基于三维GIS 的实景VR 漫游场景生产制作技术研究

胡永进，杨小花，鲁禺州

（江苏农林职业技术学院，句容 212400）

1 引言

VR 摄影技术又名全景摄影，是指通过对环境、场景或具体静物进行720°的实地或实物拍摄，将图片拼接为720度全景图，并利用虚拟漫游软件将场景或物体各个角度的二维图片模拟成具有一定交互功能的、具有三维效果的展示空间[1]。当前的实景VR 场景，包括实景拍摄的全景照片及全景视频，通常采用空中无人机、地面骑行/车行等摄影平台搭载Gopro 等3D 摄像机进行全方位720度拍摄视频/照片。用户在观看视频/照片的时候，可以随意调节视频上下左右进行观看，从而达到沉浸式体验效果，广泛应用于旅游景点拍摄、医疗上的观察、或者娱乐性用途。但一般VR 漫游场景制作为事先规划，由无人机搭载全景相机进行视频拍摄，该技术受拍摄当天的场地、地形、空域、天气等影响，无法保障视频/照片拍摄质量；而且拍摄路线固定，表现场景单一，且后期视频/照片制作再创造性不强。

本研究提出了基于三维GIS 系统的实景VR 漫游场景的制作方法和工艺流程，利用GIS 三维平台展示手段，通过将DOM 影像和DEM 高程相配准、叠合，在平台中进行切片、渲染，随着用户操作实时调入影像和地形将渲染后的三维地形展示出来，可解决任意时刻、任意视角、任意手段路线的实景VR场景制作问题，降低了实景VR 场景的制作门槛，为实景VR 漫游场景制作提供新的技术方法。

2 试验区概况及方案选择

2.1 试验区概况

试验区为某河流流域两岸，面积约20平方公里，成果包括1：2000比例尺的地形数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM），详见图1。要求采用区别于传统的三维GIS 展示技术，实现720度VR 虚拟漫游效果。

图1 试验区高精度数据成果

2.2 方案选择

在三维地形表达中，如采用GIS 三维平台仅仅是将影像和地形叠合，形成地形三维。漫游展示效果为导演视角前进式看到的局部场景，不如720度全景沉浸感强。具体GIS 三维效果详见图2。

如对测区重新进行全景视频航拍，通常采用空中无人机、或地面骑行等摄影平台进行全方位720度进行全景视频拍摄，但该方法实施难度大且无人机的行进路线固定，最终展示效果呆板。该方法适用于测区、地形、天气情况良好，可进行固定展示路线航拍。

图2 测区三维地形展示

图3 全景拍摄示意

经试验测试，本研究结合了大范围、高精度的DOM、DEM地理信息数据，以及VR 展示效果的技术要求，采用了一种全新的基于三维GIS 的实景VR 漫游技术方法，得到了大范围的实景VR 漫游场景。

3 技术流程以及关键技术方法

3.1 总体生产技术流程

图4 总体技术流程图

利用现有的高精度DEM 和高清晰的DOM 影像，在三维地理信息平台中构建地形三维场景，并以此为基础，在空间三维中选取全景浏览视角点，形成全景漫游浏览路线。依次获取每个视角点的720度全景场景图片，按照一定帧速度形成720度全景视频，并通过后期音效、特效制作等，形成具有一定创意效果的全景漫游视频，从而达到用户沉浸式体验。总体生产制作技术流程见图4：

3.2 关键技术与方法

在三维GIS 的实景VR 漫游场景生产制作过程中，主要环节包括数据源的获取、漫游路线构建、全景场景制作、视频后期编辑处理等。

（1）三维GIS 场景的数据源保证

三维地理信息数据可以通过遥感卫星、中高空大飞机、低空无人机等多种遥感平台获取，对于大范围的场景制作宜采用高分辨率的卫星或航空遥感影像数据；对于小范围的实景漫游展示，建议采用无人机航拍数据。因在后期全景图片、视频处理过程中，需做一系列的图像处理工作，影像质量有所降低，为确保后期VR 漫游效果，建议原始地面分辨率不低于0.2米。

通过后期数据处理，形成高精度地形DEM 和正射影像DOM数据。通过坐标转换技术，将已有成果数据与三维GIS 平台进行配准统一。通过导入叠加高精度的DEM 和DOM 数据，构建精细三维地形模型。

（2）漫游路线构建

三维GIS 平台已具备三维空间坐标，在三维空间中可任意选取漫游视角点位。在实际漫游视角点选取过程中，需考虑最终漫游路线的连贯性、转换角度的舒适性、重点待展示地形地貌的独特性等因素，根据漫游脚本分别选择添加多个全景VR 漫游视角点位，构建全景漫游浏览路线。

通过路线预览查看，检查漫游路线的合理性。根据要求对路线上的每个视角点进行编辑，调整每个视角点的三维坐标、播放时间等，直到预览效果满足要求。

（3）720度全景漫游场景制作

全景视频的漫游体验效果好坏取决于每一帧全景图片质量，以及整体播放速度。为确保在合适的数据量前提下，选择合理的帧速率，才能确保最终播放效果的流畅度。

根据本文试验，选择按照不低于30帧/秒的VR 视频播放速度生成帧序列的实景720度场景图片。每个场景通过在三维平台中进行前/后/左/右/上/下六个方位依次截取场景，通过各场景的重叠区拼接形成每个视角点的720度全景图片。

检查生成的大量全景图片是否按帧序列命名、场景画面色彩、清晰度等质量是否符合要求，并进行局部图像编辑，如去除杂物、颜色调整等。

（4）视频后期编辑处理

在视频编辑软件中如常用的Adobe Premiere 软件，批量导入编辑后的帧序列全景图片，输出选择与播放硬件（如HTC、大鹏等品牌的VR 眼镜）相匹配的格式、分辨率等参数设置，生成实景VR 漫游视频。

根据项目需求，可在视频编辑软件中添加文字、配音、配乐，调整播放速度等剪辑工作，形成成片。经VR播放设备调试合格后，最终进行全景漫游产品发布。

图5 地形三维全景输出

4 结束语

本研究面向大场景的实景VR 漫游需求，结合项目实践探讨了高精度地理信息数据成果在实景VR 漫游中的具体应用点，提出了基于三维GIS 的实景VR 漫游视频制作方法，并结合试验区项目实践、效果比对，总结提出了生产制作工艺流程和技术方法，解决了任意时刻、任意视角、任意路线的实景VR 场景制作问题，降低了实景VR 场景的制作门槛。经实践证明该技术方法效率高、成本低、风险系数小，可在旅游、地理教学等行业中进行实践应用。