基于全景漫游技術(shù)的樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林玉婷 吳保國(guó)

（北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京 100083）

全景漫游技術(shù)是一種基于真實(shí)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)方法是用相機(jī)360°拍攝一組照片，拼接成全景圖像，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全方位、可交互的全景漫游。因?yàn)槿皥D是利用實(shí)拍照片生成的，所以它具有建模容易、高度真實(shí)感的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)全景漫游系統(tǒng)又具有良好的交互性。數(shù)字標(biāo)本館是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是將各種標(biāo)本轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息并存儲(chǔ)起來通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入到標(biāo)本館中，而且能在網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境中被本地和遠(yuǎn)程用戶存取，還能通過復(fù)雜的和一體化的自動(dòng)控制系統(tǒng)為用戶提供先進(jìn)的、自動(dòng)化的服務(wù)［1］。由于標(biāo)本館中展廳眾多，因此在數(shù)字標(biāo)本館中應(yīng)用全景漫游技術(shù)，可以對(duì)標(biāo)本館進(jìn)行全面真實(shí)的展示。另外，全景漫游技術(shù)還可以添加一定的交互效果，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的效果。

近年來，對(duì)全景漫游技術(shù)的研究比較多，這種基于圖像的繪制技術(shù)（IBR：image－based－rendering）因可以大幅降低建模難度而受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。其中對(duì)全景漫游算法進(jìn)行研究的有基于柱面模型的ADPW多媒體全景漫游平臺(tái)［2］、基于球面模型的X3D下的全景漫游算法［3］等。對(duì)全景漫游技術(shù)在系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行研究的有全景漫游技術(shù)在虛擬校園中的應(yīng)用［4］、蕪湖長(zhǎng)江大橋多媒體全景漫游［5］等。近年來我國(guó)數(shù)字標(biāo)本館、數(shù)字博物館的建設(shè)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，建成了以數(shù)字故宮為代表的國(guó)家級(jí)數(shù)字博物館、各省級(jí)數(shù)字博物館、高校數(shù)字博物館、專題數(shù)字博物館等。在林業(yè)系統(tǒng)中，建成的樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館較少，最有代表性的是中國(guó)植物數(shù)字標(biāo)本館，在建成的樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館中還未見對(duì)全景漫游技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的。本文給出了北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館的功能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

一、北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館的設(shè)計(jì)

北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館，旨在構(gòu)建一個(gè)對(duì)樹木標(biāo)本和標(biāo)本館內(nèi)部景觀進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)虛擬展示，使用戶可以同步學(xué)習(xí)相關(guān)樹木學(xué)知識(shí)的虛擬場(chǎng)所。在設(shè)計(jì)上遵循了安全性、可擴(kuò)展性和易操作性的原則。

（一）標(biāo)本館體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足多用戶在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)同時(shí)使用的需求，并同時(shí)保證系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和反饋速度，系統(tǒng)采用瀏覽器／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，用戶可通過瀏覽器訪問樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館，而樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館的系統(tǒng)安裝在服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，體系結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館體系結(jié)構(gòu)

（二）標(biāo)本館功能設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館功能時(shí)，筆者充分考慮不同用戶各種層次需求，集成了樹木學(xué)標(biāo)本的各種相關(guān)信息，為用戶提供全面的展示和信息。北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館功能主要包括：標(biāo)本管理、館體展示、科普教育、實(shí)習(xí)林場(chǎng)地圖展示等，功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。①標(biāo)本管理功能。它是數(shù)字標(biāo)本館的基本功能，該功能對(duì)北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)標(biāo)本館內(nèi)各類標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化展示及管理。②館體展示功能。采用全景漫游技術(shù)，使參觀者通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)本館的虛擬參觀。③科普教育功能。它的目的是使參觀者在瀏覽數(shù)字標(biāo)本的同時(shí)了解對(duì)應(yīng)物種的相關(guān)知識(shí)。④地圖展示功能。它是為了將數(shù)字標(biāo)本與標(biāo)本物種的實(shí)地生長(zhǎng)狀況相結(jié)合，增加用戶的體驗(yàn)效果。⑤其他功能。主要包括數(shù)據(jù)批量添加和系統(tǒng)后臺(tái)管理。

圖2 樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館功能結(jié)構(gòu)

（三）標(biāo)本館數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館數(shù)據(jù)庫(kù)包含標(biāo)本信息表、物種知識(shí)表、林場(chǎng)數(shù)據(jù)表、用戶表等，其主要的關(guān)系表結(jié)構(gòu)如下：①標(biāo)本信息表存儲(chǔ)實(shí)物標(biāo)本的各種信息，存儲(chǔ)的信息類別有標(biāo)本信息、保存信息、采集信息、物種信息等。標(biāo)本信息表關(guān)系結(jié)構(gòu)如下：標(biāo)本信息表（標(biāo)本號(hào)、標(biāo)本屬性、標(biāo)本等級(jí)、標(biāo)本來源、鑒定日期、保存位置、保存方式、產(chǎn)地、海拔、采集日期、生境、采集人、采集編號(hào)、物種編號(hào)…），主鍵是標(biāo)本號(hào)。②物種知識(shí)表存儲(chǔ)不同物種的信息，包括物種編號(hào)、物種名、物種的分類信息、物種的特性及用途等。物種知識(shí)表與標(biāo)本信息表通過物種編號(hào)建立一對(duì)一的聯(lián)系。物種知識(shí)表關(guān)系結(jié)構(gòu)如下：物種知識(shí)表（物種編號(hào)、中文名、學(xué)名、門、綱、目、科、屬、鑒別特征、形態(tài)描述、地理分布、保護(hù)等級(jí)…），主鍵是物種編號(hào)。其他關(guān)系表在此不詳細(xì)闡述。

為保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性，在系統(tǒng)中設(shè)置2個(gè)用戶角色：第一個(gè)為普通用戶角色，只有讀取數(shù)據(jù)的權(quán)限；第二個(gè)為管理員角色，可以增加、刪除、修改數(shù)據(jù)，管理員角色還設(shè)置IP判別功能。數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢使用可通過存儲(chǔ)過程實(shí)現(xiàn)，這樣一方面可以提高查詢效率，另一方面可以提高安全性。

二、北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在全景漫游技術(shù)中需要解決的關(guān)鍵問題主要有：全景圖的生成、漫游空間編輯、多個(gè)漫游空間的切換、全景漫游系統(tǒng)的后臺(tái)管理等。其中全景圖的生成是全景漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在很多文獻(xiàn)中都提到了全景圖的生成方法［6－7］，全景圖的生成方法可分為軟件生成和算法生成2大類。

（一）全景圖的生成

1.軟件生成全景圖

采用全景圖處理軟件生成全景圖是一種比較簡(jiǎn)單的方法，將拍攝好的照片輸入軟件內(nèi)，選擇相應(yīng)的模型，就可生成全景圖。目前許多軟件都提供了全景圖生成功能，如PTGui、COOL 360等軟件。筆者在該研究中使用COOL 360軟件對(duì)拍攝的照片進(jìn)行了處理，在進(jìn)行處理時(shí)需要注意幾個(gè)問題。首先，在處理的圖片中相鄰圖片有15%的重合；其次，輸入圖片時(shí)盡量按照順序輸入，以減少后期調(diào)整的難度。筆者通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，利用該軟件生成全景圖后感覺拼接效果不太理想，圖片的邊界處理不夠細(xì)致，不能滿足樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館全景圖的要求。因此，筆者采用圓柱體模型投影算法對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理，再用PTGui軟件進(jìn)行拼接的方法生成全景圖。

2.算法生成全景圖

投影算法生成全景圖的主要步驟為：①計(jì)算柱面投影模型的投影算法；②編程實(shí)現(xiàn)該算法并對(duì)每一張?jiān)磮D像進(jìn)行投影處理；③利用支持特征點(diǎn)直觀選擇的PTGui軟件對(duì)投影后的圖片進(jìn)行拼接得到全景圖。

（1）柱面投影模型

由于用相機(jī)拍攝的圖片是真實(shí)場(chǎng)景在平面上的投影，而柱面全景圖要表現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的柱面投影，因此在進(jìn)行圖像拼接前首先要將真實(shí)場(chǎng)景投影到一個(gè)假想圓柱面上，該圓柱的半徑為相機(jī)的焦距。將相機(jī)的焦距設(shè)為R，平面圖片的寬度和高度分別設(shè)為W、H，張角設(shè)為θ，平面圖和柱面投影圖的關(guān)系可以用圖3表示。對(duì)平面上的任一點(diǎn)Q（x，y，z），它在柱面上的投影為 P（x′，y′，z′），2者之間的關(guān)系可以用公式1表示。

圖3 平面圖與柱面投影圖的關(guān)系

（2）投影算法的軟件實(shí)現(xiàn)及照片預(yù)處理

用Visual C＋＋6.0編程實(shí)現(xiàn)上面的投影算法，對(duì)每一張圖片分別進(jìn)行投影處理。處理過程為：打開一幅圖片→對(duì)該圖片運(yùn)行算法程序→獲得并保存投影后的圖片。

（3）處理后的圖片拼接

筆者采用PTGui軟件經(jīng)柱面投影模型的投影算法處理后的一組圖片進(jìn)行拼接，并生成全景圖。圖片拼接的實(shí)質(zhì)是將相鄰2幅圖像的重疊部分盡可能地對(duì)齊，主要方法是找到相鄰2幅圖片的特征點(diǎn)，計(jì)算2個(gè)對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)間的變換矩陣，根據(jù)該矩陣對(duì)整幅圖片進(jìn)行拼接。PTGui軟件提供了較直觀的特征點(diǎn)選取截面，并根據(jù)選擇的特征點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣，從而自動(dòng)完成圖片的拼接。拼接步驟為：?jiǎn)?dòng)軟件→輸入源圖像→調(diào)整圖像順序→為相鄰圖片選取特征點(diǎn)→系統(tǒng)拼接生成全景圖→輸出并保存圖像。

采用算法生成的全景圖和采用軟件生成的全景圖效果對(duì)比如圖4所示，其中上圖為用算法生成的全景圖，下圖為用軟件生成的全景圖。通過對(duì)比可以看出算法生成的全景圖在邊緣處理上較細(xì)致，擬合效果更好。

（二）將全景圖編輯轉(zhuǎn)換為Flash格式

圖4 算法生成的全景圖與軟件生成的全景圖對(duì)比

生成全景圖后，還需要對(duì)全景圖進(jìn)行一定的后期編輯，以達(dá)到更好的用戶體驗(yàn)效果。目前有很多對(duì)全景圖進(jìn)行編輯的軟件，其中Pano2VR軟件是應(yīng)用比較多的。該軟件可以對(duì)生成的全景圖添加熱點(diǎn)鏈接和聲音效果等，并將全景圖轉(zhuǎn)換為Flash格式或QuickTime格式。將全景圖轉(zhuǎn)換為Flash格式（waiguan.swf文件）后，將生成的Flash文件嵌入到樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館中。

北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館充分考慮了用戶對(duì)樹木標(biāo)本的各種信息需求，提供了藏品展示、館體展示、科普學(xué)習(xí)、林場(chǎng)地圖等多種功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┤娴膱D文并茂的信息及展示，使用戶在瀏覽標(biāo)本的同時(shí)能夠?qū)W習(xí)到相關(guān)的知識(shí)。將全景漫游技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字標(biāo)本館領(lǐng)域，使用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)標(biāo)本館進(jìn)行虛擬參觀，用戶認(rèn)為北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)數(shù)字標(biāo)本館場(chǎng)景真實(shí)、體驗(yàn)效果好。

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