基于全景技術(shù)的虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的實(shí)現(xiàn)

于興艷　卞琛

摘 要：三百六十度全景技術(shù)是虛擬仿真中場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)方法方向十分重要的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，本文采用基于全景圖像拼接技術(shù)創(chuàng)建全景圖的方法構(gòu)建真實(shí)感侵入感強(qiáng)烈的體驗(yàn)式在線漫游虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室，簡(jiǎn)潔快速得實(shí)現(xiàn)了在線虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的實(shí)景漫游，該系統(tǒng)在烏魯木齊職業(yè)大學(xué)印刷專業(yè)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)中得到使用，對(duì)輔助印刷專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)及其他專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)均具有重要的實(shí)際意義和參考意義。

關(guān)鍵詞：虛擬技術(shù)；全景漫游；圖像拼接

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

1.1 全景技術(shù)概述

全景技術(shù)也稱為全景攝影或者虛擬實(shí)景，是一種基于靜態(tài)圖像在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的一種技術(shù)，它是使用相機(jī)環(huán)360度拍攝的一組或者多組照片通過(guò)無(wú)縫連接的方式拼接成一張全景圖像，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位互動(dòng)式觀看的真實(shí)場(chǎng)景還原展示方式[1]。該技術(shù)所有的數(shù)據(jù)源直接取景于真實(shí)場(chǎng)景，通過(guò)無(wú)縫拼合源圖像實(shí)現(xiàn)360度全景展示，同時(shí)能夠結(jié)合圖片、音視頻及文字等方式，通過(guò)多種瀏覽器或軟件打開(kāi)場(chǎng)景，實(shí)際使用只需操控鼠標(biāo)或鍵盤(pán)即可便捷控制瀏覽虛擬場(chǎng)景的方向，如前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)觀看場(chǎng)景任意角度等，用戶能夠在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行身臨其境的交互觀察和體驗(yàn)。

1.2 全景技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)的三維建模技術(shù)等難度較高的實(shí)現(xiàn)技術(shù)相比，全景技術(shù)的優(yōu)勢(shì)詳見(jiàn)表1。

1.3 全景技術(shù)在教育領(lǐng)域虛擬展示的意義

作為一項(xiàng)新技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為廣大教師提供了一種全新的教學(xué)手段[2]。全景技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膹V泛性，特別是科研方面、虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真校園，虛擬教學(xué)等方面。全景技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為生動(dòng)和逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，親身體驗(yàn)相對(duì)于抽象的理論或文字更能加深鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程。全景技術(shù)在教學(xué)方面的具備極大地優(yōu)勢(shì)。

（1）節(jié)約成本。出于設(shè)備采購(gòu)、場(chǎng)地布置、運(yùn)營(yíng)經(jīng)費(fèi)等多方面因素限制，大學(xué)中很多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器并不能直接購(gòu)置用于學(xué)生教學(xué)，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生能夠感受到逼真的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，獲得與真實(shí)實(shí)訓(xùn)同等的學(xué)習(xí)成效，極大的節(jié)約了教學(xué)及培訓(xùn)的成本。

（2）易于網(wǎng)絡(luò)傳播。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了空間、時(shí)間的限制，學(xué)生足不出戶便可以隨時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)參與專業(yè)學(xué)習(xí)。

（3）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來(lái)的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，環(huán)境可以隨時(shí)修改或根據(jù)需要不斷增加新的設(shè)備儀器，教學(xué)實(shí)踐能夠隨技術(shù)發(fā)展不斷更新，極大的方便了專業(yè)教師教學(xué)資源的儲(chǔ)備與更新。

本文以烏魯木齊職業(yè)大學(xué)虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)為例，系統(tǒng)采用全景技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)訓(xùn)室虛擬展示。通過(guò)虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室環(huán)境供學(xué)生漫游，既實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)室與學(xué)生之間的互動(dòng)交流，增強(qiáng)了在線漫游式的體驗(yàn)感，又可以充當(dāng)能夠移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所，利用交互式網(wǎng)站目錄進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，學(xué)員能夠以遠(yuǎn)距離的直觀學(xué)習(xí)方式加速對(duì)專業(yè)背景的熟悉，與專業(yè)理論相互配合改善學(xué)習(xí)效果。最主要的是，通過(guò)研究全新的虛擬實(shí)訓(xùn)方式，打破原有枯燥教條的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模式，為探索出一條低成本、高效率的實(shí)訓(xùn)之路提供了新的思路，全方位提升了實(shí)訓(xùn)室的虛擬教育服務(wù)功能。

2 虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的具體實(shí)現(xiàn)（Specific method of

virtual printing training room）

2.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程（圖1）

圖1 虛擬印刷室實(shí)訓(xùn)室技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

Fig.1 Virtual printing room training room

technology implementation process

2.2 虛擬印刷室實(shí)訓(xùn)室實(shí)現(xiàn)詳細(xì)步驟

2.2.1 前期準(zhǔn)備：獲取數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)的獲取方式將全景圖的生成分為三類：全景相機(jī)、魚(yú)眼鏡頭、普通數(shù)碼相機(jī)，三者比較優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

本文主要采用第三種普通數(shù)碼相機(jī)結(jié)合三腳架等儀器獲取全景圖像的方法，此方法成本較低，實(shí)現(xiàn)速度快，技術(shù)可行性高。

圖像拍攝是全景系統(tǒng)制作過(guò)程中的非常關(guān)鍵的步驟，圖像采集質(zhì)量的好壞直接影響照片素材數(shù)據(jù)源在后期制作過(guò)程中能否順利進(jìn)行無(wú)縫拼接，所以必須按照一定的規(guī)則拍攝方可。詳細(xì)拍攝方法如下：

①將相機(jī)固定在某點(diǎn)，一般使用三腳架固定，確保相機(jī)圍繞一個(gè)中心點(diǎn)進(jìn)行水平或垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說(shuō)保證拍攝轉(zhuǎn)動(dòng)角度后的圖像均置于同一水平面，經(jīng)濟(jì)許可的情況下最好配置水平儀。相機(jī)大致位于場(chǎng)景的中心位置。

②依次按照旋轉(zhuǎn)相機(jī)，每隔一定的角度拍攝一張圖片，最終獲取一組有序圖像，由于相鄰兩張圖像的重疊區(qū)域是保證圖像無(wú)縫拼接定位的要素，必須確保相鄰圖像的旋轉(zhuǎn)角度有部分重疊。受普通數(shù)碼相機(jī)鏡頭限制，本系統(tǒng)拍攝中環(huán)繞水平一周大致拍攝了14張照片，保證了同一場(chǎng)景的相鄰序列照片有10%—20%的重疊部分。系統(tǒng)第一次水平拍攝一周得到原圖如圖2所示。

圖2 水平拍攝一周得到的數(shù)據(jù)源圖像

Fig.2 The level of the source image data obtained

by shooting circle

③基于水平中間線垂直向上或向下30度—45度調(diào)整相機(jī)，繼續(xù)環(huán)繞水平一周拍攝一組照片，確保新序列數(shù)據(jù)源圖像與第一組水平角度拍攝的照片序列在垂直方向有10%—20%的重疊部分。

④所有拍攝點(diǎn)拍攝完畢后補(bǔ)拍天與地，便于后期合成完整場(chǎng)景。

至此獲取所有數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)后就可以通過(guò)軟件進(jìn)行全景圖的無(wú)縫拼接制作程序。

2.2.2 制作中期：圖像合成與修圖

由于拍攝場(chǎng)景光線條件不足、相機(jī)色彩或曝光度設(shè)置不合理等因素，往往容易導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)效果較差，此時(shí)就需要對(duì)圖像進(jìn)行后期處理。例如可以利用Photoshop等制圖軟件調(diào)整圖像畫(huà)面的曲線、亮度和對(duì)比度等設(shè)置參數(shù)，修復(fù)場(chǎng)景中的不合理部分通過(guò)圖像后期處理得到理想的數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)。

全景圖的拼接原理基于三種模型，分別是球狀投影、柱狀投影與立方體投影，本系統(tǒng)主要利用柱狀投影圖像拼接技術(shù)將序列圖像有序地拼接成一張首尾相接的圖像。其中使用的柱狀全景圖合成原理為：在拼合時(shí)，以一張圖像為參考圖像，將待拼接圖像根據(jù)特征點(diǎn)匹配關(guān)系計(jì)算出的單應(yīng)矩陣進(jìn)行圖像變換，然后再將這兩張圖像拼接起來(lái)，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理可拼接成一張首尾相接的全景圖[3]。采用此方法，圖像的重疊區(qū)域能夠達(dá)到相對(duì)精準(zhǔn)的匹配，重疊區(qū)域自然過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)易，效果良好。

本系統(tǒng)基于柱狀投影合成原理，在垂直方向的每一角度均生成一段子拼合圖像序列，同時(shí)利用樹(shù)狀合成方式，將每段子序列圖像繼續(xù)拼合匹配，能夠進(jìn)一步減少圖像拼接的誤差，最終生成較完備的柱狀球型全景圖，其最直觀的生成方式原理如圖3所示。

圖3 柱狀全景圖合成原理

Fig.3 Cylindrical panorama composite theory

本虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室采用合成全景圖的軟件為圖形拼接軟件PTGui，詳細(xì)操作步驟如下：

（1）打開(kāi)PTGui軟件，單擊菜單中的“文件”--”導(dǎo)入”，將實(shí)驗(yàn)前期拍攝好的數(shù)據(jù)源圖像全部導(dǎo)入至軟件執(zhí)行區(qū)域中。

（2）利用“檢測(cè)”功能設(shè)置參數(shù)，由系統(tǒng)自動(dòng)匹配相鄰圖像之間的關(guān)鍵點(diǎn)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)圖像及邊界圖像之間的索引與距離（圖4），進(jìn)行全景圖預(yù)拼合，如果部分圖片的關(guān)鍵點(diǎn)不能匹配或得到的關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)少導(dǎo)致不能無(wú)縫拼合，則需要在相鄰圖片中手動(dòng)增加多處控制點(diǎn)（圖5），多次實(shí)驗(yàn)直至相鄰圖片匹配精準(zhǔn)為止。最后適當(dāng)調(diào)整圖像視覺(jué)效果與尺寸，單擊“合成全景圖”完成合成。

圖4 相鄰圖像之間的索引與距離

Fig.4 Index and the distance between adjacent images

圖5 手動(dòng)添加控制點(diǎn)

Fig.5 Manually add control points

（3）最后通過(guò)執(zhí)行文件導(dǎo)出命令，輸出合成后的全景圖像（圖6）。至此，完成虛擬實(shí)訓(xùn)室全部數(shù)據(jù)源圖像組的全景拼接工作。

圖6 合成全景圖

Fig.6 Synthesis panorama

（4）將準(zhǔn)備好的全景圖片通過(guò)全景制作軟件pano2vr創(chuàng)建全景漫游程序。

在Pano2VR軟件中，將由PTGUI中生成的全景圖拖動(dòng)到輸入?yún)^(qū)內(nèi)，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別出當(dāng)前全景圖為矩形柱狀全景類型圖。在本步驟中，需要注意的地方是交互熱點(diǎn)的創(chuàng)建。設(shè)置交互熱點(diǎn)可以在不同場(chǎng)景的全景圖中創(chuàng)建鏈接，使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)場(chǎng)景切換的效果。只需單擊交互熱點(diǎn)中的“修改”按鈕，在需要?jiǎng)?chuàng)建熱點(diǎn)的區(qū)域雙擊鼠標(biāo)左鍵，全景區(qū)域中就會(huì)添加新的熱點(diǎn)，然后設(shè)置ID，在“標(biāo)題”欄輸入該熱點(diǎn)的提示文字，在“URL”下拉列表框中選擇需要跳轉(zhuǎn)的場(chǎng)景，就能完成一個(gè)熱點(diǎn)的設(shè)置，在全景系統(tǒng)中可以添加多處熱點(diǎn)，此外，還可以調(diào)整“目標(biāo)”參數(shù)，能夠修改鏈接場(chǎng)景的角度，同時(shí)還可以設(shè)置不同的皮膚文件、導(dǎo)航與雷達(dá)。

全景系統(tǒng)支持生成swf、HTML5等格式的漫游系統(tǒng)，以生成swf格式的漫游系統(tǒng)為例，單擊“輸出”中的“增加”按鈕，自動(dòng)彈出flash輸出設(shè)置對(duì)話框，在此可以調(diào)整像素值以提高系統(tǒng)質(zhì)量，也可添加漫游的穿越過(guò)場(chǎng)效果、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、靈敏度、多邊形熱區(qū)等多種參數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)漫游體驗(yàn)效果，在返回主界面后單擊“創(chuàng)建”按鈕即可生成SWF漫游程序。

圖7 swf版全景漫游系統(tǒng)

Fig.7 Swf wersion panoramic roaming system

如圖7所示swf版全景虛擬實(shí)訓(xùn)室漫游主界面，系統(tǒng)已可以通過(guò)一系列的導(dǎo)航圖標(biāo)來(lái)控制漫游方向。在后期制作的過(guò)程中我們還可以采用插入語(yǔ)音解說(shuō)、圖片、文字介紹，以及flash動(dòng)畫(huà)等方式，使整個(gè)系統(tǒng)功能更加完善。

2.2.3 制作后期：完善漫游系統(tǒng)

為了方便虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)方式的漫游，基于visual studio.net平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)的瀏覽與發(fā)布功能，最終完成B/S模式系統(tǒng)的創(chuàng)建。

3 結(jié)論（Conclusion）

本文通過(guò)烏魯木齊職業(yè)大學(xué)虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的制作實(shí)例，應(yīng)用全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)，使學(xué)生能夠方便快捷的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線漫游，以簡(jiǎn)潔明了的互動(dòng)方式操控虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，更真實(shí)直觀地了解印刷實(shí)訓(xùn)室布局和印刷儀器設(shè)備。該系統(tǒng)構(gòu)建速度快，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，為烏魯木齊職業(yè)大學(xué)的印刷專業(yè)輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了一種全新的方式，對(duì)我校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合起到了很好的推廣、促進(jìn)作用，也為其他專業(yè)的實(shí)訓(xùn)輔助教學(xué)提供了參考。

參考文獻(xiàn)（References）

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[2] 李建榮，孔素真.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)

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[3] 馬杰.360全景圖像拼接技術(shù)研究[D].西南財(cái)經(jīng)大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：

于興艷（1981-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)

發(fā)，多媒體技術(shù).

卞 ?。?981-），男，博士生，講師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)軟件

開(kāi)發(fā).