基于三维全景技术的虚拟校园场景搭建

黄靖 李满

摘  要：随着信息技术的蓬勃发展，虚拟现实技术在我们日常生活中的应用已日渐广泛，并在各个领域都有很大的发展空间。虚拟与现实相结合，既给人以近乎真实的感官体验也满足了用户对虚拟场景的交互需求。三维全景技术的虚拟校园场景搭建，通过拍摄、拼接、处理、优化、上传等环节，最终实现校园真实场景的虚拟化场景构建，使不同需求的群体足不出户就能了解校园的全况，感受校园风貌，达到宣传学校的目的。

关键词：虚拟现实技术;校园全景;全景系统

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）06-0077-06

Virtual Campus Scene Construction Based on 3D Panoramic Technology

——Take Huadu Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an Example

HUANG Jing，LI Man

（Institute of Technology，Guangzhou College of Technology and Business，Foshan  528138，China）

Abstract：With the rapid development of information technology，virtual reality technology has been widely used in our daily life，and has a great development space in various fields. The combination of virtual and reality not only gives people a near real sensory experience，but also meets the users interactive needs for the virtual scene. The virtual campus scene construction by 3D panoramic technology，through shooting，splicing，processing，optimizing，upload and other links，finally realizes the virtual scene construction of the campus real scene，makes the groups with different needs can understand the whole situation of the campus remain within doors and feel the campus style，and achieves the purpose of promoting the school.

Keywords：virtual reality technology;campus panorama;panoramic system

0  引  言

隨着科学技术快速发展，VR技术在现实生活中的应用已越来越广泛。虚拟与现实相结合既给人以近乎真实的感官体验也满足了用户对虚拟场景的交互需求。由于VR技术拥有很强的沉浸感和构想性，能让体验者完全沉浸在虚拟空间里，而基于现实场景构建虚拟空间，也能让体验者足不出户便能体验出真实的感觉。

随着VR技术高速发展并与各个领域深度结合，也给不同领域带来了更多的VR可能性：以模拟战场操作训练为主的军事航天领域、以模拟高难度手术场景为主的医学领域、以游戏影视为主的娱乐领域，还有以云课堂为主的教育领域，等等。

在这些领域中，虚拟技术都展现出了非同一般的效果，也促进了这些领域的高速发展;而该课题的研究目的是构建一个虚拟漫游校园系统，让需要了解学校情况的人可以云游览校园，感受校园环境氛围，作为校园名片展示有着重要意义。

1  全景拍摄的前期准备流程

1.1  拍摄设备的选择

工欲善其事，必先利其器，想要做一张极佳的全景图，必然选择能配得上这张全景图片的“武器”。这里的“武器”指的是一台性能过硬的单反相机、全景云台、鱼眼镜头和一个稳固的三脚架等拍摄设备，全景拍摄的质量与拍摄设备的选择息息相关，根据自身需求选择合适的设备。

1.2  了解校园地理文化风貌

了解拍摄地的地理文化风貌是拍摄前的重要工作之一。如本课题选择的是广州工商学院花都校区作为研究对象，首先要了解学校的主要建筑群、标志建筑及文化底蕴等。经深入调研和查阅资料，广州工商学院现有广州花都和佛山三水两个校区，建筑面积有926 714.42 m2，其中花都校区为主校区。

广州工商学院花都校区位于广州市花都区狮岭镇海布，主要建筑有图书馆，经管楼，外语楼，音乐楼，体育馆、运动场，办公楼，综合楼、休闲广场，学生教工宿舍、食堂等，标志性建筑有图书馆、体育馆、运动场、综合大楼等，校园文化氛围浓厚，建筑内装潢、图书、学习办公、实验设备等物品丰富。提前了解了校园文化、校园建筑等，思想与学校产生共鸣，可以准确地传达学校的文化与精神，更便于课题研究。

1.3  校园踩点

于开拍前几天去拍摄地进行现场踩点。所谓踩点，就是提前规划好拍摄的路线，明确当天天气对不同场地拍摄的影响，对校园景观进行明确的认识，确定每个地点具体的拍摄位置，了解不同时间段各个拍摄地点人流量的不同，提前与学校负责人交流协商，获得将要拍摄场地的通行权与拍摄许可等。

首先是规划拍摄路线，根据校园的物理位置图和重要建筑和标志性建筑规划出一条大致的拍摄路线。

其次是确定每个拍摄点的具体位置。根据提前规划好的拍摄路线，确定拍摄路线上的每个景物的具体拍摄位置，确保拍摄位置能完全体现出景物的面貌。在不同拍摄位置拍摄出来的景物也不尽相同，传达度也会有所差异，多尝试不同的地点，多在不同的视角拍摄，有时能发现意想不到的极佳拍摄角度。

再次是明确天气对不同场景拍摄的影响。对于户外拍摄来说，天气的好坏很大程度上决定了一张照片成像的优劣。所以拍摄者需要根据拍摄场地的不同来选择合适的时段与天气进行拍摄。如拍摄花都校区的体育场馆及周边区域，根据早上中午下午三个时段不同的天气来安排拍摄地点与修改拍摄路线。其中户外场景可安排在上午7点到10点50分左右或下午3点15分到5点30分左右，具体时间可视太阳光猛烈程度而变化。中午太阳过于猛烈可以拍摄体育馆内部，综合楼内部等的室内场景，内部光源由内部灯光支持。

最后是了解不同时间段各个拍摄地点人流量的情况。如学生下课时段，中午饭点时间人流量都会激增，所以拍摄者需错开这些特殊时间段。确保能在最佳的时间段拍摄最佳的照片。

1.4  相机节点的调整

在拍摄前，需要对相机的节点进行调整。节点调整的准确与否直接关系到拍出来的全景图后期的拼接。

节点，即光线穿过镜头的一个点进入到相机，这一点即为节点。通过调整节点的位置，使光线不会发生折射，围绕着镜头节点拍摄出来的照片，无论相机拍摄方向进行怎样旋转，相机监视器中距离较远与距离较近的物体之间的透视关系都是不变的。所以，开始拍摄前，要进行相机节点的校正，避免后期拼接出现过多出现错位的情况。

2  校园全景的拍摄

2.1  拍摄设备的搭设及调整

首先进行全景云台与三脚架的安装。根据选择的设备型号和拍摄地、景的要求把云台和三脚架连接好，然后相机原有的镜头换成鱼眼镜头，再将相机安装在全景云台上。

2.2  相机的调整

按事先记录好的节点进行相机位置的调整，焦距设置等，取得自动获得的曝光时间和光圈值。通过相机自动识别当前场景的曝光程度，并自动对焦，有利于更加准确的获取到当前场景的光线情况，更好的拍摄出当前场景的真实状态。拍摄时要调回手动模式，进行手动对焦，是为了在拍摄一组全景照片的过程中，相机不会自动获取曝光时间和光圈值并改变它，保证拍摄的一组全景照片都是用同样的曝光时间，光圈值和ISO感光度来进行拍摄的，便于后期拼接，也能减少错位的产生。

接着我们调整光圈值。光圈是可以收缩放大的类似圆片的装置，用叶片遮挡光线来控制光线进入相机的数量。在相机中以f值的大小表示光圈的大小，值越小，光圈张的越开，画面越亮，反之，画面就越暗。但光圈值的大小不仅仅影响到拍摄画面的亮度，还影响到了拍摄画面的景深，如图1为光圈与景深的关系。

所谓景深，就是拍摄画面中最近的物体与最远的物体之间，能清晰成像的部分。也就是平时所讲的背景虚化程度。f值越小，景深愈短，背景越模糊。f值越大，景深愈长，即背景越清晰。所以选择合适的光圈值对拍摄不同场景来说是十分关键的。在拍摄校园户外场景时一般采用F8及以上的光圈值进行拍摄。拍摄校园室内场景时，F5.6到F11这个区段的光圈值比较适合全景拍摄。可以通过其他曝光补偿的值调节拍摄画面的亮度。

最后我们进行曝光时间的调节，曝光时间就是我们常说的快门速度，单位是秒。曝光时间越长，拍摄画面越亮，反之，曝光时间越短，拍摄画面越暗。但拍摄时间越长，越容易因为其他因素，比如手抖，被摄画面中人物移动过快而出现残影的情况。所以需要根据所拍摄的场景选择合适的曝光时间。在我们拍摄校园户外场景时，常常会遇到校园内学生在画面内移动的情况，此时可以视情况将快门速度调高，一般可调节在1/250左右或以上，具体可视成像效果而改变，如表1所示。若是遇到室内无人的情况，可以将快门速度调节在1/50左右，具体可视成像效果而改变。建议不要低于1/4，避免出现残影的现象。

ISO感光值、曝光时间、光圈值这三个数值一起影响着相片的曝光，要相应地调节这三个参数，此消彼长。

2.3  全景拍摄

拍摄时的角度满足的条件是：在相邻的两个角度之间拍出来的图像中间至少有30%左右的重叠即可，根据确定的焦距计算拍摄的视角大致为126度。围绕相机水平拍摄四张照片，再补拍天空跟地面各一张。原则上一个角度只需要拍摄一张照片即可。但是经常会碰到在高光比的环境下，拍摄的照片出现某些地方过曝或者某些地方过暗的情况。在拍摄一组全景照片的过程当中不可以随意地进行参数的调节，所以使用HDR模式来进行拍摄。通过HDR模式，相机会根据设定的参数来自动拍摄三张不同曝光的照片，拍摄者会得到一张偏暗的照片，一张正常的照片，一张偏亮的照片还有一张三者结合后的照片如图2所示。相机自动合成照片時，偏暗的照片会根据另外两张照片追回其高光缺失的部分，偏亮的照片也会根据另外两张照片弥补其暗部缺失的细节，所以在HDR合成之后，拍摄者会得到一张细节更多，并且光线也更加柔和的照片。

调整好角度拍摄完水平的一张照片后，要旋转云台底座90度，拍摄第二张照片，直至水平一周的照片拍摄完成，将云台底座刻度旋转回0度，并将上悬臂向下垂直，使相机镜头面向天空，进行天空的拍摄。进行天空拍摄时需要所有拍摄者蹲下或者到鱼眼镜头拍摄不到的地方，否则可能会入相，导致后期工作增加。拍摄完成天空的相片后就开始拍摄地面的相片，双手握住相机，双腿向后站立，身体向前倾，保持相机不动，过程中尽量不碰到拍摄者拿着相机的手臂。

3  构建虚拟全景

3.1  合成全景图

合成全景图有多种软件可以实现，本次设计使用PTGui Pro X64 12软件来进行全景图的合成。

3.1.1  合成修剪

首先放大所有拍摄照片的缩略图以挑选六张照片用于合成全景图。由于拍摄时开启了HDR模式，因此拍摄一个角度，相机会生成四张照片，前三张是三张不同曝光的照片，最后一张是由前三张曝光不同的照片HDR合成的照片，所以一般选择第四张照片进行全景图的合成。在一个场景的每一个角度选择一张相同曝光的照片后，直接拖进PTGui中，PTGui会自动获取到镜头参数，并对图片进行修剪，要确保五张照片采用同样的修剪范围，完成后点击对齐影像就可以得到一张全景预览图，如图3所示。然后查看控制点，选择最差控制点给予删除，有利于接下来的优化。

3.1.2  遮罩与优化

想得到一张相对完善的全景图，必须有完美的全景照片，即控制点是精准的，暴光是正确的，重叠是合适的。PTGui中自带遮罩和优化功能能够实现对合成的不完美的图形进行修改，方法是首先利用遮罩功能来改善方向、透明度和色彩等不足，然后用优化功能对图中的瑕疵进行优化，从而达到相对较好的效果。

3.1.3  预览与保存

对完成的全景圖可以在PTGui中进行预览查看效果。最终效果如果显示正常，就创建全景图，查看全景图的宽度和高度是否保持在二比一的比例，然后选择95%的品质。因为100%与95%的画质相差不大，但100%的画质文件却大了许多。接下来设置全景图保存的位置，点击创建全景，即可创建出一张全景图。

3.2  全景地面的修补

正常情况下创建出一张全景图之后，还需要将被三脚架遮挡住的地面修补回来，一般使用Photoshop就可以完成修补工作。不过要熟练运用Photoshop，通过图层、遮罩、选择工具等功能完成修补工作。

3.3  错位在PTGui中的处理

若在全景图中出现错位的情况，要重新回到PTGui中，在合成全景图之前要手动进行控制点放置。首先要删除最差控制点，然后查看图片错位的地方系统标记的控制点是否准确，在有错位的相邻的两张图片上添加几组控制点，增加图片拼接的准确率。选择控制点添加的位置也就是寻找两张图片的相同之处是关键，最好找交接点的位置，如地板线之间的交接点，墙壁与地面之间的交接点等等，控制点尽量要均匀的添加，一般错位的地方上下左右最好都要有，如图4所示。一般情况下，找五、六组控制点就可以。找好控制点之后，再按F5整体优化一下，查看优化结果。

3.4  错位在Pano2VR中的处理

如果在PTGui中通过手动增加控制点之后，仍然有错位的情况出现，可以单独将有错位的地方提取出来再次进行修补。使用Pano2VR软件进行错位提取非常方便，将有错位的全景图拖入Pano2VR中，点击转换图片按钮，选择立方体格式类型，选择输出文件位置，点击转换按钮即可。

根据后缀名_cube_编号，可以很容易找到通过Pano2VR导出的图片。选择其中出现错位的图片，用PS进行修补即可。修补时要注意尽量不要改动到连接下一张图片的线，否则会产生新的错位。

修补完后储存，保持图片名不变，将原来错位的图片覆盖掉，格式保存为JPEG格式。再返回到Pano2VR中，将原先分割出来的后缀名为_cube_0的图片拖入Pano2VR中，Pano2VR软件会自动识别同一文件夹下的其它五张图片并进行合成。进行相关设置后点击转换按钮，即会重新拼接生成一张新的全景图。可在PTGui查看器查看修补之后全景图片的效果。

4  全景图的修饰

4.1  全景图的调色

对修补拼接后的全景图还要进行调色处理。使用PS中的Camera Raw功能进行全景图的调色处理。

调色时要注意：阴影修剪警告会以蓝色覆盖的区域来表示图片过暗的部分，高光修剪警告会以红色覆盖的区域来表示图片过曝的部分。若提示曝光部分过多，可适当降低高光值;增加阴影值可使图片中阴影部分变得明亮（局部明亮而非全局明亮）。

其它根据照片的质量可对对比度、清晰度、去除薄雾值等进行调整。调高对比度可使照片看起来有色泽，清晰度值越高，图像看起来越清晰，去除薄雾值，与清晰度类似但效果没有清晰度明显，其数值越高，图片所展现出来的效果越清晰，去除薄雾值越低，则图片所呈现的效果越模糊，仿佛蒙上了一层薄雾。通常情况下适当增加去除薄雾值即可。还有白色与黑色的值可适当增加或减少，其他的参数值一般不进行调整。

本次户外场景拍摄的照片调节高光值与阴影值的参数会比较多，因为户外光线强烈容易引起过曝的情况，也容易使局部阴影过于沉重，能局部调节的高光值与阴影值就成为了应对这种情况的专用良药。

调整完成后存储，然后再打开图像，可在完成调色的基础上进行全景图片的换天工作。

4.2  全景天空的替换

进行户外拍摄的图片经常会出现天空过曝的情况，为了使最终全景漫游效果更美观，专业的制作者时常会进行更换天空的操作。

首先，准备全景天空的素材包，在已经调好色的全景图片上拖入一张全景天空的素材，最好使用拖曳的方法打开，这样有利于全景天空素材与全景图之间大小的校准。将全景天空拖进去之后，调整全景天空的位置，使其与全景图的天空位置一致。接着使用PS的图层、栅格化、蒙版、渐变、滤镜、亮度与对比度等功能完成全景天空和全景图的画面的替换。

5  全景图的上传

5.1  平台的选择与发布

在所有图片都修整好之后，就可以进行全景漫游效果的完善与发布了。发布的平台有许多，如选择发布到720云平台上。操作相对简单，在注册账号后，按照提示就可以发布作品和对作品进行编辑。发布时要注意上传的全景图的尺寸要不小于6 000×3 000像素。

5.2  编辑

进入编辑页面后，默认为基础设置界面，可以在基础设置界面中设置开场动画，其他功能如说一说，点赞，手机陀螺仪，分享，浏览量等功能，一般除了开场动画，其他使用默认设置即可。

5.2.1  全景视角调整

全景视角的调整。对编辑完成的图形要根据实物场景进行视角的调整，首先确定初始视角的范围大小，可自定义限定最近与最远的值，以达到真实的效果。如图5所示。

5.2.2  添加热点

热点是最关键的设置，通过热点将本各自独立的全景图连接起来，成为一个整体。720云平台可以非常方便地进行热点的设置。点击“热点”选项，进入热点界面，选择想要添加热点的视角，点击“添加热点”按钮，选择热点样式、热点类型，选择全景切换类型、选择目标场景等，即可在导入的全景图中選择热点切换的场景，如图6所示。

5.2.3  设置沙盘

沙盘，其实就是设置一个缩略图，再设置一个带方向的位置点，将用户当前所在校园场景全景图的位置与朝向与校园缩略图中该校园场景的位置与朝向相对应。720云平台上可以方便地完成沙盘的设置。需要注意的是缩略图最好为2 500×2 500规格大小的照片，体积不超过1 Mbps。

5.3  添加其它元素

5.3.1  添加音乐

在VR全景图中加入音乐，能使全景图变得生动活泼，整体提升用户在进行全景漫游时的心情，也能让制作者更好且更准确地传达作品的精神与内涵。

720云平台上具有添加音乐的功能，按照提示添加即可。但要注意音乐的选择要和场景相匹配，并要注意知识产权的问题，不能引起纠纷。音乐添加好后可以适当调整音量，选择循环播放等。另外还可以加入字幕、语音讲解等。

5.3.2  设置特效

特效设置，是给全景校园添加“下雨天”或“太阳光”以及特殊场景的特效，根据真实场景的需要，添加特效，会增加真实感，达到身临其境的效果。

当所有全景图片编辑完成之后，制作者可以点击预览查看编辑的效果与隐藏不重要的缩略图，然后进行调试与修改。当调试修改无误后，校园全景漫游的制作也就完成了，如图7所示。

6  结  论

本文主要是利用三维全景技术完成虚拟现实系统中场景的搭建，涉及拍摄技术和技巧、图像处理和拼接技术、全景的发布平台和处理软件等。虚拟现实技术正在快速发展，全景制作技术与拍摄设备也在不断地更新迭代，作为全景的制作者，需要不断地学习与接收新的知识技术，以更便捷，更有效的方法呈现更为完美的全景作品。

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作者简介：黄靖（1997.07—），男，汉族，广东汕头人，本科在读，研究方向：数字媒体技术;李满（1966.12—），女，汉族，河南南阳人，副教授，硕士，研究方向：虚拟现实技术、人工智能。