旅游景區(qū)虛擬現(xiàn)實核心技術(shù)研究

趙善利

摘 要：隨著人們生活水平的提高，旅游已經(jīng)逐漸成為國民提高生活質(zhì)量的必然選擇，人們旅游需求也隨之增加，但受到旅游景區(qū)承載力、閑暇時間、可隨意支配收入、路程、惡劣天氣等主客觀因素的影響，旅游活動的發(fā)生就會受到限制。所以虛擬旅游是新時代下旅游業(yè)成熟發(fā)展的一個必然趨勢。本文在分析和總結(jié)虛擬現(xiàn)實、虛擬旅游的相關(guān)理論基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述設(shè)計、創(chuàng)建和實景區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)的全過程。具體的包括：結(jié)合虛擬旅游的理論分析，對系統(tǒng)總體設(shè)計和細(xì)節(jié)設(shè)計進(jìn)行理論性探討和可行性分析。通過實地考察獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合3DMAX建模軟件和MapGISK9基礎(chǔ)平臺搭建三維場景，借助MapGIS K9數(shù)據(jù)中心集成開發(fā)平臺開發(fā)虛擬旅游系統(tǒng)，最終實現(xiàn)以虛擬景區(qū)導(dǎo)航地圖功能和虛擬景區(qū)三維可視化功能為主的虛擬旅游系統(tǒng)。該系統(tǒng)為景區(qū)提供新的宣傳手段和平臺，同時也驗證了基于MapGIS構(gòu)建旅游景區(qū)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的可行性，為進(jìn)一步做更深入的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬旅游；建模；旅游景區(qū)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5312（2016）36-0269-03

一、技術(shù)研究背景

（一）研究背景

現(xiàn)實旅游和虛擬旅游是旅游體驗獲得的兩種方式，旅游的六大要素和旅游的先決條件著大多數(shù)潛在游客無法變成現(xiàn)實的游客，矛盾促使著旅游的發(fā)展，隨著虛擬旅游研究的不斷深入，虛擬旅游的優(yōu)勢逐漸突顯。它具有著自主性、刺激性、公益性、多感知性、安全性等特點，不受時間、收入、路程、惡劣天氣、旅游團(tuán)體、旅游景區(qū)承載力的限制，隨時可以通過虛擬旅游了解旅游目的地，激發(fā)旅游欲望。虛擬旅游的出現(xiàn)也緩解了一些社會問題，在旅游高峰期降低旅游客流量、保護(hù)景區(qū)的環(huán)境容量、提高旅游安全系數(shù)、豐富人們娛樂生活方式，讓人們各種群體都能感受旅游，實現(xiàn)社會的真正和諧，虛擬旅游的研究具有社會性和必然性。

（二）研究目的

1.通過研究黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)場景的構(gòu)建，總結(jié)基于構(gòu)建三維景區(qū)的理論方法體系和技術(shù)路線，分析這種方法的可行性程度和完善程度，并用實例驗證構(gòu)建的效果，為更好的構(gòu)建三維景區(qū)做借鑒和指導(dǎo)。

2.通過研究黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)的初步實現(xiàn)，用實例驗證基于MapGIS組件式開發(fā)黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)的可行性，將二維和三維在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)，并可實時交互，為河南旅游景區(qū)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)和可行性思路，為更深入研究更復(fù)雜強(qiáng)大的河南旅游景區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)做鋪墊，建立河南旅游景區(qū)成果的展示平臺和宣傳平臺。

（三）研究意義

目前，虛擬旅游研究還尚不成熟。虛擬旅游研究是旅游體系中新興重要的一個分支，是旅游時代和信息時代結(jié)合的產(chǎn)物。本文通過虛擬旅游系統(tǒng)的設(shè)計對虛擬旅游進(jìn)行研究，從實踐中為虛擬旅游的研究發(fā)展方向提供參考，如豐富旅游方式多樣化、旅游景區(qū)營銷理論等。虛擬旅游的理論研究和實踐研究相輔相成，只有具備良好的虛擬旅游的理論基礎(chǔ)，虛擬旅游的開發(fā)和應(yīng)用才能更具有實踐意義，也只有更深入地研究虛擬旅游的應(yīng)用，才能不斷地豐富虛擬旅游的理論體系，提升理論研究的價值。

一方面，由于虛擬旅游是多學(xué)科多產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的綜合應(yīng)用成果，因而虛擬旅游不僅能帶動河南旅游業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，同時也帶動了相關(guān)行業(yè)的研究和發(fā)展。另一方面，研究成果以應(yīng)用于教育領(lǐng)域、旅游規(guī)劃、旅游景區(qū)電子導(dǎo)游系統(tǒng)、河南省導(dǎo)游考試系統(tǒng)等。例如建立虛擬旅游教學(xué)實驗室，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，為河南省旅游業(yè)建設(shè)更好地輸送優(yōu)秀人才。

（四）國內(nèi)虛擬旅游研究現(xiàn)狀

國內(nèi)虛擬旅游研究要遲于國外研究。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，虛擬旅游越來越受到關(guān)注，國內(nèi)學(xué)者對于虛擬旅游的研究更是不甚相同。

我國的虛擬旅游產(chǎn)品的開發(fā)更多的傾向于文化遺產(chǎn)的保護(hù)性研究。例如，2008年由IBM公司同故宮博物院聯(lián)手研發(fā)三年之久的“虛擬紫禁城”正式在互聯(lián)網(wǎng)上展現(xiàn)，“虛擬紫禁城”借助于3D技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)將我國賦予代表性的皇家生活園林生動、精細(xì)的展現(xiàn)出來，系統(tǒng)共有6條游覽路線，將清代的文物、人物、建筑物、生活情景進(jìn)行了仿真模擬，比如欣賞一些皇家生活的場景、斗蚰蛐游戲，選擇導(dǎo)游并與其交流。從1993年敦煌研究院就開始與國內(nèi)外多家單位合作，探索“數(shù)字敦煌”，2009年，敦煌研究院擬投資2.6億建虛擬莫高窟。此外，還有“虛擬圓明園”、“虛擬明孝陵”、“虛擬黃山”等虛擬旅游網(wǎng)站。

（五）研究內(nèi)容

首先，本文分析和總結(jié)虛擬現(xiàn)實、虛擬旅游的相關(guān)理論基礎(chǔ)。然后，將黃河風(fēng)景名勝區(qū)作為研究區(qū)域，收集黃河風(fēng)景名勝區(qū)的自然景觀數(shù)據(jù)、人文景觀數(shù)據(jù)、公園規(guī)劃資料及三維空間數(shù)據(jù)等，對虛擬旅游系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的可行性分析和設(shè)計，借助基礎(chǔ)平臺以及數(shù)據(jù)中心集成開發(fā)平臺開發(fā)虛擬現(xiàn)系統(tǒng)分析法運(yùn)用系統(tǒng)分析法，對虛擬旅游系統(tǒng)的進(jìn)行總體分析和設(shè)計，確定系統(tǒng)的目標(biāo)和功能，然后通過實地調(diào)研收集數(shù)據(jù)，對比分析建模方法等，確定最適合的技術(shù)方法，最終實現(xiàn)黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)的創(chuàng)建。借助三維平臺和建模軟件對物體進(jìn)行分類建模，最終實現(xiàn)以虛擬景點地圖導(dǎo)航功能和虛擬景點三維可視化功能為主的黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)。

（六）研究方法

1.實地調(diào)查法。通過實地調(diào)查法采集數(shù)據(jù)，主要包括到試驗區(qū)采集紋理數(shù)據(jù)、三維景觀數(shù)據(jù)、人文資源數(shù)據(jù)、自然景觀數(shù)據(jù)等，收錄景點介紹材料、景區(qū)平面規(guī)劃圖等。此外，運(yùn)用高像素數(shù)碼相機(jī)采集景區(qū)建筑、景觀園林等紋理數(shù)據(jù)，或者對景點進(jìn)行度拍攝，以便于后期的景區(qū)的復(fù)原和三維場景的構(gòu)建。

2.個案研究法。運(yùn)用個案研究的方法，選擇黃河風(fēng)景名勝區(qū)作為研究對象和研究區(qū)域，通過對該旅游景區(qū)的構(gòu)建虛擬旅游方法的研究，總結(jié)出適合河南構(gòu)建虛擬旅游景區(qū)的理論方法體系和技術(shù)過程。

3.跨學(xué)科研究法?？鐚W(xué)科研究法也稱為“交叉研究法”，虛擬旅游系統(tǒng)的研究涉及旅游學(xué)、地理學(xué)、圖形學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等學(xué)科，這些學(xué)科的綜合應(yīng)用的水平在一定程度上決定了虛擬旅游發(fā)展成熟的程度，因此采用跨學(xué)科研究法對虛擬旅游的研究非常必要。

4.系統(tǒng)分析法。運(yùn)用系統(tǒng)分析法，對虛擬旅游系統(tǒng)的進(jìn)行總體分析和設(shè)計，確定系統(tǒng)的目標(biāo)和功能，然后通過實地調(diào)研收集數(shù)據(jù)，對比分析建模方法等，確定最適合的技術(shù)方法，最終實現(xiàn)黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)的創(chuàng)建。

二、視頻技術(shù)實現(xiàn)

通常人眼肉眼看到的真實場景是有深度和層次的立體場景，而我們所說的 3D游戲或電影，并非真正的 3D立體效果，因為使用2D屏幕并且電影拍攝時使用的攝像機(jī)也是用的單鏡頭，因此即時是使用 3D的技術(shù)制作出的電影，輸出到屏幕顯示也是平面的，這種3D我們稱為平面 3D。做一個簡單的實驗，伸出一只手指，放在眼前任意位置，然后左右眼分別交替睜開與閉上，就會發(fā)現(xiàn)，左右眼看到的景象是不同，雖然差別細(xì)微，但還是可以清楚的分辨出來，而出現(xiàn)這種的原因就是視覺差（parallax）。而3D立體實現(xiàn)就是將這種視覺差維持在屏幕上連續(xù)出現(xiàn)，就是利用這種方式觀眾就能能夠看到3D立體的場景。3D 效果的實現(xiàn)就是利用模擬人兩只眼睛看到稍有不同的景象的視覺差而實現(xiàn)的。

（一）兩種立體投影方案

手持式顯示器、頭盔式顯示器、立體投影顯示設(shè)備及立體顯示是現(xiàn)在主流的3D投影顯示設(shè)備。前三種方法雖然都能達(dá)到立體顯示的效果，但是由于立體景象受到顯示設(shè)備的限制，所以只能是很有限的人員能夠參與其中。然而立體的投影設(shè)備卻能將由計算機(jī)生成的立體場景通過三維投影儀投影到顯示屏幕或者墻面上，用戶需要通過佩戴立體效果眼鏡的方式來對投影的三維立體場景進(jìn)行觀看，并能夠允許多用戶同時參與。目前，立體的顯示方式，三維立體投影主要可分為被動的立體投影和主動立體投影兩種。

被動立體投影的方式主要是使用驅(qū)動程序?qū)ψ笥已蹐D像的信息同時渲染，一般是通過雙頭輸出的顯卡來進(jìn)行同步和輸出。原理是：在保持計算機(jī)信息特性不發(fā)生變化下，先把圖像在信號分轉(zhuǎn)設(shè)備上輸出，再連接具有立體功能的兩臺投影儀輸出到屏幕上。能夠輸出左右眼圖像，要求兩臺投影儀具有同性能、同配置、同品牌。如果是多通道的，則還需要有多臺投影儀。在投射的左眼圖像投影儀前面加偏正鏡，在投射右眼的圖像投影機(jī)前面也加偏振片，但是旋轉(zhuǎn)角度為90度，用來產(chǎn)生在垂直方向的偏振圖像。用戶就可以通過戴上被動立體眼鏡來獲得逼真的立體效果。根據(jù)偏正的原理，兩只眼分別只能看到各自圖像的信息。這種方式，兩個鏡片不需要進(jìn)行頻繁的切換開關(guān)，因此不會產(chǎn)生不適或閃爍不良反應(yīng)。

（二）雙通道立體投影

我校已經(jīng)具備3D影視播放廳，可以實現(xiàn)多人參與，良好的視覺效果，本課題研究圍繞一種基于偏正眼鏡的被動式雙通道立體投影方案進(jìn)行。

雙通道立體投影用戶機(jī)用來產(chǎn)生左右眼圖像，再經(jīng)過融合機(jī)融合處理，生成適用寬屏投影的影像對，然后再傳輸?shù)搅Ⅲw轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換器將融合機(jī)融合的圖像分解為兩路信息用來投影顯示。能夠產(chǎn)生逼真的立體效果，使觀察者有很強(qiáng)沉浸感。

三、系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

此項目開發(fā)的播放引擎其中一個很重要的功能是漫游，在關(guān)鍵技術(shù)研究之外，本文還實現(xiàn)了方便的漫游器，使用者可以使用鼠標(biāo)或者鍵盤來控制視點和方位，實現(xiàn)自由漫游。除此之外，實現(xiàn)了3D立體播放，天氣的變化，運(yùn)行環(huán)境屏幕分辨率的設(shè)置等功能。

（一）漫游功能的實現(xiàn)

在三維場景漫游程序中，場景漫游器實現(xiàn)的原理都是通過鼠標(biāo)和鍵盤對視點的完美控制完成的。在場景圖中提供了osgGA：：MatrixManipulator類對視點進(jìn)行操作控制，該類是抽象的基類，它定義了一些最基本的函數(shù)體。使用戶可以通過繼承該類，并且重載相應(yīng)的函數(shù)來響應(yīng)事件（GUI），從而達(dá)到控制視點的位置、方向。

由于該類是繼承自osgGA：： GUI EventHandler，因而它還具有捕獲鍵盤鼠標(biāo)的功能在 osgGA 庫中，處理事件的類 osgGA：：GUIEventHandler 提供了窗口的 事件GUI接口。在編寫程序時候，實現(xiàn)并繼承了該類的子屬類，用來實現(xiàn)自己定義的事件GUI處理。繼承GUI事件類的時候，重新實現(xiàn)它的 handle（）虛函數(shù)就可以了。

（二）場景求交

在三維場景中，不論是模型操作還是最終的播放瀏覽，有很多地方都需要進(jìn)行場景求交運(yùn)算，比如模型的批量生成，模型選擇，模型面選擇，甚至還有碰撞檢測等。場景圖的函數(shù)庫osgGA 提供 InterSector 類用做求交運(yùn)算。osgUtil：：Intersector 是個虛函數(shù)類，它提供相應(yīng)的相交測試接口，在相交測試的時候，要將該類的派生類的對象傳遞給 osgUtil：：interSection-Visitor 對象，并通過請求對象返回數(shù)據(jù)來獲取求交運(yùn)算的結(jié)果。

類osgUtil：：InterSector具有四個派生類 ，PlaneInterSector 是用來做檢測平面度的相交運(yùn)算的類，其中InterSectorGroup是用于多重求交，PolytopeIntersector是用來檢測多個面體的相交運(yùn)算的類，LineSegeMentInterSector則是用來檢測三維場景圖形與線段的相交狀況的類。

（三）模塊界面具體功能的實現(xiàn)及展示

主界面的框架使用vc++ 基于對話框的MFC編程實現(xiàn)，在主對話框上添加各個功能按鈕實現(xiàn)播放引擎的各種功能，同時使用OSG的example的osgMFC事例實現(xiàn)MFC與OSG開源庫的結(jié)合，實現(xiàn)了通過對話框來對場景模型的操作。

1.模型文件的加載。該播放引擎是基于對話框的MFC框架與OSG庫結(jié)合，可以實現(xiàn)添加多個ive或者osg模型文件，然后有選擇的實現(xiàn)場景模型的加載（可重新加載）并渲染出場景，關(guān)閉文件則實現(xiàn)當(dāng)前場景的退出，如果要實現(xiàn)程序的退出可以直接單擊退出按鈕；添加文件的事件處理函數(shù)OnBnClickedAddfile（），調(diào)用系統(tǒng)的打開文件對話框（CFileDialog），定義文件過濾字符串保存播放器支持的文件類型，之后調(diào)用CFileDialog的GetNextPathName獲得需要加載的文件的名，最后調(diào)用自己實現(xiàn)的模型加載函數(shù)LoadFile實現(xiàn)模型的加載。

2.雨雪效果的實現(xiàn)。要實現(xiàn)在場景中下雨和下雪這些天氣的變化，就要利用到osg中粒子系統(tǒng)?；趏sg中的粒子系統(tǒng)，在模型天氣現(xiàn)象方面具有特別好的效果，粒子系統(tǒng)通過結(jié)合空間的扭曲能對粒子流產(chǎn)生阻力，風(fēng)力重力等仿真影響，有效的再現(xiàn)三維場景中的雨雪等天氣景象，產(chǎn)生逼真的視覺效果 。

在OSG中，我們可以利用其中專門的粒子工具，來實現(xiàn)我們想要的天氣效果。為此特別定義了新的名字空間osgParticle，用來處理粒子系統(tǒng)的特效模擬，對經(jīng)常使用的粒子系統(tǒng)OSG工作者都做了專門的類.我們可以在OSG預(yù)定義的粒子系統(tǒng)中，看到大部分的粒子系統(tǒng)模擬都是采用布告板（Billboard）與色彩融合（ColorFusion）技術(shù)產(chǎn)生粒子，它能夠模擬粒子系統(tǒng)，產(chǎn)生逼真的視覺效果。

3.調(diào)整屏幕分辨率。播放引擎成功運(yùn)行后，加載場景模型（ive或osg文件）之前，需要配置電腦屏幕的分辨率，以便讓3D 投影儀在環(huán)形屏幕上合成具有3D 視覺效果的場景。程序中的調(diào)整屏幕分辨率按鈕，可以自動設(shè)定所需要的屏幕分辨率2048*768。并在程序退出后恢復(fù)到原來的屏幕分辨率。

四、結(jié)論

本文著重研究了場景游覽播放引擎中的幾個關(guān)鍵技術(shù)，主要有漫游技術(shù)，包括手動漫游研究漫游器，求交器，使用場景圖開發(fā)了交互和底層渲染。所取得的成果和做的工作總結(jié)如下：

（1）需求分析是各項工作向下開展的前提，因此在系統(tǒng)設(shè)計之初，要站在使用者的角度對系統(tǒng)的各項功能要求做出細(xì)致的思考分析。

（2）系統(tǒng)設(shè)計是繼需求分析之后的又一重要階段，在系統(tǒng)設(shè)計階段，著重就在需求分析階段所形成的需求，模塊化、功能化、細(xì)化為系統(tǒng)所要實現(xiàn)的各個模塊。

（3）三維模型是播放引擎的對象，為瀏覽和分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4）程序可以修改電腦的屏幕分辨率。

（5）實現(xiàn)了天氣的模擬變化。

（6）實現(xiàn)了場景文件的單雙屏播放模式的切換。

（7）使用被動式雙通道立體投影方案，通過 OSG 實現(xiàn)了立體顯示。

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