基于多旋翼無人機的空中全景地圖制作研究

周智勇，丁玉蘭（重慶市勘測院，重慶 400020）

基于多旋翼無人機的空中全景地圖制作研究

周智勇?，丁玉蘭
（重慶市勘測院，重慶 400020）

全景地圖是近年來虛擬現實、計算機視覺技術領域中的一個新的研究和應用方向。本文基于多旋翼無人機進行空中拍攝，獲取多角度影像，利用專業拼接軟件進行全景拼接處理，并開發支持移動端的全景漫游系統，實現拍攝點特定時間720度全方位全景地圖成果，在城市建設管理、旅游宣傳、商業服務及百姓生活等方面有廣泛的應用前景。關鍵詞：全景地圖；多旋翼無人機；全景拼接；全景漫游

1 引 言

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［1，2］，可廣泛應用于網絡三維業務。街景服務是基于三維全景技術的服務，目前國內外已有的街景服務有谷歌街景、微軟街景、騰訊街景、百度街景等。另外，國內的城市吧、我秀中國也提供國內部分城市的街景服務。街景一般是在移動采集車上放置5個或6個集成好的Gopro相機，一次成像獲取多個角度的影像及坐標信息，生成采樣點360°的全景影像，但底部紋理一般未進行處理。移動測量技術已不再僅僅是一種測繪技術裝備，而是代表了海量地理信息數據尤其是實景地圖數據的一種重要的生產手段，更是信息測繪的一種全新的生產體系［3］，而多旋翼無人機則是移動測量技術的一種延伸，是不可或缺的一種補充。

隨著多旋翼無人機的快速發展，已廣泛應用于軍事和民事領域［4，5］。本文利用無人機飛到空中，搭載高清單反相機，選擇更加具有視覺效果的拍攝點進行空中懸停獲取影像，制作全方位全視角實景地圖，實現水平360°與垂直360°瀏覽，將觀看者視角從平時的地面、室內移到空中，使觀者有在空中進行俯視的真實沉浸感，并可以與常規室內室外三維全景相結合，制作天地及室內外一體的三維實景地圖［6］，為用戶提供更全面、更真實的三維模型效果。

2 多旋翼無人機全景拍攝

2.1 拍攝平臺簡介

拍攝平臺一般為四旋翼或八旋翼，主要由飛行平臺、飛行控制系統、云臺及相機等幾部分組成。四旋翼無人機體積較小，質量約為 3 kg，相機云臺為集成式運動相機，像素達 1 200萬，起落架可收起，能360°自由拍照。八旋翼無人機體積較大，質量約為 10 kg，云臺根據相機型號定制，本文試驗中選擇松下GH4微單相機、12 mm定焦鏡頭及專用定制云臺，像素達 1 600萬像素，相比四旋翼拍攝平臺具有更好的穩定性、更精確的控制精度和更理想的拍攝效果。

2.2 拍攝技術路線

圖1　拍攝技術路線圖

2.3 空中拍攝

一般全景拍攝為降低工作量、提高獲取效率，大都采用魚眼鏡頭進行拍攝，這樣拍攝一個點位只需要3張全景影像就足夠［7］。為了獲取較高質量的全景影像，本文采用微型單反相機搭載 12 mm定焦鏡頭進行影像拍攝，分三圈進行拍攝，圈與圈之間間隔30°～45°，圈內每間隔30°拍攝一張，每圈拍攝12張，最后拍攝地面兩張，天空則在飛機落地后拍攝兩張，這樣一個拍攝點位共拍攝40張左右，既保證了拍攝的影像無漏洞，又保證了足夠的重疊，便于后期拼接與處理，拍攝原理如圖2所示。

? 收稿日期:2016—01—08

作者簡介:周智勇（1979—），男，高級工程師，主要從事攝影測量與地理信息系統的生產與管理工作。

基金項目：重慶市科技計劃（cstc2015shmszx40007）

圖2　空中全景航拍示意圖

3 全景影像拼接

3.1 全景影像分類

（1）柱面全景圖

柱面全景圖不包括場景中的頂、底，是以拍攝點為視點，將一組圖像有序的拼接起來。

（2）球面全景圖

球面全景圖是將影像投影到以觀察者為中心的球面上，根據觀察者視點的情況展現出相應的場景，并且所有的場景都是連續的，具有360°水平視角和360°垂直視角。球面全景圖與人眼模型最接近的一種全景描述。

（3）立方體全景圖

立方體全景圖同樣是一種全方位的全景圖，與球面全景圖有著相同的視角范圍，在展示時通過展示立方體的6個面來實現漫游。立方體全景圖在生成時，一般通過球轉立方體的方式來實現，實際效果與球形全景類似［2，8］。

3.2 基于PTGui的全景影像拼接

PTGui是目前應用較多的一款全景影像拼接軟件，操作簡單，效果良好。首先按影像順序加載所有空中航拍影像，并進行自動對準。部分影像因建筑天際線不統一、影像畫面中天空占比較大原因，可能出現相鄰影像控制點無法自動匹配情況，需要人工手動找尋同名控制點，再進行自動匹配更多控制點。

在全景圖編輯器窗口中設置適合于球面全景圖的等距圓柱投影模式，進行影像調整。需要注意水平視場和垂直視場分別調整到360°和180°，保證縱橫比為1∶2；調整移動全景圖，使得房屋邊線與參考線對齊，保證全景圖中房屋是正的，如圖3所示；對影像相互重疊，冗余較多的個別影像進行刪除；對部分從房屋中間穿過的拼接線進行調整，避免出現房屋錯位的情況，如圖4所示。

圖3　調整全景圖中房屋邊線與參考線對齊

圖4　調整裁切線避讓房屋

接著利用優化器進行控制點優化，通過剔除誤差較大的控制點、調整點位匹配精度、增加更具有紋理特征的控制點等方法，反復優化直到所有控制點的誤差小于3個像素，保證影像拼接精度及地物過渡自然。

3.3基于Photoshop的影像修補與調色

拼接好的影像天空還沒有修補，首先進行天空的修補。利用Photoshop的扭曲工具，將平面的影像轉換為極坐標模式，這樣天空就成了一個閉合的區域，結合地面上拍攝的天空影像進行修補、過渡，將天空補全，如圖5所示。最后將補好天空的影像從極坐標再轉換為平面坐標模式。

圖5　平面坐標轉換到極坐標下進行天空修補

圖6　轉出六面體單片進行檢查與接邊

再對補好天空的全景圖影像進行色溫、色調、曝光、對比度、陰影、亮光、飽和度等一系列參數的調整，使得全景圖的清晰度、色彩等達到較好的效果。最后對影像輸出六面體單片，便于對影像的放大仔細檢查，主要檢查線狀地物是否有錯位、移動的車輛和行人重影等問題，并逐一修改。最后對全景圖最左和最右的接邊進行檢查，可以通過拼接六面體單片的形式，如圖6所示，也可以將全景圖旋轉180°后利用極坐標與平面坐標的轉換實現。

4 全景漫游集成與發布

自主開發了功能完善的全景瀏覽軟件，通過“愛尚重慶”網站關聯全景地圖進行發布，如圖7所示。同時也支持二維碼、網頁發布等形式。

圖7　“愛尚重慶”網站關聯全景地圖

全景瀏覽軟件提供了基本的縮放、全方位旋轉等功能，還提供了搜索、列表、關聯等多種導覽切換方式，系統界面簡潔實用。同時還提供了魚眼視圖、正常視圖、小星球等多種視圖模式，如圖8所示。

圖8　系統提供多種視圖模式

5 結 語

項目基于多旋翼無人機進行空中懸停拍攝獲取興趣點的全方位影像，經過拼接、調色處理得到的全景地圖，可以通過網頁、手機APP等多種便捷方式進行發布，較傳統二維地圖、三維地圖具有更好的可視性、更直接的觀感、更逼真的沉浸感，而且空中俯視具有更宏觀的視角，可以更全面了解掌握興趣點的周邊情況，結合地面全景與室內全景，為百姓大眾提供空天地全方位的地圖服務，可廣泛應用于虛擬旅游、虛擬校園、虛擬房產及工程應用等方面，具有較大的推廣應用價值。

［1］王延朝.基于 Krpano的三維全景系統的開發和應用［D］.上海：華東師范大學，2015.

［2］張志軍，邱俊武，孫曉瑋等.全景景觀地圖的計算機輔助制作［J］.測繪科學，2015（9）：125～128.

［3］馬杰.360°全景圖像拼接技術研究［D］.四川：西南財經大學，2012.

［4］張欣.多旋翼無人機的姿態與導航信息融合算法研究［D］.北京：中國科學院大學，2015.

［5］楊文征.微型旋翼無人機通信系統的設計與實現［D］.北京；北京郵電大學，2015.

［6］張晨光.重慶推出天地及室內外一體實景地圖［N］.國家測繪地理信息局，2015-09-17.

［7］龔琪慧，吳健平，王潔華等.基于全景圖的3維實景制作及其與GIS集成研究［J］.測繪與空間地理信息，2012 （6）：33～37.

［8］鄭金鑫.全景虛擬游系統的設計與實現［D］.北京：北京郵電大學，2010.

Research of Panoramic Maps Based on Multi-rotor UAV

Zhou Zhiyong，Ding Yulan （Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China）

Panoramic map is a new research and application in the field of virtual reality and computer vision.In this paper，first，use multi-rotor UAV to get images from different attitude angle.And then get the panoramic maps using mosaic software.At last，we developed a panoramic map roaming mobile terminal system，which provided 720-degree map browsing，and can be used in urban management，tourism promotion and business services areas.

panoramic maps；multi-rotor UAV；panorama mosaic；panorama roaming

1672-8262（2016）02-101-04中圖分類號：P23，P283.49

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