全景图像及虚拟交互技术在气象卫星科普的应用

全景图像及虚拟交互技术在气象卫星科普的应用

吴砚威，石艳军，罗祖红

（广州气象卫星地面站，广东广州 510640）

摘要：基于气象卫星地面站线上科普服务的需求，将全景图像及虚拟交互技术应用于气象卫星科普互动系统的设计中。通过创建气象卫星及地面接收站的虚拟运行环境，利用虚拟现实全景技术实现全景漫游效果。系统营造了一个开放性的网上探索学习环境，用户可在虚拟场景中通过人机交互获得知识，直观了解气象卫星及地面接收站的虚拟运行状态，并可观看实时的卫星对地观测图像。

关键词：虚拟现实；全景图；图像拼接技术；科普馆

1.概述

虚拟现实（Virtual Reality，VR）全景技术是目前全球范围内迅速发展并逐步流行的一种视觉新技术。它通过使用专业相机捕捉整个场景的图像信息，利用拼接软件进行图片拼合，展现出来的真实性和沉浸式，在各行业中的应用越来越广泛。

广州气象卫星地面站气象卫星科普基地（以下简称基地）展现我国气象卫星各时期的历史资料，展现我国气象卫星发展历程。通过利用全景漫游技术对各场馆的实现，用户可以通过简单的鼠标点击或者触摸屏，就能够自由观察和体验场馆环境，体验身临其境的感觉，有利于气象卫星知识科学传播，尤其是在遇上重大事件，如疫情等不利于出门参观等情况，实现线上云游科普基地，了解气象卫星相关知识，有利于进一步推广和宣传我国气象卫星辉煌事业。

2.场景框架设计

广州气象卫星地面站气象卫星科普基地主要从航天发展历史、卫星基地、卫星的设计制造、火箭发射、卫星在轨运行、地面数据接收、卫星遥感资料应用等方面全方位介绍航天卫星科技知识，依托广州气象卫星地面站基础设施建设，主要包括室内和室外两大部分组成，室内主要由业务运行大厅、互动馆、风云卫星博物馆构成，室外由极轨气象卫星天线、静止气象卫星天线群组成。

图1  气象卫星科普基地场景示意图

3、全景图的生成

3.1图像采集

生成全景图像的方法，首先需要采集一组真实场景的局部图像，然后对这一组图像进行拼接，生成包含这组局部图像的全方位图像的场景。生成全景图像的重点分为图像采集和图像拼接两方面。图像采集是用专用设备，围绕固定的点旋转360°进行拍摄。拍摄图像的质量是保证后续制作的前提，所以拍摄是整个制作过程中的关键步骤。拍摄接片时，相邻的图片之间应该有部分重叠，重合部分太多或太少都可能无法很好地融合图像。拍摄时可以考虑以15度、24度、60度、90度四种角度，即分别对应旋转一周，拍24、15、6、4张接片。对于卫星地面接收站空中场景，则利用无人机拍摄，以高空俯瞰的视角展示（图2）。

（图2：以无人机的视角俯瞰卫星地面接收站场景）

3.2图像拼接融合

考虑到气象卫星科普的特点，我们采用球面的全景图像，实现参观者可在照相机的视点以任意角度观察卫星地面接受系统、以卫星的视角对地观测、以无人机的视角俯瞰卫星地面接收站场景。球面的全景图像拼接是根据像重叠区域的相似性来确定的，包括图像的投影变换、图像配准和图像融合等关键环节，处理流程包括：

（1）球面全景图的投影变换，为了保持实际场景中的空间约束关系和实际场景的视觉一致性，需将拍摄得到的反映各自投影平面的重叠图像序列统一投影到球面上，完成球面正投影后再进行拼接得到无变形和无畸变的全景图像；

（2）图像配准，采用基于区域的图像配准方法，通过比较两幅图像颜色差异，并使之最小化来寻找最佳匹配点；

（3）图像融合，图像配准后，根据图像间变换模型确定图像间的重叠区域，拼接图像序列形成一幅完整的全景图像，对于重叠区域的图像，本节采用函数加权法来处理重叠区域的图像，确保图像的无缝过度。

4、全景图的虚拟漫游及交互功能设计

4.1全景图的虚拟漫游

合成好高质量的全景图像后，再将其他解说文字、图表、图片、视频、音频等多媒体资料与素材整合进展示系统，并在场景中添加卫星云图及虚拟天气系统。用户可在场景中漫游，并可通过漫游或直接切换到不同场馆。例如，用户可将位置直接切换到风云卫星博物馆（图3），也可通过场景中的入口漫游进入。

（图3  风云卫星博物馆的历史资料展示全景平面图）

4.2交互功能设计

运用虚拟交互技术开发一套卫星及地面接收站虚拟运行系统，用户可输入一套虚拟的或者真实的卫星轨道参数，通过卫星的轨道参数计算卫星的轨迹及实时位置，并以真实的卫星的轨迹及实时位置建立卫星相对地球的运动模型（图4），直观的显示卫星运动。

（图4 卫星相对地球的运动）

（图5卫星对地扫描过程及扫描覆盖区）

通过卫星的轨道参数计算卫星的轨迹及实时位置，以及卫星对地的扫描角，模拟卫星运动时的对地扫描过程，并画出各地面站的接收范围（图5），直观的显示卫星对地扫描过程及扫描覆盖区。建立虚拟的地面站设备运行流程，直观显示地面站设备运行状态。用户可在虚拟现实场景中操作卫星接收设备，包括控制虚拟的天线跟踪卫星，通过虚拟现实特有的交互性、沉浸性特点，让用户身临其境，快速了解气象卫星知识，增强学习效果。

5、结语

将虚拟交互技术应用于气象卫星科普互动系统的设计中，营造了一个开放性的网上探索学习环境，有利于气象卫星知识科学传播，尤其是在遇上重大事件，如疫情等不利于出门参观等情况，实现线上云游科普基地，了解气象卫星相关知识，有利于进一步推广和宣传我国气象卫星辉煌事业。

参考文献

[1] 张姣姣，司占军 基于720云的室内全景漫游的设计与实现 电脑知识与技术  2017

[2] 朱富宁，刘纲  《VB全景拍摄一本通》人民邮电出版社  2021年

[3] 李涛 《数码摄影后期高手之路》人民邮电出版社  2016年

[4] 王强 虚拟交互技术在业务运行流程监视系统设计中的应用 2019年

作者简介：吴砚威（1971.11）男，汉族，广东增城人，本科学历，工程师，从事研究方向或职业：计算机应用研究。