三维全景技术

在建构三维虚拟世界时发现，用户体验的场景应该是连续而无缝的，即当用户旋转视角时，不应看到场景的断点。三维全景技术便是因此迅速崛起的。与采用电脑绘制建筑物模型，通过在其中架设摄像头，环绕拍摄形成360°场景图像的技术不同，全景技术的图像源自摄像机拍摄的真实街景，它通过计算机将街景图像拼接，最终形成360°全景图像，如图8-25所示。用户可以通过鼠标或键盘的上下、左右移动，将场景放大和缩小，从而模拟视角转动和移动的过程。由于画面来源真实、接缝处连贯自然、画面中的景物自带景深效果，因此用户可以在全景画面中任意环视、俯瞰和仰视，产生身临其境的感觉。

过去的全景技术依赖于硬件设备，价格高昂的全景摄像机虽然能够拍摄360°的高质量全景照片，但由于成本过高、设备有限，未能得到大范围普及。现在，随着计算机图像处理技术、网络技术、摄像机硬件设备的不断发展，全景技术朝着个人化、经济化、普及化的趋势迈进。畸变校正、图像拼接、图像融合等图像处理技术的发展将三维全景技术从高昂的硬件成本中解救出来。上至数码相机，下至智能手机，普通的摄像头也可制作精细的全景照片，通过网络世界的辐射，我们遥想的虚拟世界终于开始变为现实。

图8-25 360°无缝全景摄影

全景技术是一种比较实用的技术，相比通过计算机实现复杂场景的三维建模，添加光照、摄像机后进行环绕式拍摄的技术，全景技术的实现周期短、画面真实性强、硬件要求低，具有较强的商业应用前景。我们常用的Google地图中的三维街景就是该技术实用化的典型体现。

1.全景技术的特点

三维全景技术是利用二维实景照片来建立虚拟环境的，它按照片拍摄→数字化→图像拼接→生成场景的模式来完成虚拟世界的创建，但并不是真正意义上的三维图形技术。三维全景技术具有以下特点。

①实地拍摄：全景图片不是利用计算机软件生成的模拟图像，而是通过摄像机实景拍摄而得，在拥有照片级的真实感的同时，具有制作周期短、费用低的优势。

②交互性：相对于指定视角的三维场景游览，全景技术可以为用户提供360°无死角的场景全貌，使用户可以通过任意角度观察场景。

③沉浸感：虽然摄像机拍摄的图像是平面化的，但可以通过对图像进行透视处理来模拟真实三维场景，使画面在保留真实细节的同时拥有一定程度的景深感，使用户在游览过程中产生强烈的沉浸感。

④成本低：可依靠普通摄像机完成原始场景的拍摄工作，可依靠普通电脑实现后期处理，制作周期短、成本低。另外，由于传输的文件不是三维场景，而是普通二维照片，因此文件较小、传输速度快，易于网络普及。

2.全景技术的实现过程

三维全景图的制作过程主要包括图像拍摄、畸变校正、图像投影、图像拼接、图像融合等一系列过程。

（1）图像拍摄

全景图的原始图像可以由鱼眼镜头等专业摄像设备或普通数码相机拍摄获得。特殊摄像设备包括全景照相机、鱼眼镜头相机等，通过这种方式获取的照片容易处理而且效果较好，但设备昂贵且用法复杂，不宜推广；普通数码相机价格较低、用户基础较好，虽然其后期处理过程相对复杂，但随着数字图像处理技术的发展，它已逐步成为大众选择的主流。

对不同类型的全景图，拍摄方法也不同。一种是定点拍摄，即将相机固定在三脚架上并向不同的方向旋转来进行拍摄；另一种是多视点拍摄，即相机可在不同的位置进行拍摄。在多视点拍摄过程中，应注意使每张照片的亮度、色度、对比度的差异尽可能的小，并确保相邻照片之间有20%～50%的重叠，拍摄照片的数量可以根据景物的距离和重叠画面的大小来决定。

（2）畸变校正

鱼眼镜头拍摄的画面与人眼看见的不同，距离画面中心较远处的物体变形非常明显，这就是相机镜头的畸变效果。在拍摄照片时，采用的相机视场角越大，这种现象越明显。为保证后期拼接过程不受相邻照片的畸变影响，需要对照片中的径向畸变和切向畸变进行校正。

（3）图像投影

由于每幅图像是相机从不同角度下拍摄获得的，因此每一张照片的中心都不相同。如果不进行柱面投影等变换，相邻图像拼接过程中就会出现“蝴蝶结”效应，即相邻图像边界应该出现变形的区域没有变形，这破坏了实际景物的视觉一致性。图像的投影方式根据全景图形状可分为柱面投影、立方体投影和球面投影等。

（4）图像拼接

图像拼接是利用拍摄得到的具有部分重叠区域的图像序列，生成一个较大的甚至360°的全景图像的技术。目前，图像拼接的方法较多，总体来说都是寻找相邻图像重叠区域中一致的关键特征（如相同的灰度区域、特征点、边缘形状等），通过分析它们的相对位置、方向、旋转角度，来判断相邻图像间的相对位置、方向和旋转角度关系，从而将相邻图像拼接成一个整体。

（5）图像融合

在使用智能手机或数码相机拍摄全景图时会发现，人或其他运动物体经过时会在某几张照片上留下身影，经软件拼接后可能在全景图中的某个位置生成一个虚影，这就是图像融合中的“鬼影”现象。除此以外，相邻图像之间的光照、亮度、对比度的差异也会造成全景图中色彩不统一的现象。为了解决拼接缝隙、相邻图像亮度变化等问题，我们引入了图像融合技术，通过边缘线裁剪、淡出淡入等方式获得清晰平滑的全景图像。

3.全景技术的应用

相比利用三维建模技术生成虚拟场景的方式，全景图具有文件小、生成成本低、细节真实等优点。因此，它以网络传播为主要介质，通过网页浏览+二维平面图片导引+三维全景图展示的方式，广泛用于虚拟旅游、房地产楼盘、校园展示系统中。