基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的全景校園參觀平臺構(gòu)建研究
——以深職院西麗湖西校區(qū)為例

陳冀東，吳世德，吳綺眉

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳 518055)

21 世紀(jì)科技的發(fā)展伴隨著數(shù)字化、信息化的特點，隨著高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，學(xué)校的方方面面也日趨數(shù)字化、智能化與現(xiàn)代化。新生入學(xué)后需要盡快熟悉校園環(huán)境，傳統(tǒng)入學(xué)教育往往通過學(xué)院集中組織參觀的方式進(jìn)行，存在著“難組織、長耗時、不安全”等問題。本研究擬采用VR 技術(shù)，將全校各個教學(xué)、實踐、生活等場地通過3D 攝影、剪輯建模等環(huán)節(jié)，通過虛擬顯示技術(shù)搭建全景校園參觀平臺，提供一個既安全舒適，又節(jié)省時間和資源的校園參觀體驗新模式，讓使用者能夠在繪聲繪色的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中走遍校園的各個角落。未來，學(xué)生們也可以通過平臺間的聯(lián)網(wǎng)達(dá)到共享校園資源的目的，從而實現(xiàn)“足不出戶，走遍全國各大高?！钡膲粝搿?/p>

1 虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)

1.1 VRML

虛擬現(xiàn)實建模語言，即VRML，是一種用戶利用它建立真實世界場景模型，或者構(gòu)建一些虛構(gòu)的三維世界的場景模型語言，它具有平臺無關(guān)(或跨平臺) 的特性: 即在計算機(jī)上的運行不受平臺的約束，一次編譯完成之后可以在多個不同的平臺運行。我們可用來搭建現(xiàn)實世界的場景模型，也可用于虛擬世界的三維建模。不同的平臺與它都能做到良好的兼容，因此也是ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實語言。使用它可以監(jiān)控人的操作行為，并快速地做出回應(yīng)，提高用戶的體驗[1]。除此之外，作為一種具有解釋功能的三維建模語言，VRML 具有面向?qū)ο螅嫦騱eb的特點。它加強(qiáng)了WWW 的交互性，使之更豐富。在VRML 中，每個對象被稱為一個結(jié)點，所有復(fù)雜的物體是由一個個子結(jié)點通過不同的形式簇?fù)矶伞２煌慕Y(jié)點在不同的實際應(yīng)用中可以被多次使用，對它進(jìn)行命名以后，就可以在用戶進(jìn)行動態(tài)三維虛擬場景構(gòu)建時進(jìn)行調(diào)用。其基本工作原理可概括為：文本描述、遠(yuǎn)程傳輸、本地計算生成。

1.2 OpenGL

OpenGL 作為一種面向2D 和3D 圖形應(yīng)用程序接口，誕生于1992年，具有可靠性高、可拓展、可伸縮、靈活、容易使用等多個特點，并且能夠在不同的多個平臺進(jìn)行完美移植使用。目前已經(jīng)成為業(yè)界各種不同平臺使用范圍最廣的選擇，不同的計算機(jī)平臺通過它開發(fā)設(shè)計出了成千上萬、種類繁多的應(yīng)用程序。開發(fā)者可以通過一些轉(zhuǎn)換程序，便捷地將3DS、DXF 等模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL 的頂點數(shù)組。OpenGL 圖形庫提供基于基本元素的繪制函數(shù)及復(fù)雜三維物體、復(fù)雜曲線和曲面的繪制函數(shù)，變換方式含基本變換及投影變換。這樣的變換使得運算時間銳減，3D 圖像的顯示速度加快。OpenGL 功能十分強(qiáng)大，調(diào)用起來也很方便。借助第三方軟件使三維視頻對象更加清晰逼真、交互性更強(qiáng)，如Viewpoint、QuickTime VR 等。

1.3 Viewpoint

虛擬現(xiàn)實Viewpoint，是由美國Viewpoint 公司提供的一種基于Web 的3D 解決方案，基于XML 語言的構(gòu)架可以非常便捷的和瀏覽器及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行鏈接通信，并且可以將它完美內(nèi)嵌到不同的多個軟件中去使用，正是因為這樣的特性，使得Viewpoint 在許多場景和平臺得到廣泛應(yīng)用。開發(fā)者只需要在用戶端安裝一個小巧的免費插件，通過它就可以在互聯(lián)網(wǎng)上搜索、查閱以流方式傳輸?shù)?D 模型，并且還可以通過用戶端對選擇的對象目標(biāo)物進(jìn)行相關(guān)操作，如旋轉(zhuǎn)、縮放等。Viewpoint 這一解決方案，考慮到了Web3D 開發(fā)、使用不同階段需求的各個環(huán)節(jié)，和其他許多方案相比有著明顯的不同：Viewpoint 是由開發(fā)者通過自己開發(fā)設(shè)計、編輯處理之后完成線上傳輸3D 圖像對象的技術(shù)路線，并非通過其他渠道導(dǎo)入3D 圖像這一路徑[2]。此外，虛擬現(xiàn)實Viewpoint 最大的技術(shù)特點是它生成的文件格式非常小，這對文件的保存和傳輸來說是巨大的優(yōu)勢，另外其三維多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有可伸縮性和流傳輸性，這一特點更加提升了它通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋憬輧?yōu)勢，也就決定了它能夠獲得更多用戶的青睞和支持。憑借特有的壓縮技術(shù)和流式播放方式、良好的互動性，Viewpoint 在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用中占有重要地位。

1.4 3DSMAX 建模

3DSMAX 是制作建筑效果圖和動畫制作的專用工具。大量用戶在使用它時都感受到了其強(qiáng)大完備的功能，以及十分友好的使用方法。它擁有許多理想的命令提供，用戶可以根據(jù)需要將其運用到室內(nèi)外效果圖制作方面的基本建模、材質(zhì)賦予、貼圖使用和燈光創(chuàng)造等圖形文件。其具有大量的插件，可以以最高的效率完成工作，有了它，該項目如虎添翼，達(dá)到高效率。

1.5 魚眼鏡頭

魚眼鏡頭是一種焦距為16 mm 或更短、視角接近或等于180°的鏡頭，我們可以把它理解成是一種極端的廣角鏡頭。我們知道魚的眼睛大多可以在一個非常大的角度自由旋轉(zhuǎn)，探視周邊環(huán)境，魚眼鏡頭正是基于這樣的特性設(shè)計而成的，它的最大視角范圍一般可以達(dá)到220°到230°，這一特性，在我們需要在短距離拍攝大范圍場景提供了可能。當(dāng)用戶通過魚眼鏡頭完成拍攝時，還會有非常強(qiáng)烈的透視效果，使得拍攝效果實現(xiàn)“近大遠(yuǎn)小”的明顯對比效果，拍攝出來的換面具有十分震撼的感官效應(yīng)。

1.6 Mocha VR

Mocha VR 是Boris FX 公司發(fā)布的一個跟蹤軟件，此軟件針對全景視頻做出了許多針對性功能，例如：使用遮罩能夠在平面視角下正確變形，在跟蹤完成后用戶導(dǎo)入的圖片素材可以得到正確的變形。因此它能完美的處理我們拍攝過程中不真實的圖片，大大提高了我們的工作效率，降低了時間成本。

2 虛擬校園全景平臺的建立

2.1 數(shù)據(jù)收集階段

數(shù)據(jù)收集是建立虛擬校園全景平臺必不可少的前提，研究團(tuán)隊需要有很強(qiáng)的洞察能力和敏銳的觀察力，首先，要借助測量、相機(jī)拍攝等方式了解建筑的實際屬性。其次，要根據(jù)學(xué)校的建校歷史、建筑歷史來對每個建筑進(jìn)行更深入的了解。最后，要面向在校師生進(jìn)行深度訪談?wù){(diào)研。三者結(jié)合整理出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和照片資源，以圖文結(jié)合的方式來展示每個建筑的數(shù)據(jù)。其中建筑群主要包括：樓宇、林地、道路、公共設(shè)施等。數(shù)據(jù)收集分4 類：（1）圖紙資料：向相關(guān)部門申請查閱學(xué)校地圖、航拍照片、建筑景觀及校園工程制圖等資料；（2）校史資料：向?qū)W校有關(guān)部門拿取校園建筑群歷史，以及校園官網(wǎng)的校史簡介；（3）圖片資料：團(tuán)隊通過實地考察拍攝得出；（4）師生調(diào)查資料：校園調(diào)查師生意愿。

2.2 數(shù)據(jù)分析階段

對收集完成的各項數(shù)據(jù)資料加以匯總和分析，根據(jù)項目的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行資料的整理和篩選，討論、確定符合拍攝需求的校園主要建筑群以及制定拍攝全環(huán)游路線。

2.3 3D 校園全景拍攝環(huán)節(jié)

3D 校園全景的拍攝效果決定著項目的成果，與平臺用戶體驗感有著密不可分的關(guān)系。通過“魚眼攝像機(jī)”、數(shù)碼相機(jī)、全景云臺、三腳架來對數(shù)據(jù)分析階段得出的建筑群及環(huán)游路線實現(xiàn)大范圍無死角全景拍攝，使得視覺效果達(dá)到最佳化。所有場景都是真實空間中存在的，真實感極強(qiáng)，讓校園景象展示得淋漓盡致，全面展示學(xué)校建設(shè)環(huán)境[3]。

該研究通過“魚眼攝像機(jī)”實現(xiàn)的3D 校園全景VR 景象，其攝像機(jī)成熟的圖像處理技術(shù)大大提高了該項目的視覺效果，及大大降低了本項目的成本，使得項目更加可實現(xiàn)化、高效化，可謂“高效率低成本”。

2.4 剪輯建模

（1）篩選攝影得出最佳的成像。通過團(tuán)隊的綜合研究考察及實際建筑群的對比，得出最優(yōu)成像。其考察評估因素包括：建筑群的真實性、視頻天氣、除拍攝的建筑群以外的雜物涉及程度等。

（2）通過造景師與漫游大師的綜合運用，進(jìn)行影像的綜合處理，將影像達(dá)到最佳視覺效果，同時也最大化的貼合現(xiàn)實。

（3）通過3DMAX 進(jìn)行3D 建模。通過3DMAX中的布爾交、并、補(bǔ)運算等多種方式進(jìn)行建模，將拍攝得到的影像進(jìn)行處理，制作不規(guī)則貼圖。最終通過拼接得到最終的校園虛擬全景。

2.5 PC 端VR 平臺搭建

團(tuán)隊通過VRML 建模語言為用戶提供虛擬平臺系統(tǒng)進(jìn)行良好交互的功能。VRML 是一種基于C/S模式的訪問方式，用戶互聯(lián)網(wǎng)下載待訪問的文件，并經(jīng)過由本機(jī)平臺上的VRML 瀏覽器訪問該文件，便于暢游于事先設(shè)定好的虛擬世界。虛擬校園可視化的實現(xiàn)，使得各大高校的師生們能通過一個固定的平臺對校園信息進(jìn)行最真實的環(huán)游體驗。同時平臺上可通過高校互享實現(xiàn)“高?；ビ巍薄白悴怀鰬簦伪槿珖鞔蟾咝！钡膲?。

平臺利用VRML 語言，并通過鏈接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)用戶與平臺及高校的互動，及時回應(yīng)和滿足用戶需求，提高用戶的體驗，為學(xué)校及學(xué)生提供一個在線瀏覽校園風(fēng)光的互動平臺。

3 質(zhì)量檢測

該研究采用可以獨立實現(xiàn)大范圍無死角監(jiān)控的全景攝像機(jī)——“魚眼攝像機(jī)” 進(jìn)行拍攝VR 圖像，用于建模實現(xiàn)校園虛擬全景。但是拍攝過程中，如何降低甚至消除天氣、攝像頭高度等不確定因素的影響呢？ 團(tuán)隊通過以下方式進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）分路段分場景進(jìn)行拍攝。分路段分場景的方法進(jìn)行拍攝可以有效降低各種誤差。最終只需要進(jìn)行簡單的視頻合成即可，同時，后期處理也極其方便，如果后期發(fā)現(xiàn)視頻不甚滿意，只需要對該路段或者場景進(jìn)行重復(fù)拍攝即可，無須全過程拍攝，可以大大減少人力、物力的消耗[4]。

（2）同一場景多次拍攝擇優(yōu)采用。通過多次測量求平均值，但是此處我們對其進(jìn)行了項目化，就是花費大量時間多次拍攝多次觀看，以及結(jié)合python 的視覺算法，計算出最優(yōu)的視頻片段。兩者結(jié)合，最終篩選出對該項目平臺搭建最優(yōu)化的全景視頻，待全部場景拍攝完成之后進(jìn)行合成。通過批量拍攝，篩選得出最佳拍攝成品。

（3）利用mochaVR 進(jìn)行全景視頻的后期處理。眾所周知，后期處理就是對前期的失誤和不足進(jìn)行彌補(bǔ)，首先要做的就是修改色差，其次通過畸變校正添加字幕和包裝元素，再次校正畸變并準(zhǔn)確跟蹤，最后擦除還原補(bǔ)漏。

4 交互平臺設(shè)計

（1）通過人機(jī)交互，虛擬校園全景平臺的高沉浸感得以實現(xiàn)。要實現(xiàn)好的交互，就要搭建好虛擬顯示場景系統(tǒng)，關(guān)注漫游場景運行時的焦點變化，用戶實現(xiàn)方向等的轉(zhuǎn)變等。VRML 建模語言正是為用戶提供了虛擬漫游系統(tǒng)進(jìn)行良好交互功能的[5]。VRML 是一種基于C/S 模式的訪問方式，用戶互聯(lián)網(wǎng)下載待訪問的文件，并經(jīng)過由本機(jī)平臺上的VRML 瀏覽器訪問該文件，便于暢游于事先設(shè)定好的虛擬世界，使得及時回應(yīng)用戶的操作。

（2）高校間的交互亦是交互的核心。實現(xiàn)各大高校間的漫游交互才能使得該項目更有意義，也更能滿足用戶的多樣化需求。而VRML 建模，只要有其他高校數(shù)據(jù)資源，便能載入到平臺，實現(xiàn)高?；ヂ?lián)[6]。高?；ヂ?lián)可以促進(jìn)高校之間的溝通交流，高校間的文化碰撞，從而給同學(xué)們帶來“不一樣的大學(xué)”的視覺體驗，也增進(jìn)了高校之間的合作及友誼。

5 展望

研究過程中，已經(jīng)盡力采用最簡單的建模方式打造最逼真的三維場景，并能實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速、逼真的漫游效果。除此之外，該項目還可以引導(dǎo)學(xué)生們關(guān)注和使用VR 技術(shù)帶來的便利性，并以此為契機(jī)，豐富VR 相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)模式和實踐途徑，吸引更多的同學(xué)關(guān)注VR 技術(shù)和知識，鼓勵有能力的同學(xué)參與VR 資源的開放，為專業(yè)人才培養(yǎng)提供案例，具有一定的實用性，為校園宣傳提供了一個形象新奇的可視化人機(jī)交互平臺，也為數(shù)字校園的建設(shè)開拓了一個全新的研究領(lǐng)域，積累了實踐經(jīng)驗。