张 丽，刘 蕾，孙大兵

（安徽省芜湖市气象局，安徽 芜湖 241000）

随着网络、信息技术的不断发展，人们获取信息更加注重快捷、方便、高效的获取方式和良好的个人体验效果。虚拟现实即VR（Virtual Reality），其是在互联网技术产业链发展与人们对良好体验需求不断交叉增长中产生的新事物[1]。

VR 是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物[2]。VR 全景技术作为VR 技术中的重要部分，在军事、医学、城市规划、视频会议、娱乐等领域被广泛运用。VR 全景技术是一种运用数码相机或全景拍摄设备对现有场景进行多角度环视拍摄，然后进行后期缝合并加载播放程序来完成的一种三维虚拟展示技术[3]。由于自身的沉浸感、交互性、想象性等特点，VR 全景技术目前也成为了现代社会传播文化的重要手段[4]，尤其是在2020年全球爆发新冠疫情后，在居家无法外出、避免人群集聚的情况下，线上办公、学习、参观等需求急剧飙升。充分把VR 技术应用到各类展览中是当今时代发展的必然结果。

近年来很多专家学者对此展开了相关研究，如马自萍等[5]应用Pano2VR 与虚拟现实技术相结合的方法，对宁夏博物馆进行虚拟设计；王映霓[6]基于PTGui和Pano2VR 对自贡盐业历史博物馆交互式全景漫游进行了设计研究；冯于天韫等[7]运用VR 技术对校史馆进行了导览设计；孙晓艳等[8-10]也都对基于虚拟现实技术的展览数字化进行了探索和研究。在气象科普领域VR技术也非常受欢迎，能够显著增强用户参与度并提升用户体验。如上海气象博物馆推出“云”游博物馆通道，公众通过扫描二维码就可以通过VR 全景方式游览上海气象博物馆展厅，突破距离和人流量的约束用全新的方式体验；中国气象局基于VR 技术制作了《穿越台风》《天兵行动》《太阳风暴》等多部气象科普影片，使用户能够亲临其境体验体验台风、了解人工影响天气等气象过程[11]。

2021-03-23—2021-05-23，安徽省气象局在芜湖市博物馆举办了《世纪风云——安徽气象事业百年回顾展》（以下简称“回顾展”），精选了气象仪器、书籍、照片等80 余件（套） 珍贵藏品，展示安徽气象历史和气象科学的发展历程。因为线下实体展览的展期只有2个月，为打破时空限制将此次展览内容长久保存在云端。本研究运用VR 全景技术设计了虚拟安徽百年气象回顾展，使公众随时随地可以通过PC、智能手机、iPad 等智能终端进行在线参观，获得沉浸式的感受和体验。

1 设计思路

通过对安徽气象事业百年回顾展进行室内室外的实景拍摄，将多组照片拼接成一个全景图像，然后通过计算机技术构建一个虚拟现实的全景空间，添加解说语音、背景音乐等实现720°全方位视听觉体验。将安徽近代以来的气象科技发展历程通过互联网和移动互联网平台进行数字化展示，公众随时随地都可以点击链接或扫描回顾展二维码通过PC、智能手机、iPad等智能终端进行在线参观。

建设内容包括数字化采集制作和展示发布系统2部分。

数字化采集制作：将安徽气象事业百年回顾展的展厅、展柜、展板、展品以及室外部分进行数字化采集并进行后期处理，为项目数字资源部分。形式设计上要求版面展现立体，景观模型静态动态相结合、实物与场景融合一体。通过运用芜湖市博物馆建筑和街区实景图片与三维动画、多媒体视频融合等展示手段，增强展览的知识性、观赏性。

展示发布系统：720 云端实现数据存储和调用，对内容进行编辑处理，面向相关网站、微信和APP 为公众用户提供服务，展示安徽气象事业百年回顾展的展板、展品和服务信息，并提供公众与回顾展的互动平台。

2 虚拟回顾展的系统结构

安徽气象事业百年回顾云展览，由云端、终端、软件、内容4 部分组成。云端为720 在线云平台，终端包括电脑浏览器和手机、平板等移动客户端浏览器，软件又称为界面。系统结构如图1所示。

图1 虚拟安徽百年气象回顾云展览系统结构图

3 虚拟回顾展实现的技术基础

3.1 硬件

摄影设备：航拍无人机（用于在博物馆室外鸟瞰全景）、单反相机（用于展品及图文高清图）、鱼眼镜头（用于拍摄展厅广角全景图）及全景云台、三脚架等辅助设备。

拍摄要求：清晰度需远超普通全景作品，单张球形图要能清晰还原场景原貌，像素需达到2 亿以上。采用5 次包围曝光、HDR 曝光融合。全景文件采用渐进式分辨率浏览方式，可在不同分辨率之间无缝切换，既能保证全景图片的最高清晰度，也能加快全景内容的加载速度保证观众流畅观看。为实现在电脑、手机、平板电脑等跨平台终端的浏览目的，全景内容发布文件应采用H5 内核。

电脑设备：因VR 软件对电脑处理器和显卡要求较高，计算机的显卡必须选择专业图形显卡，内存为16 G 以上。

3.2 软件

软件具体包括以下4 类：①全景图片拼接软件。如PTGui/PTGui Pro 等，利用此类软件可以快捷方便地制作出360×180°的完整球型全景图片，以“控制点”的形式进行自动缝合和优化融合从而提高拼接的精度。软件支持多种格式的图像文件输入，输出可以选择为高动态范围的图像，拼接后的图像基本上没有拼接痕迹[12]。②后期图片制作软件。如Photoshop、Lightroom 等，支持各种RAW 图像，主要用于数码相片的浏览、编辑、整理、打印等。③VR 全景制作软件。如道可云VR，用于设计全景界面，添加解说词语音，强化展板图文和音频内容。④发布系统。如720 云端，可对本地拍摄的全景图片和视频进行编辑，优化拍摄画面、处理视频细节，并将制作完成的作品上传到网络或者分享到云端。

4 虚拟回顾展制作流程

4.1 全角度拍摄

设备器材的准备：制作720 全景展示需要相应的拍摄设备，包括数码单反相机、鱼眼镜头、无人机、全景云台、三脚架。具体设备品牌及型号为佳能6D2单反相机、8-15 鱼眼镜头、JTS-Rotator 全景云台、大疆御Mavic Air 2、伟峰6307 三脚架。

拍摄前准备：首先需到拍摄场地堪景，对拍摄现场的场地地形进行察看，结合现场光线、展示物、视角等诸多因素，拟定拍摄点位，对拍摄场地内的陈列进行调整，达到最优的观看体验；准备拍摄设备，包括全景云台的安装、相机参数与镜头节点的调试。旋转云台时三脚架需稳定，保持相机位置不移动；图片之间不少于30%重合度。拍摄与取材包括全景相机拍摄与单反相机拍摄。使用HDR 功能拍摄，保留图像暗部、中间、高光区域细节。用此套工具取材每60°一张，水平标的需要拍摄6 张图像，外加顶端和底面2 张图像，用6～8 张图像拼合成一个360°全景展示，或选用Sigma 8 mm 的鱼眼镜头，需4 张图像，总计拍摄24个全景点位。

4.2 3D 建模

运用720 全景建立有三维立体感觉的实景360°全方位图像。全景图实际上是通过映射具有一定几何关系的周围场景而生成的平面图，通过全景播放器的校正处理将其转换为三维全景图。将水平360°和垂直360°环视效果叠加在一起，虽然照片都是平面的，但通过技术处理获得的360°全景可以给人一种三维空间感，让观众感觉自己置身其中，它能充分显示双360°球面范围内的所有景物[13]；可以按住并拖动鼠标左键以查看场景的各个方向。三维全景图大多是在照片的基础上拼接而成的图像，最大限度地保留了场景的真实性[13]。使用手机或电脑就可以流畅地观看。《世纪风云——安徽气象事业百年回顾展》全景及鸟瞰图如图2所示。

图2 《世纪风云——安徽气象事业百年回顾展》全景及鸟瞰图

4.3 配音音频制作

根据安徽气象事业百年回顾展的灿烂与智慧、安徽古代气象、艰难与探索、近代安徽气象奋斗与辉煌、共和国气象事业等不同的场景及展品情况共撰写了47段解说词，并制作完成解说词的音频mp3 格式文件。

4.4 图形合成VR 渲染

使用全景拼合软件PTGui 进行图像的拼合处理。PTGui 是一款性能较为强大的全景图片拼接软件，其操作流程简单方便：导入一组原始图片，运行自动对齐控制点，生成全景图片文件。软件导入图片后能主动读取图片的镜头参数，识别图片堆叠区域的像素特征，随后以“控制点”的模式进行自动缝合，用户也可以手工添加或删除控制点，从而提高拼接的精度。并且它支持输入多种格式的图像文件，拼接后的图像基本上没有明显的拼接痕迹[8]。

使用全景拼合软件PTGui 进行图像的拼合处理，具体过程如下：打开PTGui 和图片所在的文件夹。点击“加载图像”，将所拍摄同一场景的6 张图像拖至PTGui 窗口。对齐选中时6 张图像，当屏幕出现全景编辑界面时，将全景图居中，固定垂直对齐。点击放大镜图标检查全景图细节，拖动鼠标平移图像。在全景交互预览窗口中调整视角，直至合适。通过设置与查找重叠区域的同名像点，可以将各同名像点一一对应。返回到主屏幕，单击“创造全景”按钮，选择默认设置，点击创造全景。最后补天补地。采用pano2vr或Krpano 软件将长条图转换为720 全景。

使用Lightroom 进行修图和润色，保障制作出的图像具有美感，修图和润色水平决定了全景质量的优劣；使用道可云VR 全景制作系统进行界面设计，增加藏品的高清单图展示，配备解说词语音，呈现展板图文和音频内容。

4.5 全景漫游图发布

进入720 云进行注册并登录，在“发布”界面上传已处理的全景图片，在导入全景图片后单击“发布”按钮完成工作的创建。创建完成后在主窗口中会看到创建的作品，双击打开创建完成的全景图，可进入作品的编辑界面，进行全景效果编辑，如初始视角的重定义、添加热点链接、添加音乐、添加特效、嵌入图片元素、添加遮罩等多种编辑操作，这些编辑性能可以依据实际需求进行选择操作。添加热点链接是为了实现回顾展的全景漫游，通过热点链接完成图像间的切换。实现热点设置后，还能够给全景图增加语音讲解、配镜音乐等特效润饰美化。编辑好全景图并设置完基本功能后，在720 云端发布Flash、Java、Quicktime等多种观看方式，可用计算机、手机、平板等浏览器进行观看。

5 结语

采用VR 实景漫游技术制作了线上的《世纪风云——安徽百年气象回顾展》，共设计了24个场景，观众在任意时间地点都可以通过登录网站、气象芜湖微信公众号或扫描二微码的方式进行观看，只需通过线上动用手指、动作等一些交互性的手段点击任一场景就可以实现沉浸式观看。基于PTGuiVR 的实景漫游技术只需要将所拍摄的图像拼接成全景图获取图片数据。方法简单易上手，同时使用相机进行实景拍摄场能够真实呈现原景原貌，真实逼真、可信度高，开发周期短、成本低。基于这些优点使其成为在互联网上进行全景展示较好的工具与平台，为实现展览数字化建设起到积极的推进作用。

本研究利用VR 全景技术对气象科普展览进行了有益的探索。采用VR 技术，让原本只有2个月短暂展览周期的《世纪风云——安徽百年气象回顾展》能够得以永久保存，观众能够跨越时空得到全方位交互式的视觉感受，更好地发挥了教育功能和社会功能。由于目前VR 技术应用在气象展览等科普活动中还处于初级发展阶段，硬件和软件还有待进一步发展，虚拟的安徽百年气象回顾展还存在画面不够精致、交互体验的动作简单固定等弊端，还不能给观众带来嗅觉、触觉等互动感，真正的沉浸式体验还没能实现。

总体来看，基于VR 技术的新型数字化气象科普产品能够起到良好的科普效果，改变了传统的参观和学习方式。未来随着技术的发展和需求牵引的相互推动，VR 技术将被全面应用于气象科普领域，如将气象观测站、气象应急指挥车、气象预报平台、人工影响天气直升飞机、多普勒雷达等装备和场景展示出来，并能三维模拟大风、龙卷、洪涝、暴雨等常见灾害，演示其发生发展规律，身临其境体验气象灾害并在体验中学习掌握自救和互救知识[14]，提升公众的气象科普素养和全民防灾减灾救灾的能力。同时基于VR 的气象科普电影、游戏、短视频等产品也会蓬勃发展。利用VR 技术通过制造真实、优良的虚拟体验和学习空间将对气象科学方式进行重塑，将大大激发人们对科学的想象力和创造力，使民众切实体会到科普的魅力和作用。