门理工学院教育教学改革研究项目“北斗上'新形态下测绘工程专业卫星导航类课程改革与实践（JG2020019）

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