基于无人机的室外全景漫游地图设计与实现

引 言

使用虚拟环境逼真地呈现现实环境是计算机图形学的热门研究领域 [1]。21 世纪以来，虚拟现实技术迅猛发展，其诞生与发展把地图设计推入了新的发展阶段，为广大用户提供了更直接的途径和更准确的地理位置 [2]。此外，3D 虚拟漫游作为摄影的一种衍生技术，可方便用户在 PC 机上进行水平 360°与垂直 360°浏览，可任意调整视觉距离，弥补了平面效果图不能带来全方位感受的缺陷。另外，3D 虚拟漫游凭借其真实感强、画面高清、播放流畅等优点被广泛应用到农业、工业、军事、旅游等多个领域。

1 全景影像拍摄

全景拍摄使用一台具有 1200 万像素超高清机载相机的智能旋翼无人机。航拍之前，需要对飞行器进行初始调试， 准确判断起飞条件，确定飞行地点。相机的参数调整包括ISO感光度、场景模式、曝光量、照片格式和白平衡条件等 [3]。首先将拍摄模式调整到手动挡 ；拍摄时要将 EV值尽量调到0 ；ISO感光度越大，噪点越大，因此其值在 100～200间较合适 ；白平衡选择自定义，控制在 5 600 ～6 000 k 范围内， 选择延时拍摄。进行几次先行试拍，直到调整到合适的拍摄参数后锁定参数，保证在整个拍摄过程中参数不会改变。考虑到空旷地带会削弱多径效应的干扰与影像数据应具有较好的空间距离感的要求，飞行地点选定在清晨空旷的农田上方约 100m的高度。在空中将无人机悬停在事先预定好的位置后开始拍摄。在整个拍摄过程中总共需要将无人机的相机旋转5圈。第一圈拍摄时将云台向上仰20°，旋转无人机的镜头，每转动 45°拍摄一次，共拍摄 8 张照片。第一圈完成后转回到拍摄起初位置，开始拍摄第二圈，拍摄过程中保证相机视线方向与重心方向垂直，每转动 45°拍摄一次，拍摄照片数为 8张。第三圈需将镜头角度向下旋转 45°，每转动 45°拍摄一次，拍摄照片数为 8张。第四圈再调整为竖直向下，正对地面拍摄 2张。由于受到无人机的限制，镜头无法竖直向上对无人机上方的天空进行拍摄，可在地面拍摄 2 张天空影像方便后期修补。

2 影像预处理

由于感光原件或摄影成像系统自身具有成像误差的特性，以及考虑到摄影环境中存在诸多影响成像的因素，初始影像存在过度曝光或者曝光量不足、噪点较多等缺陷，基本不能高度还原现场情景，所以在本次拍摄过程中，明暗调节尤为重要 [4]。为了使采集到的影像尽可能接近现实，更符合人眼观赏的需求，需要预处理操作 ：

(1) 把初始数据进行归类整理，安放在同一个新建文件夹中，打开 Photoshop软件调节影像亮度、饱和度、对比度等参数，对高光和阴影部分着重细化丰富信息。

(2) 通过橡皮图章、修补工具等适当调整以便影像合成时精准定位。

3 基于 PTGui的全景影像拼接

借助全景制作工具 PTGui完成对图像的拼接，创造出高质量的全景图像。通过加载对准并调整图像，配准其镜头参数，可自动拼接融合出较为理想的全景图 [5]。同时 PTGui具有多种视图和映射方式，选择合适的映射方式优化图像，拼接后的全景图的影像长宽比保证在 2左右，并根据实际需要选择性地修改或添加控制点，进一步提高拼接精度。使用PTGui拼接图像后，明暗度均匀，基本上不会显示显著的拼接痕迹。拼接处理后的全景图如图 1 所示。

                                                                                                                                                                                             图 1 PTGui 拼接处理后的全景图

4 全景图修补

由于存在拍摄视角黑洞，PTGui 生成的矩形全景图天空部分是空白的，需要后期进行必要的填补工作。再次借助Photoshop 软件的修补工具，首先复制天空素材，粘贴到航拍图的图层，调整航拍图和天空素材图的图片属性为相同大小，此时源区域与目标区域的纹理、明暗等做自动匹配处理[6]。下一步的关键是图层蒙版的使用，使用渐变工具对天空素材图像的图层蒙板进行填充处理，具体实施步骤为在两幅图的叠加位置拉一条竖线，直至画面过渡效果理想为止。渐变填充时角度要始终保持在 90°，最后得到的全景图才不会有拼缝。还可借助 Photoshop 的裁剪功能消除镜头畸变等，最终填充、调色等修补工作完成后的效果如图 2 所示。

                                                                                                                                                                                           图 2 Photoshop 修补前后的天空图对比

5 全景漫游地图的发布

5.1  基于 Pano2VR 的影像发布

实 验 取 景 时 尽 量 使 用 高 像 素 相 机， 在 PTGui 和Pano2VR，720 云平台中专业操作实现全景图时，高清图像可以降低还原难度并减少 Photoshop 的修补处理工作，最后达到快速加载的目的。以 Pano2VR 作为生成全景图的方式， 操作比较简单。打开 Pano2VR 软件，界面中出现“将图片拖至此处”提示，可把修补后的全景图直接拖进来，或在“选择输入”的选项卡中找到全景图的保存路径，打开即可。图片正常显示后，设置输出文件的位置，文件的后缀名是 *.SWF 格式。然后进入设置参数面板选项卡，设置图像质量值为100，滑动横向游标选择图片质量为高质量，并设置窗口尺寸为 4 000×2 000 px，点击选项卡中的“开启自动旋转”“加载完毕后开始旋转”“窗口被激活时旋转”选项，提供给用户各种操作影像的功能。保存之后，播放 360°全景效果图。

5.2 基于 720 云平台的影像发布

全景漫游可通过实地取景后对照片进行一系列技术处理得到理想结果，结合其本身的三维特点，最后还原的效果图逼真性较高。通过以往的摄影方式获得的听觉、触觉等感官信息较弱，而 720 云平台制作的全景图易操作，鼠标所在位置定位在人眼位置，通过拖动鼠标实现视角转移，消除了视觉盲点，同时结合背景音乐、音频讲解等操作补充用户的听觉感受，使其更好地掌握影像信息。全景漫游便于操作者按照自己的意向选择角度进行个性化操作控制，逐步衍生出人机深度交互 [6]。登录 720 云平台，上传修补后的影像数据， 即可生成全景漫游效果，上传作品时可点击编辑按钮进行详细内容的编辑，输入作品相关信息。相关拓展功能根据实际需要添加设计，如设置背景音乐、添加热点、绚丽效果等。本文在农田上设置较多热点，点击热点即可查看此块农田的相关信息。对于不同的农田设置不同的热点，也可使浏览者了解土地作物的情况，无需每个功能都进行设置才能上传。最后点击保存分享到网络平台，实现资源共享。在网站上共享的全景漫游图如图 3 所示。

                                                                                                                                                                                              图 3 720 云平台生成的全景漫游图

5.3 Pano2VR与 720 云平台生成全景图的效果对比分析

Pano2VR 是一种专业的全景制作软件，具有诸多拓展功能，使用该软件，用户可将三维全景图与文字、视频等各种多媒体元素相结合，以及通过添加场景间热点实现多个场景的虚拟漫游交互展示效果，用户能够根据自己的意愿制作出理想的全景图，各种参数的设定也较为详细。例如，对于输出格式，Pano2VR 支持FLASH，HTML 等多种格式。相比而言， 720 云平台具有较简便的可视化界面，也更易编辑，难度系数小，实际应用高效便捷，通过简单学习即可快速制作出一个内容详细、画面美观的全景图。此外，720 云平台服务用户的综合性较高，开发周期相比 Pano2VR 更短，支持佩戴VR 眼镜体验全景影像的漫游效果。

6 结 语

720 全景漫游地图的设计与实现过程通过无人机获取低空遥感图像，结合相关软件进行实时影像优化，实现位置点实景展示，将客观真实存在的场景通过浏览器达到异地虚拟效果，使用户足不出户便可游历景物景点和建筑物内部场景。本文结合江苏盐城某地区的图像，介绍了全景图制作发布过程中的相关软件以及制作方法，对比了不同方法效果的差异。随着科技的进一步发展，全景漫游在虚拟农业、虚拟旅游、地图导航等方面一定会得到进一步的开发和应用，虚拟现实技术将进一步体现出其推广应用价值。