漫游系統(tǒng)功能現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究

江宏　吳瑩瑩

摘? 要：漫游系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用形式，自從上世紀(jì)90年代漫游系統(tǒng)出現(xiàn)以來(lái)，漫游功能的實(shí)現(xiàn)成為眾多開(kāi)發(fā)者研究的對(duì)象。文章綜合自上世紀(jì)90年代至今來(lái)自知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)于漫游系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)，分析歸納漫游功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，得出全景漫游和虛擬漫游兩條主線，并對(duì)兩條技術(shù)路線的漫游系統(tǒng)進(jìn)行比較研究，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)，為今后漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);全景漫游;虛擬漫游;比較研究

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0072-04

Research on Functional Reality Technology of Roaming System

JIANG Hong，WU Yingying

（Electronic Information Engineering，Anhui Business College，Wuhu? 241002，China）

Abstract：Roaming system is an important application form of virtual reality technology. Since the roaming system appeared in the 1990s，the realization of roaming function has become the research object of many developers. This study integrated since the 1990s from CNKI database related literature about roaming system，analysis of induction roaming function implementation of technical route，it is concluded that the panoramic roaming and virtual roaming the two main line，and the two technical route of a comparative study on roaming system，summarizes the advantages and disadvantages，roaming system for the future development to provide the reference.

Keywords：virtual reality;panoramic roaming;virtual roaming;comparative study

0? 引? 言

本文是基于校內(nèi)三平臺(tái)兩基地項(xiàng)目“AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)在移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用”的研究成果。漫游系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重要應(yīng)用形式，在信息傳播、圖形圖像研究、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。漫游系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┮?、?tīng)、觸、味等多感官信息，可以與用戶產(chǎn)生一定程度的交互行為，可以呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，也可以提供意象虛擬場(chǎng)景，從而為用戶提供具有沉浸性、交互性、意象性的體驗(yàn)感。

筆者以中國(guó)知網(wǎng)中的期刊數(shù)據(jù)庫(kù)作為所研究的數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用高級(jí)檢索功能，以“漫游系統(tǒng)”作為主題關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，共搜集相關(guān)期刊文獻(xiàn)1 680篇，最早的研究開(kāi)始于1993年，進(jìn)入2000年后，每年相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量快速增長(zhǎng)，并于2017年左右達(dá)到頂峰，如圖1所示。

篩選搜集到“漫游系統(tǒng)”主題文獻(xiàn)，其中以漫游功能實(shí)現(xiàn)為主要內(nèi)容的期刊文獻(xiàn)共計(jì)646條。分析整理漫游功能實(shí)現(xiàn)路徑方法，可歸納總結(jié)漫游系統(tǒng)中漫游功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線總體分為兩條：

（1）以全景照片或全景視頻為主要資源素材進(jìn)行后期合成，實(shí)現(xiàn)漫游功能;

（2）以虛擬仿真模型為主要資源素材，通過(guò)場(chǎng)景構(gòu)建、虛擬仿真實(shí)現(xiàn)漫游功能[1]。

本研究接下來(lái)的內(nèi)容就兩種技術(shù)路線所運(yùn)用到的技術(shù)、特征以及效果進(jìn)行比較分析。

1? 虛擬漫游技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1? 地產(chǎn)行業(yè)

隨著全景漫游技術(shù)的成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于房地產(chǎn)市場(chǎng)[2]。房地產(chǎn)售樓部競(jìng)相推出VR看房的功能，鏈家、貝殼網(wǎng)、365淘房網(wǎng)等大型房地產(chǎn)類APP也推出了線上VR看房功能。該功能主要是在樣板房或準(zhǔn)備銷售的二手房?jī)?nèi)拍攝全景圖片，再進(jìn)行后期合成，交互功能設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)漫游功能。VR看房能夠比圖片文字的介紹更加真實(shí)、形象。近期由于冠狀病毒肺炎疫情肆虐，VR看房為房地產(chǎn)行業(yè)帶來(lái)一縷曙光，必將成為今后房地產(chǎn)業(yè)營(yíng)銷不可或缺的重要手段。

1.2? 旅游行業(yè)

虛擬漫游在旅游行業(yè)的應(yīng)用形式多樣，種類繁多，國(guó)內(nèi)外有眾多典型案例。加拿大早在2014年左右建成虛擬漫游博物館平臺(tái)系統(tǒng)，在系統(tǒng)將眾多中小博物館以360°全景圖片的形式在網(wǎng)上呈現(xiàn)，用戶可通過(guò)終端設(shè)備調(diào)整角度和位置，達(dá)到沉浸體驗(yàn)效果[3]。在國(guó)內(nèi)，眾多名勝風(fēng)景區(qū)，如華山、北京故宮、泰山等風(fēng)景區(qū)均推出了虛擬旅游服務(wù)[4]。在生活節(jié)奏日益加快的今天，虛擬旅游市場(chǎng)將日益壯大。

1.3? 教育領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在模擬教學(xué)情境的功能上，虛擬漫游系統(tǒng)可以構(gòu)建因客觀因素限制而無(wú)法構(gòu)建的場(chǎng)景，營(yíng)造逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于加強(qiáng)環(huán)境對(duì)于學(xué)習(xí)者的刺激反饋，幫助學(xué)習(xí)者加深認(rèn)知，構(gòu)造知識(shí)。早在上世紀(jì)90年代，天津大學(xué)就開(kāi)發(fā)了虛擬校園漫游系統(tǒng)，同濟(jì)大學(xué)也對(duì)園林類場(chǎng)景進(jìn)行虛擬建模，幫助學(xué)生加強(qiáng)認(rèn)識(shí)。此外，虛擬漫游技術(shù)也在中小學(xué)教育，如古詩(shī)詞教學(xué)、歷史教學(xué)等特殊學(xué)科領(lǐng)域存在廣泛應(yīng)用。

1.4? 文化傳播

虛擬漫游系統(tǒng)中包含圖片、文字、聲音、視頻等多種信息媒介，相對(duì)于單一信息媒介，虛擬漫游系統(tǒng)展現(xiàn)力更好，吸引性更強(qiáng)，其沉浸性和交互性特征必將會(huì)帶來(lái)更加強(qiáng)烈的影響效果，是未來(lái)不可或缺的文化傳播手段，例如慶祝新中國(guó)成立70周年大型成就展網(wǎng)上展館是基于全景漫游技術(shù)制作的漫游系統(tǒng)[5]。

2? 全景漫游技術(shù)路線

全景漫游技術(shù)又可稱為360°全景漫游或720°全景漫游，是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)等基礎(chǔ)學(xué)科而產(chǎn)生的新技術(shù)。全景漫游（又稱為實(shí)景漫游）是基于相機(jī)拍攝的真實(shí)場(chǎng)景合成的，所展示的內(nèi)容均是現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的場(chǎng)景。目前主要應(yīng)用于房地產(chǎn)、展覽館等紀(jì)實(shí)類漫游項(xiàng)目。

全景漫游技術(shù)流程如圖2所示。

流程具體包括以下環(huán)節(jié)：

第一，模型選擇。全景畫面的形成原理是通過(guò)相機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拍攝，獲得環(huán)繞的立體全景圖像。根據(jù)旋轉(zhuǎn)維度的不同，全景圖像模型可分為三種形式：立方體全景、柱形全景、球形全景[6]。其中球形全景圖像體驗(yàn)效果最佳，但制作也最為復(fù)雜;

第二，圖像采集。在圖像采集環(huán)節(jié)中，可根據(jù)選擇的全景圖模型，采集合適的圖像進(jìn)行拼接合成。全景圖像采集方法眾多，可通過(guò)單反相機(jī)配合云臺(tái)進(jìn)行不同角度拍攝，也可通過(guò)魚眼鏡頭雙向拍攝，還可以通過(guò)全景攝像頭進(jìn)行拍攝。隨著采集設(shè)備迭代，圖像采集將會(huì)愈發(fā)簡(jiǎn)便;

第三，圖像拼接。第二環(huán)節(jié)所拍攝的素材需要通過(guò)軟件進(jìn)行拼接，合成為特殊格式的素材。目前市面上全景圖合成軟件眾多，其中PTGui可根據(jù)所選擇的全景圖模型進(jìn)行圖像合成，功能齊全，較為普及[7];

第四，基于開(kāi)發(fā)軟件的全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建。當(dāng)全景圖素材準(zhǔn)備完畢，導(dǎo)入開(kāi)發(fā)軟件即可進(jìn)行交互功設(shè)計(jì)等其他功能實(shí)現(xiàn)。目前支持全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建的軟件有krpano、Pano2VR、Unity3D等;

第五，系統(tǒng)構(gòu)建完成后即可導(dǎo)出，進(jìn)行應(yīng)用體驗(yàn)。

3? 虛擬漫游系統(tǒng)技術(shù)路線

虛擬漫游技術(shù)又稱虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)，是基于三維模型實(shí)時(shí)渲染技術(shù)而形成的新技術(shù)。相較于全景漫游，虛擬漫游最大的特點(diǎn)是其展示的場(chǎng)景是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者意象而來(lái)。這種意象可以現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景作為原型根據(jù)，也可以是自身天馬行空的想象，不受約束，只需將所想的模型通過(guò)三維建模軟件構(gòu)建出來(lái)即可。虛擬漫游系統(tǒng)技術(shù)路線如圖3所示。

虛擬漫游技術(shù)包含以下環(huán)節(jié)：

第一，需根據(jù)系統(tǒng)需求構(gòu)建場(chǎng)景模型。構(gòu)建場(chǎng)景模型有多種方法，我們常見(jiàn)的方法是基于幾何的建模方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制幾何物體，記錄三維物體點(diǎn)、線、面等基本幾何元素信息。此外，還有基于點(diǎn)云的建模技術(shù)和基于參數(shù)化的建模技術(shù)。前者是目前常說(shuō)的激光建模，適用于大型虛擬場(chǎng)景的建模，后者是通過(guò)控制參數(shù)來(lái)修改幾何對(duì)象特征的輔助建模技術(shù);

第二，為了保證建立的模型更加真實(shí)，營(yíng)造逼真的仿真效果，設(shè)計(jì)者需要對(duì)模型進(jìn)行貼圖，即給模型對(duì)象附加紋理。例如，在3D Max幾何建模方法中，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)UV面展開(kāi)的形式將片面紋理圖形附加在三維幾何模型上。將第一步建好的模型導(dǎo)出為特殊格式，成為場(chǎng)景素材，導(dǎo)入到合適的開(kāi)發(fā)軟件中;

第三，模型導(dǎo)出和導(dǎo)入。模型構(gòu)建并且完成貼圖工作后，設(shè)計(jì)者可以將模型導(dǎo)出為合適格式，以便能夠順利導(dǎo)入到合適的開(kāi)發(fā)引擎中進(jìn)行下一步系統(tǒng)設(shè)計(jì);

第四，開(kāi)發(fā)引擎中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要有合適的軟件支持開(kāi)發(fā)，通常這些軟件被稱為開(kāi)發(fā)引擎。目前市場(chǎng)上的主流開(kāi)發(fā)引擎有Unity3D、Unreal，除此之外，還有VRML、VRTools、VRP、Minecraft等;

第五，系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)引擎中構(gòu)建完成即可進(jìn)行測(cè)試導(dǎo)出，成為應(yīng)用程序。

4? 全景和虛擬漫游技術(shù)比較分析

針對(duì)全景漫游系統(tǒng)和虛擬漫游系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)查和體驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，兩者在開(kāi)發(fā)與體驗(yàn)上存在共性，也有各自特征，值得細(xì)致分析，幫助用戶和開(kāi)發(fā)者選擇合適的方式，開(kāi)發(fā)合適的漫游系統(tǒng)。

4.1? 開(kāi)發(fā)難度比較分析

在開(kāi)發(fā)過(guò)程上，虛擬漫游技術(shù)依托幾何建模所形成的場(chǎng)景模型，建模法應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但開(kāi)發(fā)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。進(jìn)行虛擬漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要完成建模、貼圖、渲染導(dǎo)出、交互合成等多道工序，每道工序?qū)﹂_(kāi)發(fā)者專業(yè)能力有較高要求，開(kāi)發(fā)難度較高，耗時(shí)較長(zhǎng)，還原真實(shí)場(chǎng)景較為困難。此外，開(kāi)發(fā)的場(chǎng)景還原度和數(shù)據(jù)量成正比關(guān)系，還原度越高的模型數(shù)據(jù)量越大，漫游是通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染所呈現(xiàn)的，大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染對(duì)硬件要求高。

全景漫游技術(shù)是近年來(lái)新興的虛擬漫游實(shí)現(xiàn)方法，試圖在未來(lái)替代依托幾何建模的虛擬漫游技術(shù)。該技術(shù)依托相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行合成，形成全景圖片，將全景圖片導(dǎo)入交互合成軟件，開(kāi)發(fā)合成漫游系統(tǒng)。該技術(shù)自動(dòng)化程度較高，實(shí)現(xiàn)技術(shù)相較于虛擬漫游技術(shù)較為簡(jiǎn)單，但對(duì)采集設(shè)備有一定要求。

從開(kāi)發(fā)難度上進(jìn)行分析，全景漫游技術(shù)相較于虛擬漫游技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)。

4.2? 體驗(yàn)效果比較分析

4.2.1? 沉浸性

全景漫游所呈現(xiàn)的是實(shí)景圖像，場(chǎng)景還原度高，但是圖像依然是二維圖形，其本質(zhì)是二維圖形的環(huán)繞視覺(jué)體驗(yàn)，缺乏縱深感，沉浸性不足。虛擬漫游所呈現(xiàn)的是虛擬模型，隨著幾何建模技術(shù)的日趨成熟，建模還原度越來(lái)越高，近乎可以做到以假亂真，在三維場(chǎng)景模型中，用戶可以第一人稱視角在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)漫游效果，真正實(shí)現(xiàn)三維漫游，沉浸感強(qiáng)。

4.2.2? 意象性

意象性是指的是用戶沉浸在虛擬場(chǎng)景中獲取新的知識(shí)，并與場(chǎng)景環(huán)境產(chǎn)生交互反饋，從而萌發(fā)新的聯(lián)想，該種聯(lián)想可以通過(guò)虛擬場(chǎng)景表現(xiàn)出來(lái)。全景漫游由于所呈現(xiàn)的是客觀圖片，源于現(xiàn)實(shí)，其意象性表現(xiàn)需通過(guò)前期全景圖片合成時(shí)添加影視特效，意象性較弱。虛擬漫游場(chǎng)景模型本就是虛擬模型，模型根據(jù)開(kāi)發(fā)者主觀意象而來(lái)，變化性較強(qiáng)，所開(kāi)發(fā)的虛擬漫游系統(tǒng)意象性強(qiáng)。

4.2.3? 交互性

全景漫游系統(tǒng)和虛擬漫游系統(tǒng)所使用的終端設(shè)備大體相同，交互方法近乎一樣，從交互內(nèi)容上來(lái)說(shuō)，兩者交互所涉及的媒體包括聲音、圖片、文字、動(dòng)畫等，總體上大同小異。但從交互形式上來(lái)說(shuō)，虛擬漫游系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)景中某個(gè)對(duì)象的單獨(dú)交互，交互內(nèi)容豐富，交互結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以交互行為顯得更加真實(shí)生動(dòng)。全景漫游系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互行為，且場(chǎng)景中單獨(dú)對(duì)象無(wú)法實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)景的分離，交互行為略顯簡(jiǎn)單，交互體驗(yàn)不如虛擬漫游系統(tǒng)。但由于虛擬漫游系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)渲染困難，交互響應(yīng)時(shí)常出現(xiàn)停頓卡滯，影響交互體驗(yàn)，而全景漫游系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)量較小，交互響應(yīng)較為流暢，交互體驗(yàn)良好。

基于以上分析，將兩種漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行多維度比較分析，將結(jié)果呈現(xiàn)于表1中。由表1可見(jiàn)，兩種漫游系統(tǒng)技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)。

5? 結(jié)? 論

為了規(guī)避缺點(diǎn)，提升體驗(yàn)效果，開(kāi)發(fā)者嘗試將兩種技術(shù)路線進(jìn)行結(jié)合，形成基于圖形和圖像混合建模的虛擬漫游系統(tǒng)[8]。基于圖形和圖像混合建模的虛擬漫游系統(tǒng)本質(zhì)上是將全景圖形和建模技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，形成虛實(shí)混合的場(chǎng)景素材，再進(jìn)行交互合成。隨著近年來(lái)Unity3D和Unreal4等游戲引擎逐漸進(jìn)入虛擬漫游領(lǐng)域，很好地支持全景圖形和幾何建模相混合的場(chǎng)景素材，為新的全景漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)大支撐。新的漫游系統(tǒng)技術(shù)將具備建模快捷、渲染快速、真實(shí)感強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為未來(lái)全景漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)新的技術(shù)方向。

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作者簡(jiǎn)介：江宏（1991-），男，漢族，安徽安慶人，助教，碩士，研究方向：教育信息化、數(shù)字媒體應(yīng)用;吳瑩瑩（1983-）， 女，漢族，安徽銅陵人，講師，碩士，研究方向：數(shù)字媒體應(yīng)用技術(shù)。

收稿日期：2020-02-06

基金項(xiàng)目：安徽省質(zhì)量工程大規(guī)模在線開(kāi)放課程（MOOC）示范項(xiàng)目（2018mooc450）;安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院三平臺(tái)兩基地項(xiàng)目（2018 ZDX04，2019ZDX07）