虛擬全景技術(shù)在工程實踐教學(xué)平臺開發(fā)中的應(yīng)用

李岳　蔡靖　宗一鳴　宋歌

摘要：應(yīng)用虛擬全景技術(shù)開發(fā)工程實踐教學(xué)平臺，通過高精度影像采集、全景合成與視角重構(gòu)，將以往難以親身到達的飛行區(qū)跑道周邊環(huán)境在教室計算機終端屏幕重構(gòu)展示，為學(xué)生提供身臨其境般的學(xué)習(xí)體驗，使學(xué)生能夠?qū)Φ烂娌『π纬膳c修復(fù)過程有系統(tǒng)完整地認識。該教學(xué)平臺以智能手機作為運行終端，可直觀動態(tài)顯示全景影像，有效提升課堂展示效果，強化課堂交流和互動參與。演示方式貼近學(xué)生使用習(xí)慣，教學(xué)內(nèi)容分享傳播更加便捷，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)和工程能力提升。

關(guān)鍵詞：虛擬全景技術(shù)；教學(xué)平臺；工程實踐

中圖分類號：TU3-4；G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0173-04

實踐教學(xué)是培養(yǎng)土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才的重要基礎(chǔ)，要求學(xué)生對工程現(xiàn)場環(huán)境和施工技術(shù)有深入了解。然而，受教學(xué)大綱和經(jīng)費條件的限制，目前仍以課堂教學(xué)為主，內(nèi)容枯燥形式單一，造成理論學(xué)習(xí)與應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生畢業(yè)后難以快速適應(yīng)工程現(xiàn)場要求。

虛擬全景技術(shù)（Virtual Panoramic）的快速發(fā)展為創(chuàng)新實踐教學(xué)提供了一種新的表現(xiàn)方式。該技術(shù)以目標場景下某一高度為觀察者中心，通過多角度靜態(tài)影像拼接，構(gòu)建環(huán)視360°和垂直方向360°的全視覺效果[1]。與傳統(tǒng)平面照片相比，虛擬全景不受單次拍照焦距與視角限制，圖像信息量更加豐富，適合表現(xiàn)大空間工程現(xiàn)場環(huán)境[2]。利用上述特點，可將一些高危險性的工程現(xiàn)場全貌，或是學(xué)生難以親身前往的施工作業(yè)區(qū)域（如機場跑道修復(fù)、盾構(gòu)隧道開挖等）在教室內(nèi)進行實景重現(xiàn)，使學(xué)生仿佛置身其中，進而開展實踐教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗。

據(jù)此，筆者開發(fā)了基于虛擬全景技術(shù)的工程實踐教學(xué)平臺，將其應(yīng)用于道路與場道工程課程教學(xué)。在圖像拼接與變形控制、觀察視角與方位重構(gòu)、演示方式與硬件終端等方面進行技術(shù)改進和創(chuàng)新。以低成本實現(xiàn)真實的工程現(xiàn)場體驗和交互感受，全景展現(xiàn)機場跑道病害形成與損傷修復(fù)過程，以豐富實踐教學(xué)內(nèi)容，促進學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

一、工程實踐教學(xué)平臺設(shè)計

目前常用的全景制作軟件，主要是根據(jù)相鄰圖片重疊區(qū)域判定相對位置，進行全景畫面的縫合拼貼[3-4]。由于缺乏圖像變形控制措施，難以準確還原拍攝視角與觀察方位，影響了全景畫面精度和空間體驗效果[5]。在虛擬全景體驗方面，現(xiàn)有技術(shù)主要依托桌面臺式計算機平臺，體驗者需要通過滑動鼠標或鍵盤操作調(diào)整觀察角度。由于顯示器位置固定，使用感受類似在平面內(nèi)拖動一張大幅照片，限制了全景影像立體展示效果的發(fā)揮[6]。

針對上述問題，以智能手機作為運行終端，開發(fā)工程實踐教學(xué)平臺客戶端程序。實時采集和分析手機內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)觀測坐標記錄和觀察視角重構(gòu)功能；借助手機屏幕動態(tài)查看全景影像，與教室投影設(shè)備畫面共享，改進傳統(tǒng)虛擬全景制作流程與操作方式。通過編制Java程序模塊完善客戶端功能，滿足課堂教學(xué)提問、分組討論和結(jié)果展示等環(huán)節(jié)需要。

實踐教學(xué)平臺客戶端開發(fā)流程如圖1。

二、實踐教學(xué)平臺功能與實施

（一）道面信息采集

分析機場道面運行狀況與病害分布規(guī)律，選取有代表性的觀測點進行圖像采集。采集內(nèi)容包括修復(fù)前的道面損傷圖像和修復(fù)后的工作情況，以及施工過程視頻資料。使用的器材包括可變焦數(shù)碼相機、智能手機和三腳架。圖像采集過程中，保持三腳架對齊觀測點且與地面垂直，數(shù)碼相機和手機并列固定于三角架頂部云臺上，拍攝過程中保持兩者相對位置不變。選取35 mm作為拍攝焦距，此時照片視角約為63°，與人眼視角最為接近，如圖2。

以60°為界限對全景投影球面進行劃分，計算球面坐標系下各幀照片拍攝方位和俯仰角參數(shù)。按照順時針和自上而下的順序，調(diào)節(jié)云臺螺桿逐幀旋轉(zhuǎn)拍攝全景影像原始素材，每幀圖像多出的3°視角用途在下一小節(jié)說明。

通過客戶端程序讀取手機陀螺儀和重力傳感器實時數(shù)據(jù)（拍攝方位等同于相機），保證觀測視角與理論計算結(jié)果一致，提高全景圖像采集精度。借助手機GPS坐標信息和飛行區(qū)CAD平面圖，確定當前觀測點位置。

（二）全景影像合成

將計算球面坐標系下各幀畫面拍攝方位與照片素材一一對應(yīng)，完善觀察視角基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用Adobe公司的Photoshop圖像軟件對各幀照片的亮度、飽和度與對比度指標進行微調(diào)，減緩迎光面與背光面光照角度和光照強度差異，獲得曝光水平均勻連續(xù)的圖像素材。運用PhotoStich軟件對圖片素材進行排序合成（Arrangement and Merge），相鄰兩幀畫面之間1.5°視角重疊范圍可滿足搭接匹配需要，最后通過軟件自帶瀏覽器對編輯完成后的球面全景效果進行檢查和修正，如圖3。

（三）全景展示與教學(xué)應(yīng)用

虛擬全景體驗可在智能手機上完成，使用者通過轉(zhuǎn)身和抬手等姿態(tài)變化，影響手機內(nèi)置陀螺儀和重力傳感器實時數(shù)據(jù)，客戶端程序自動計算和判定手機屏幕在當前球面坐標系下的觀察方位，進而刷新顯示內(nèi)容，使用者可 “透過”屏幕直觀動態(tài)地查看飛行區(qū)道面全景圖像。借助觸控拖拽和雙指縮放等操作，還可實現(xiàn)對特定角度的細部觀察，從而獲得理想的現(xiàn)場體驗。

當應(yīng)用于課堂實踐教學(xué)時，將手機Micro USB連接投影設(shè)備VGA接口，使學(xué)生能夠通過大屏幕實時觀看教師操作過程和全景影像，學(xué)生體驗感受對教師形成正向反饋，構(gòu)成完整的互動教學(xué)流程，如圖4。

以某機場滑行道水泥混凝土道面病害分析與修復(fù)問題為例，應(yīng)用虛擬全景技術(shù)平臺開展實踐教學(xué)，如圖5所示。具體流程如下：

（1）首先通過客戶端程序調(diào)取滑行道觀察點全景影像資料，教師講解周邊基本環(huán)境，組織學(xué)生觀察滑行道兩側(cè)道面損傷類型、病害程度與分布。

（2）結(jié)合設(shè)計規(guī)范中關(guān)于道面板最不利受荷位置規(guī)定，分析滑行道上飛機輪載作用特征，以5～6人分組討論道面病害成因，教師匯總各組意見并點評。

（3）分組研究病害對策，探討短期修復(fù)施工方法，組織學(xué)生觀看視頻及圖像資料，了解實際施工設(shè)備與工藝。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)施工效果，提出長期根本性的解決方案，最終完成道面維護與修復(fù)實踐。

三、工程實踐教學(xué)平臺特色分析

（一）完善優(yōu)化全景影像采集方法

傳統(tǒng)工程現(xiàn)場照片采集容易受到相機鏡頭性能限制，單次拍攝視角狹窄，多幅圖像連續(xù)拼接精度與視角定位難以得到準確控制。

對此，建立了投影視角球面坐標系統(tǒng)，對全景投影面進行分段劃分，精確計算圖像采集焦距和拍攝方位，改進全景影像變形控制水平與還原效果，實現(xiàn)對飛行區(qū)道面環(huán)境的真實再現(xiàn)。通過該方法采集的全景影像貼近人類肉眼觀察視角，可滿足實踐教學(xué)應(yīng)用需要，為學(xué)生提供豐富的工程環(huán)境信息。

（二）創(chuàng)新虛擬全景體驗與展示平臺

與目前熱門的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）相比，虛擬全景影像無需實時生成復(fù)雜的三維數(shù)字場景，大大降低了對硬件設(shè)備圖像性能的要求。

與另一類增強現(xiàn)實（Augmented Reality）技術(shù)相比，虛擬全景體驗無需昂貴的專用眼鏡設(shè)備，以目前較為普及的智能手機作為教學(xué)應(yīng)用和展示平臺，擺脫了傳統(tǒng)固定臺式計算機演示手段的限制，充分發(fā)揮了智能終端硬件優(yōu)勢，提高了全景體驗的互動參與水平。虛擬全景體驗綜合硬件投入和技術(shù)開發(fā)難度更低，更適合在實踐類課程教學(xué)中推廣。

（三）豐富教學(xué)手段、方便知識共享

發(fā)揮虛擬全景靜態(tài)畫面和施工視頻動態(tài)表現(xiàn)優(yōu)勢，整合多種教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生建立工程結(jié)構(gòu)損傷與外部荷載作用的相關(guān)性，提高分析和解決實際工程問題的能力。所開發(fā)的客戶端程序可滿足個人學(xué)習(xí)體驗和課堂集體教學(xué)需要，教學(xué)內(nèi)容的分享和傳播更加方便，教學(xué)方式貼近學(xué)生生活習(xí)慣和學(xué)習(xí)需要，學(xué)生自主參與性和學(xué)習(xí)興趣明顯提高。

四、結(jié)語

基于虛擬全景技術(shù)開發(fā)的工程實踐教學(xué)平臺，實現(xiàn)了在室內(nèi)教學(xué)環(huán)境下對工程現(xiàn)場環(huán)境的全景體驗，提升了課堂互動和參與水平，使學(xué)生能夠?qū)C場道面病害形成和修復(fù)過程形成系統(tǒng)認識，促進自主能動性和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力。

參考文獻：

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