第5章三維全景技術全景(Panorama)技術是目前全球范圍內迅速發展并逐步流行的一種視覺新技術。由于它給人們帶來全新的真實現場感和交互式的體驗，因而在互聯網上得到了廣泛的應用。
三維全景圖也稱為360°全景圖、全景環視圖，是一種運用數碼相機對現有場景進行多角度環視拍攝之后，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術。它由多角度拍攝數張照片，使用專業三維平臺建立數字模型，然后使用全景工具軟件制作而成。可以使用瀏覽器或播放軟件在普通計算機上觀看，并用鼠標控制觀察的角度，可任意調整遠近，仿佛置身于真實的環境之中，獲得全新的感受。
從人類的視覺角度出發，人們在觀看三維環境和三維物體對象時，比之觀看二維平面對象的效果具有更大的真實感，更容易理解和識別，可更好地進行判斷和結論分析。一直以來，人們為了獲取三維對象模型，通常采用復雜的編程技術，或者通過三維建模軟件進行仿真建模，但無論采用什么方式，其逼真度都受到技術的限制，難以達到照片的表現效果。全景技術就是利用照相方式，對環境或物體對象進行全方位的攝像，然后將各個角度的照片進行后期縫合，使人觀看物體對象時，仿佛身臨其境，并可實時交互，具有*完美的真實感。
5.1全景技術概述
采用全景技術制作的全景圖具有獨特的效果和種類各異的多個形式，以及廣泛的適用范圍，成了虛擬現實技術中的一個重要分支。
5.1.1全景技術的特點
(1) 真實感強。通過實景采集獲得的是完全真實的場景。全景圖片不是利用計算機生成的模擬圖像，而是通過對物體進行實地拍攝，對現實場景的處理和再現，因而展現的是完全真實的場景。相比于建模得到的虛擬現實效果，它更加真實可信，更能使人產生身臨其境的感覺，從而很好地滿足對場景真實程度要求較高的應用(如數字城市展示、工程驗收、犯罪現場信息采集等)。
(2) 快捷高效的制作流程。全景的制作流程簡單、快捷，免去了技術復雜的建模過程，通過對現實場景的采集、處理和渲染，快速生成虛擬的場景。與傳統的虛擬現實技術相比效率提高了十幾倍,具有制作周期短、制作費用低等特點。
(3) 有較好的交互性。使用鼠標或鍵盤控制環視的方向,可以進行上下、左右、前后范圍的漫游式瀏覽。
(4) 一般不需要單獨的插件。可以采用Flash文件格式直接在瀏覽器中觀看，有些文件格式的全景照片,可以下載一個很小的插件，通過瀏覽器在Internet上觀看。
5.1.2全景技術的分類
目前，虛擬全景技術的發展異常迅速，依照全景圖的外在形式，全景技術可以分為柱形全景、球形全景、立方體全景、對象全景和球形視頻等。
1. 柱形全景
柱形全景是*簡單的全景虛擬。柱形全景可以理解為以節點為中心，具有一定高度的圓柱形平面，平面外部的景物投影在這個平面上。用戶可以在全景圖像中進行瀏覽，在水平方向上可左右360°的范圍內任意切換視線，也可以在一個視線上改變視角，來取得接近或遠離的效果。換句話說，就是用戶可以用鼠標或鍵盤操作環水平360°(或某一個大角度)觀看四周的景色，并放大與縮小(推拉鏡頭)，但是用鼠標進行上下拖動時，上下的視野將受到限制，就是習慣上的說法，上看不到天頂，下也看不到地，如圖5.11 所示。
柱形全景圖的真實感有限,但制作簡單,屬于全景圖的早期模式應用。
2. 球形全景
球形全景是指其視角為水平360°，垂直180°，稱為全視角360×180°。觀察球形全景時，觀察者好像位于球的中心，通過鼠標、鍵盤的操作，可以觀察到任何一個角度，讓人融入虛擬環境之中。因為特殊的外形，球形全景照片的制作比較復雜，首先必須用專業的魚眼鏡頭拍攝2～6張照片，然后再用專門的軟件把它們拼接起來，做成球面展開的全景圖像，*后把全景照片作品嵌入網頁中。球形全景產生的效果較好，所以有專家認為球形全景才是真正意義上的全景。球形全景在技術上實現較為困難。由于球形全景效果較完美，被作為全景技術發展的標準，已經有很多成熟的軟硬件設備和技術，如圖5.12所示。
圖5.11柱形全景示意圖
圖5.12球形全景
球形全景會因拍攝效果或軟件縫合時的不同，產生比較大的差異，圖5.13(a)、(b)、(c)所示均為球形全景圖的不同表現形式。
圖5.13球形全景
3. 對象全景
與球形全景觀察景物的視角相反，球形全景是從空間內的節點來看周圍360°的景觀空間所生成的視圖，對象全景是以一件物體為對象中心，觀察者圍繞著對象物體，從360°的球面上的眾多視點來看一件物體，從而生成該對象全方位的圖像信息。基于觀察方式的不同，對象全景在應用場合上與其他全景圖有所區別。
對象全景技術提供了一種在因特網上逼真展示三維物體的新方法。它與其他全景技術的方法不同： 拍攝時瞄準對象，然后轉動對象，每轉動一個角度，就拍攝一張照片，拍攝完成后，如圖5.14所示，需要使用專業計算機軟件進圖5.14對象全景示意圖
行編輯，用戶就可用鼠標來控制物體旋轉以及對象的放大與縮小，也可以把它們嵌入網頁中，發布到網站上，采用對象全景技術進行商品展示，相比其他方式效果更加精彩。
從技術應用的角度看，對象全景技術更適合在Internet網上的電子商務(ECommerce)業務中。因為在電子商務的買賣過程中，與實體商店交易相比，其商品圖片缺少對商品真實信息的表述，人們只能通過觀看虛擬圖片來判斷商品的質量優劣，這一點對許多客戶來說是有顧慮的。而對象全景技術則可以更全面地表現商品對象的外觀。盡管目前電子商務依然采用傳統的商品展示方法，即以二維圖片為主，但隨著技術的進步，用對象全景技術可進行三維效果的展示，比傳統模式具有無可比擬的優勢。特別是在諸如服裝、工藝品、電子產品、古代與現代藝術品等方面的展示上。
4. 立方體全景
這是另一種實現全景視角的拼合技術，和球形全景一樣，視角也為水平360°，垂直180°。*與球形全景不同的圖5.15立方體全景示意圖
是，立方體全景保存為一個立方體的6個面。與其他幾種全景圖制作方法相比，立方體全景照片的制作比較復雜，首先拍攝照片時，要把上、下、前、后、左、右6個面全部拍下來，也可以使用普通數碼相機拍攝，只不過普通相機要拍攝很多張照片(*后拼合成6張照片)，然后再用專門的軟件把它們拼接起來，做成立方體展開的全景圖像，*后把全景照片嵌入展示的網頁中，如圖5.15 所示。
5. 球形視頻
球形視頻是目前全景技術的發展方向，生成的是動態的全景視頻。該技術帶給人們的是一種全新的感受，其效果表現為全動態、全視角、帶音響的全景虛擬，目前正在快速發展過程之中。
5.1.3全景技術的應用
三維全景技術是目前迅速發展并逐步流行的一個虛擬現實分支，可廣泛應用于網絡三維業務。由于它的*大特點為圖像清晰，表現視角范圍廣闊，可交互，因此在宣傳產品、引導用戶行為、輔助展示主題方面具有很大的發展空間，簡單歸納有以下幾個方面。
1. 旅游景點虛擬導覽展示
高清晰度全景三維效果可以真實地展現景區的優美環境，給觀眾一個身臨其境的體驗。結合景區游覽圖導覽，觀眾可以自由穿梭于各景點之間，是旅游景區、旅游產品宣傳推廣的*佳創新手法。
在利用全景技術制作旅游景點虛擬導覽時，為了更好地引導觀眾游覽，還可對景區不同季節的美景進行全方位的圖片拍攝，并以四季中景區*有代表性的景色予以命名，使觀眾通過網絡瀏覽了美景后難抑心中的向往，紛至沓來。
2. 網上酒店三維全景虛擬展示應用
在互聯網訂房已經普及的時代，在網站上用全景技術展示酒店賓館的各種餐飲和住宿設施，是吸引顧客的好辦法。利用網絡，客戶可遠程虛擬瀏覽賓館的大樓外景，酒店內的大廳、客房、會議廳等各項服務場所，展現賓館優美、舒適的環境，給客戶以實在感受，促進客戶預訂客房。
客戶通過網站選中了酒店后，還可以直接選擇酒店住房進行預訂，單擊鼠標可事前通過全景圖360°觀看各個客房的設施條件，更方便客戶確認和挑選客房。由于有了全景展示，客戶可快速了解酒店大樓布局和火災逃生通道，使客戶對酒店服務迅速建立良好的印象。
3. 房產三維全景虛擬展示應用
房產開發銷售公司可以利用虛擬全景瀏覽技術，展示樓盤的外觀，房屋的結構、布局、室內設計，置于網絡終端，購房者在家中通過網絡即可仔細查看房屋的各個方面，激發潛在客戶的購買欲望。
目前，許多房產開發商在推銷房屋的過程中建立一個裝修好的樣本間，引導客戶實地看房，而采用虛擬全景技術可以將虛擬的樣本間全景圖制作成多媒體光盤贈送給看房者，帶回家與更多人分享，增加客戶的滿意度、忠誠度，做更精準有效的傳播；也可以制作成觸摸屏或者大屏幕現場演示，給購房者提供方便，節省交易時間和成本；在房交會現場用全景展示無疑可以使人感受到房產公司技高一籌的宣傳效果。
如果是多期開發，將已有的成品小區做成全景漫游，對于開發者而言也是對已有產品的一種數字化整理歸檔，對于消費者而言，可以增加信任感，促進后期購買欲望。因此，采用全景技術制作的數字化全景圖是具有*高性價比的房產廣告宣傳新選擇。
4. 公司企業展示宣傳
在公司企業招商引資、業務洽談、人才交流等場合，如果采用全景展示宣傳企業公司的環境和規模；洽談對象、客戶不是簡單地通過零碎照片或效果圖做出決定，也不需要逐行逐字地研究企業公司的宣傳文字，新奇的全景展示會一目了然地彰顯出公司的實力和魅力。
5. 商業空間展示宣傳
有了三維全景虛擬展示，商城中的服裝與日常用品，以及商品的陳列廳、專賣店、旗艦店等相關空間的展示就不再有時間、地點的限制，三維全景虛擬使得參觀變得更加方便、快捷，只需單擊鼠標就可像來到現場一樣，大大節省成本，提高了效率。
6. 娛樂休閑空間三維全景虛擬展示應用
美容會所、健身會所、咖啡廳、酒吧、餐飲等環境的展示，借助全新的虛擬展示推廣手法，把環境優勢清晰地傳達給顧客，營造超越競爭對手的有利條件。
7. 汽車三維全景虛擬展示應用
汽車內景的高質量全景展示，展現汽車內飾和局部細節。汽車外部的全景展示，可以從每個角度觀看汽車外觀，可以在網上構建不落幕的車展，并可以進行虛擬試駕，使更多人真實感受車的性能，使汽車銷售更輕松、有效。
8. 博物館、展覽館、劇院等三維全景虛擬展示應用
在博物館方面，傳統文字圖片往往難以直觀地體現館內眾多的信息，文物信息管理并不輕松。通過三維實景技術，可將博物館內的文物信息全面、直觀地記錄下來，方便文物信息管理。以博物館建筑或者劇院的平面或三維地圖導航，結合全景的導覽應用，觀眾可以自由穿梭于每個場館之中，只需輕輕單擊鼠標即可全方位參觀瀏覽，配以音樂和解說，更加身臨其境。結合物體三維全景展示技術，游客不僅可以在科博館內瀏覽參觀，更可以單獨選擇其感興趣的文物(通過實景拍攝，不方便拍攝的可以利用三維模型軟件來建模)，任意旋轉并放大、縮小地近距離欣賞。虛擬導覽系統做成光盤，可以作為光盤禮品或宣傳品贈送。同時對博物館加以數字化的保存，也極富收藏價值。
9. 虛擬校園三維全景虛擬展示應用
在學校的宣傳介紹中，有了三維全景虛擬校園展示，可以實現隨時隨地參觀優美的校園環境，展示學校的實力，吸引更多的生源。可以發布到網絡，也可以做成學校介紹光盤發送。學校領導電子名片光盤： 將校園的三維實景照片制作成領導的電子名片光盤，學校領導在與貴賓交換名片時就可以把學校的多媒體宣傳介紹交給對方，也提升形象，一舉多得。學校多媒體教學應用： 三維實景漫游系統，亦可助力于學校教學應用。例如，可對學校各實驗室制作全景展示，發布到網絡。學生通過網絡瀏覽即可提前直觀地了解實驗室的位置、布局、試驗要求安排等信息。
10. 政府開發區環境展示
政府開發區投資環境，做成虛擬導覽，并可發布到網上進行展示。可把開發區的建設環境帶到世界各地。將客商的介紹變得一目了然，說服力強，可信度高。
全景技術目前應用非常廣泛。例如，在谷歌和百度的地圖搜索中，對我國的大城市就采用了全景技術，通過平面地圖，人們可以搜索到某個地點，然后可切換到三維界面或全景圖界面，極大地方便了人們出行。
客觀地說，全景圖還不是真正意義上的3D技術，其交互性能也十分有限，所以它也并不能算作真正意義上的虛擬現實技術，從這點出發，該技術還有進一步改進和發展的必要。
5.2全景技術常用的硬件與軟件
全景技術是基于數字圖像的一門專業技術，由于其特殊的性能特點，因此全景技術中所采用的軟、硬件內容也擁有自身的特點。
5.2.1常用的硬件
1. 數碼相機
數碼相機(Digital Camera，DC)是一種利用電子傳感器把光學影像轉換成電子數據的照相機。與傳統膠片相機比較，它的拍攝成本非常低，成像快，可直接進行數字化編輯，因而廣泛應用于全景技術。另外，現在除了專用的數碼相機，許多電子設備也有拍照功能，如手機等。
數碼相機的工作原理： ①經過鏡頭光聚焦在CCD或CMOS上； ②CCD或CMOS將光轉換成電信號； ③經處理器加工，記錄在相機的內存上； ④通過計算機處理和顯示器的光電轉換，形成數碼影像。
其中，CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合裝置）和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）都是由光敏元件構成的具有光電轉換和信號放大功能的集成電路塊，是數碼相機的核心部件，數碼相機的分辨率大小取決于CCD或CMOS元件的性能。一般情況下，CCD芯片的圖像質量優于CMOS芯片的圖5.21魚眼鏡頭示意圖
圖像質量，但拍攝速度慢于CMOS芯片。
2. 魚眼鏡頭
魚眼鏡頭指視角接近或等于180°的鏡頭，視角為眾多鏡頭之冠。絕大部分魚眼鏡頭均是定焦鏡頭，只有少部分是變焦鏡頭。其鏡面似魚眼向外凸出，所視的景物，像魚由水中看水面的效果。魚眼鏡頭一般用來拍攝廣闊的風景或在室內拍攝，如圖5.21 所示。
魚眼鏡頭與常用的數碼相機的廣角鏡頭具有不同的構造。魚眼鏡頭又稱全景鏡頭，屬于超廣角鏡頭，視角不小于180°，魚眼鏡頭分兩種，一種是圓形魚眼鏡頭，另一種是對角線魚眼鏡頭。而廣角鏡頭分為托普崗廣角鏡頭、魯沙廣角鏡頭、達歌廣角鏡頭，它們之間的構造均不同。
魚眼鏡頭與廣角鏡頭的差異還表現在： 魚眼鏡頭的焦距變化少，超廣角鏡頭的焦距變化情況多。超廣角與其他鏡頭一樣，竭力校正畫面邊緣出現的畸變，力爭使拍出的畫面與實物相一致。而魚眼鏡頭則有意保留影像的桶形畸變，用以夸張其變形效果，拍出的畫面除了中心部位以外，其他所有的直線都會變成彎曲的弧線。
3. 全景頭
全景頭又名全景云臺，是區別于普通相機云臺的高端拍攝設備。此類云臺都具備兩大功能： ①可以調節相機節點在一個縱軸線上轉動； ②可以讓相機在水平面上進行水平轉動拍攝；從而使相機拍攝節點在三維空間中的一個固定位圖5.22全景頭示意圖
置進行拍攝，保證相機拍攝出來的圖像可以使用造景師軟件進行三維全景的拼合。另外，全景云臺需由三角支架作支撐，全景頭如圖5.22 所示。
從應用角度看，全景頭主要應用于三維全景展示及虛擬漫游制作的前期拍攝中，另外也可以進行普通照片的高端拍攝。
從工作原理上看，首先全景云臺須具備一個具有360°刻度的水平轉軸，可以安裝在三腳架上，并對安裝相機的支架部分進行水平360°的旋轉；其次，全景云臺的支架部分可以對相機進行前面的移動，從而達到適應不同相機寬度的完美效果，由于相機的寬度直接影響到全景云臺節點的位置，所以如果可以調節相機的水平移動位置，那么基本就可以稱之為全景云臺或全景頭。
全景頭可以分為以下兩類。
（1) 專用全景頭。也就是專門為某種型號的相機而設計的，如Kaidan的kiwi990就是專門為Nikon Coolpix 990設計的、上海杰圖軟件的JTS1500是專門為Nikon Coolpix 4500設計的。
（2) 通用全景頭。如Manfrotto(曼富圖)302 QTVR全景頭是一種三向可調節的全景頭，可以根據不同相機進行具體調節。
4. 旋轉平臺
要制作對象全景作品，必須獲得對象物體的一系列多個角度圖片。在拍攝時，為了得到較好的效果，通常使用普通數碼相機或數碼攝像機，可采用旋轉平臺輔助拍攝，以保證旋轉時圍繞著物體的中心，如圖5.23所示。它通常由步進電機來驅動底盤的轉動，拍攝時使物體的中心軸線放在底盤的圓心上，高檔的旋轉平臺還可以精密控制旋轉的角度，進行升降控制。
圖5.23旋轉平臺
5. 其他輔助設備
在拍攝過程中，有時因為需要從空中進行圖像拍攝，需要某些特種設備，如航拍飛行器等，如圖5.24所示。
圖5.24航拍飛行器示意圖
航拍飛行器是一個集單片機技術、航拍傳感器技術、GPS導航航拍技術、通信航拍服務技術、飛行控制技術、任務控制技術、編程技術等多技術并依托于硬件的高科技產物，因此要想設計好一個飛控系統，上述技術一項都不能少。
航拍飛行器的特點是，無人直升機化、設備微型化、動力可持續化、飛控簡單自動化、攝像清晰效果好。
航拍飛行器的發展趨勢是，無人機航拍攝影技術作為一種空間數據獲取的重要手段，具有續航時間長、影像實時傳輸、高危地區探測成本低、高分辨率、機動靈活等優點，在國內外已得到廣泛應用。
隨著我國信息化建設和科學技術的不斷進步和發展，無人機的研究發展在總體設計、飛行控制、組合導航、中繼數據鏈路系統、傳感器技術、圖像傳輸、信息對抗與反對抗、發射回收、生產制造和實際應用等諸多技術領域都有了長足的進步，達到了很高的實際應用水平，產量和種類均居世界前列。
5.2.2常用軟件
目前在全球從事全景技術開發的公司有很多，開發此類軟件的著名軟件公司有Pixround、IPIX、3dvista、Ulead(中國臺灣友立),Iseemedia和Arcsoft(虹軟)等。
1. 國外開發的常見全景軟件
① 3D Vista Studio。
② Corel PhotoPaint。
③ MGI Photo Vista。
④ Image Assembler。
⑤ IMoveS.P.S。
⑥ VR Panoworx。
⑦ VRToolbox。
⑧ PTGUI。
⑨ iPIX。
⑩ Arcsoft Panorama Maker。
Photoshop Elements。
Photo Vista Panorama。
PixMaker Lite。
PixMaker。
OTVRA.Studio。
REALVRZ Stitcher。
Powerstitch。
PanEdit。
Hotmedia。
2. 國內常見的全景軟件
① 杰圖造景師軟件。
② 大連康基數碼的ReLive。
③ 浙江大學的Easy Panorama。
④ 北京全景互動科技有限公司的觀景專家與環視專家。
⑤ 虛擬無忌網站(www.86VR.com)的環球坊等。
⑥ UleadCool 360(中國臺灣)
3. 代表性的全景技術軟件介紹
1） QuickTime VR
QTVR（Quick Time Virtual Reality）是美國蘋果公司開發的跨平臺的虛擬現實技術，支持各種格式的影片、圖片、流媒體、動畫、聲音、虛擬現實以及具有互動效果的文件的虛擬實境技術。可以說是一種在個人計算機平臺上使用，基于靜態圖像處理(Image Base VR)的初級虛擬實境技術。
QTVR技術有以下3個基本特征。
① 從三維造型的原理上看，它是一種基于圖像的三維建模與動態顯示技術。
② 從功能特點上看，它有視線切換、推拉鏡頭、超媒體鏈接3個基本功能。
③ 從性能上看，它不需要昂貴的硬件設備就可以產生相當程度的VR體驗。
2） iPIX 全景技術
iPIX全景技術是由美國iPIX公司(Internet Pictures Corporation)研制開發的一種圖像瀏覽技術，該技術原來在美國航空航天上應用，后來轉為民用。
iPIX全景技術的整體解決方案是它利用具有iPIX專利技術的魚眼鏡頭拍攝兩張180°的球形圖片，再通過iPIX World軟件把兩幅圖像拼合起來，制作成一個iPIX 360°的全景圖片，是一款“傻瓜型”制作技術。其作品可運行于網絡上，產生非常逼真的環視效果，沉浸感好。
3） PixMaker 全景
PixMaker為拍攝全景圖片提供了完整而簡易的解決方案。在無需昂貴專業器材或額外瀏覽器插件的情況下，即可在Internet上瀏覽互動的網上虛擬環境。
PixMaker對相機型號沒有特別要求，制作者可用普通相機拍下照片，就可用PixMaker軟件制作全景360°圖片上傳到Internet上。它的*大優點是操作的簡易性。制作者只需將一組照片通過拍攝、拼接、發布3個步驟，即可制作出360°環繞的畫面，讓網上瀏覽者隨心所欲地利用鼠標觀看空間、對象的每一個角落。另外，其發布形式也多樣化，根據用戶的需要可以制作成Web、PDA、EXE、JPG等格式。PixMaker工作界面如圖5.25 所示。
圖5.25PixMaker 工作界面
主界面中3個主要圖標按鈕功能如下。
Snap： 導入圖片。
Stitch： 拼接圖片。
Publish： 發布。
5.3全景圖的制作
全景圖的種類多，采集的素材圖片形式不一，因而制作時同樣也有不同的方法，通常情況下，制作軟件可以利用通用的Photoshop，或其他的專業軟件。
……
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