机车学院实验室及其设备实景漫游.docx
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机车学院实验室及其设备实景漫游
机车学院实验室及其设备实景漫游
VRSystemonthelabsandtheequipmentsoftheMechatronicsandAutomotiveEngineeringSchool
毕业设计（论文）任务书
学院名称：
机电与汽车工程学院专业：
机械设计制造及自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
2012年2月29日
毕业设计（论文）题目：
机车学院实验室及其设备实景漫游
一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）
1提供条件：
实景漫游的软硬件、具体工作场合等；
2设计内容与要求:
（1）调研收集分析有关资料，掌握实景漫游相关知识；
（2）掌握数据采集的相关内容，以及图像应用处理的相关知识;
（3）完成实验室及其设备的漫游系统的设计;
（4）能够与校区网站实现无缝连接。
二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）
1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；
2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；
3.设计方案一套。
4.A1号图纸一张（零件图或装配图）
三、完成日期及进度
2010年3月01日至2010年6月3日。
进度安排：
3.01-3.10，查阅资料、调研，完成开题报告；
3.11-3.25掌握相关技术，完成英文翻译；
4.09-5.02确定漫游系统整体设计方案；
5.03-5.13进行细节修改，并实现稳定运行；
5.13-6.1撰写毕业设计论文，准备答辩
6.2-6.3毕业答辩
四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:
1.（美）GrigoreC.Burdea著.虚拟现实技术[M]，电子工业出版社2005.6
2.吴家铸著.视景仿真及应用（M），西安电子科技大学出版社2001.7
3.李念强等，数据采集技术与系统设计[M]，机械工业出版社2009.5
4.石教英著，虚拟现实基础及使用算法[M]，清华大学出版社 2008.3
5.安雪梅编著PhotoshopCS2中文版完全征服手册[M]中国青年出版社2006.1
6.陆莹著网页制作DreamweaverCS3[M]华东师范大学出版社2010.1
7.中国期刊网相关文章
系（教研室）主任：
（签章）年月日
学院主管领导：
（签章）年月日
摘要
虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）是最近几年才出现的高新技术。
就是利用计算机模拟产生一个虚拟的三维世界，给用户一种视觉、听觉等的感官模拟。
让用户如同身临其境，可以准确的观察三维空间内的事物。
本文所研究的项目综合集成了多项技术。
包括计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。
它利用计算机生成三维场景，让人作为参与对虚拟世界的体验和交互作用。
本文所应用的技术集成了计算机图形学技术、计算机仿真技术、人工智能、网络并行处理等技术的发展成果，实现了实验室实景漫游系统。
本文的研究成果为用户提供键盘、鼠标等多种控制手段和人机交互的方式，实现了全景图的生成、漫游场景的编辑和与校园网的无缝连接。
关键词：
虚拟现实技术、全景图合成、全景漫游。
Abstract
VirtualReality（VirtualReality,referredtoasVR）isahigh-techinrecentyears,alsoknownasVirtualRealitytechnologyorartificialenvironment.Virtualrealityistheuseofcomputersimulationtogenerateathreedimensionalvirtualworld,toprovideuserswithregardtovisual,auditory,simulations,Users,asimmersivegeneral,intime,thereisnolimittoobservethethree-dimensionalthingsinside.
Researchprojectsofthisarticleintegratedanumberoftechnologyinvolvingcomputergraphics,human-computerinteractiontechnology,sensortechnology,artificialintelligence,Itwillbeaccurate3Dimagesbacktoproducetheworld'spresence.Thetechnologyintegrationofcomputergraphics（CG）technology,computersimulationtechnology,artificialintelligence,networkparallelprocessingtechnology,thelatestdevelopmentresultsisSuccessfulimplementationoftheLaboratoryVirtualWalkthroughSystemandtoprovideuserswiththekeyboard,mouseandothermeansofcontrolandhuman-computerinteraction.Wesuccessfullyachievedpanoramageneration、roamingspaceseamlessandconnectivitywiththenetwork.
KeyWords:
Virtualreality、Panoramaofsynthetic、Panoramicroaming.
目录
前言1
第一章虚拟现实技术2
1、虚拟现实技术的概念2
2、虚拟现实技术的特点2
1.多感知性2
2.浸没性2
3.交互性2
4.构想性3
3虚拟现实的研究现状3
国外现状：
3
国内现状：
4
第二章数字化校园及实验室6
1、数字化校园的概念6
2、数字化校园设计原则6
3、数字化校园的现状6
4、数字化实验室的概念7
5、数字化实验室的功能7
6、数字化实验室的优势7
7、全景图的概念8
8、全景图的特点8
9、全景图的生成9
第三章实景漫游技术实施及处理10
1、软件介绍10
1、zonerpanoramamaker软件介绍10
2、Photoshop软件介绍10
3、Dreamever软件介绍11
2、全景图合成制作技术11
3、漫游场景的编辑16
第四章三维实验室地图和设备展示19
1实验室地图导航的意义19
2实验室地图的实用性研究19
3实验室设备的展示和地图的结合19
第五章dreamever网站的建设21
一、定义一个站点21
二、页面设计21
一、建立页面21
二、为页面添加图片22
三、添加超级链接23
四、让插入的动画变透明并播放声音24
五、弹出窗口25
六、用框架布局页面25
七、跳转菜单26
八、与校园网站的链接27
结论29
致谢30
参考文献31
前言
学校为了展示自身的风采，数字化建设显得有为的重要。
这个毕业设计是对全景漫游技术进行了讨论,认为全景漫游技术中需要解决三个问题:
全景图的生成、漫游空间的编辑和与校园网站的无缝链接。
在对全景漫游技术探讨的基础上实现一个中等复杂程度的、具有一定人机交互能力的校园全景漫游系统。
校园建设中最薄弱的环节就是校园的数字化建设以及实验室的数字化建设。
校园的信息整体上没有一个立体化、形象化的展示。
只是通过一些象征性的文字和照片对学校一个基本的展示。
这不但不利于学校的形象，也不利于新生对小小的了解。
随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。
本论文就是研究如何利用现有的计算机技术，将校园平面图或者照片制作成一个立体形式的展示影片，甚至可以实现虚拟校园漫游，包揽校园全景的功能。
通过鱼眼图像原理，抽象到平面照片上，在无缝拼接的画面上实现定点旋转展示，也是对虚拟现实技术一个更加深入的了解，实现强大的虚拟校园漫游成果
第一章虚拟现实技术
1、虚拟现实技术的概念
虚拟现实技术又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。
它是人们通过计算机对一些复杂数据进行可视化的操作与交互的一种全新方式，同以前的传统的人机界面以及流行的视窗操作相比较，虚拟现实技术在思想上有了质的飞跃。
虚拟现实中的“现实”指的是物理意义上的存在于世界上的任何食物及一些环境，它可以是实际上可以实现的，也可以是实际上难以实现或根本无法实现的一些事物和环境。
而“虚拟”是指利用计算机来生成的。
因而，虚拟现实是指用计算机生成一种逼真的环境，人可以通过使用各种方法、软件将物体投射到这个环境中，并进行操作。
本质上，虚拟现实就是一种先进的计算机接口，给用户提供视觉、听觉的各种直观又自然地交互手段，尽可能的方便用户的操作。
2、虚拟现实技术的特点
1.多感知性
多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。
由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
2.浸没性
浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
3.交互性
用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
4.构想性
又称为自主性—强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可以拓宽人类的认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、一显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统，以及味觉、嗅觉、触觉等反馈系统的功能单元构成。
3虚拟现实的研究现状
国外现状：
美国作为虚拟现实技术的发源地，毫无疑问的代表着世界最先进的水平。
虚拟现实技术的广泛应用使越来越多的人重视这项技术。
美国将这一技术广泛的应用到生活中的各个领域，包括军事、医学、建筑、武器开发等。
上世纪80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，美国宇航局AMES实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划。
现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。
在军事领域，美国的主要研究单位为：
美国空军技术研究所（AirForceInstituteofTechnology）主要研究人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题，尤其对那些培养实际操作人员的环境感兴趣。
他们正在研制一种便宜的、实时网络化的飞行模拟器NPSNET4。
它使用SIMNET和分布式交互仿真两种协议进行主机之间的通信。
NPSNET计划注意虚拟世界的系统在现实世界问题中的应用。
在航天领域，现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。
北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。
美国政府对虚拟现实技术非常重视，他们支持的虚拟现实研究计划都是面向航空航天和军事应用的。
虚拟现实将在武器系统的性能评价和设计、操纵训练和大规模军事演习及战役指挥方面发挥重要作用，并产生巨大的经济效益。
美国已初步建成了一些洲际范围的分布式虚拟环境，并将有人操纵和半自主兵力引入虚拟的战役空间，,在世界上处于领先地位。
北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。
他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真等施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。
波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用所开发的虚拟显示系统将虚拟环境叠加与真实环境之上，把虚拟的模版显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。
图形图像处理技术的传感器技术是以上VR项目的主要技术。
就目前来看，空间的动态性和时间的实时性使这项技术的关键。
国内现状：
在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统控制工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的关注，研究与应用VR，建立虚拟现实技术的虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展着。
国家科委国防科工委部已经将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的成果.
国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；实现了分布式虚拟环境网络设计，虚拟现实应用系统的开发平台等。
浙江大学开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题。
虚拟现实技术在我国近些年发展极为迅速，被广泛的应用在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探测绘、生产制造、军事航天等数十个重要的行业，全世界的目光都聚焦于虚拟现实技术在中国的蓬勃发展。
流行一时的网络游戏，实质上也是虚拟现实技术的一种简单应用。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最具权威的单位之一，其虚拟现实与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的平台开发等，并在以下方面取得进展：
注重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法。
清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功的合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调同步。
第二章数字化校园及实验室
1、数字化校园的概念
数字化校园是以数字化信息和网络为基础，在计算机和网络技术上建立起来的对教学、科研、管理、技术服务、生活服务等校园信息的手机、处理、整合、存储、传输和应用，使数字资源得到充分的优化利用的一种虚拟教育环境。
通过实现从环境（包括设备，教室等）、资源（图书、讲义、课件等）到应用（包括教、学、管理、服务、办公等）的全部数字化，在传统校园基础上构建一个数字空间，一拓宽现实校园的时间和空间维度，提升传统校园的运行效率，扩展传统校园的业务功能，最终实现教育过程的全面信息化，冲二达到提高管理水平的目的。
2、数字化校园设计原则
高校数字校园综合管理平台的建设须坚持“先进性、实用性、开放性、标准化、可靠性、稳定性、可扩展性、易升级性、安全性、保密性、易维护性、可管理性”的设计原则。
数字化校园涵盖校园生活的诸多方面，应进行统一规划、承前启后、分步实施。
数字化校园从总体规划建设上分为三层结构：
服务接入、校内管理层、基础设施层。
满足以internet、移动计算机、移动电话以及校内师生员工在任意时间，任意地点，任意方式的访问及应用。
3、数字化校园的现状
数字化产业已经由原来的注重产品价格向着注重产品质量和服务方向转型，尤其是教育数字化校园管理平台的应用领域。
教育涉及千家万户，教育信息化已成为为人民群众提供公平的受教育机会，解决教育资源分配不均，满足群众对发展教育的期望，推动教育在更高起点上实现更大发展的重要力量。
加快教育信息化建设已成为我国教育事业改革与发展的必然选择。
从总体上看，我国教育信息化建设取得了重大历史性突破，但同时面临着一系列突出的问题。
一是信息化基础设施建设仍处于低水平状态，缺乏统筹有效的投入机制。
信息化基础设施不能有效满足各级各类教育的发展需求。
在投入内容上，重建设轻应用的现象也普遍存在。
4、数字化实验室的概念
数字化实验室运用实时测量、数据采集、数据分析和智能控制等先进技术，实现了中学理科实验教学与信息技术的全面整合，适合于中学理科新教材，能够武安成新教材要求的数字化物理、化学、生物等各学科实验
5、数字化实验室的功能
1.采用大尺寸液晶屏幕显示，方便观察和分析；
2.硬件结构设计精美、小巧；
3.具有存储功能，便于脱机操作；
4.具有大量的满足理、化、生学科教学需要的传感器，并且可以使用同一采集器；
5.提供人性化操作平台，方便探究实验学习；
6.软件分为专用软件和通用软件，专用软件操作简洁，重点突出，直观性强，通用软件功能强大，适合探究式学习，支持教师和学生自主搭建实验，鼓励学生动手实践，支持多传感器组合实验。
根据教学需要，教室可编写新实验脚本，扩充专用实验；
7.可以多窗口显示数据和图像，方便比较；
8.数据记录：
数据以自动记录、点击记录、外部调入等方式保存，方便下次调用。
可以在计算表格中可直接新建文档，不必关闭软件
6、数字化实验室的优势
虚拟技术的展示对大学的对外宣传、招生、校容校貌的展示等具有非常重要的作用，是数字化校园建设的重要部分。
虚拟校园系统有如下功能：
1、可以直观的了解校园及基础设施建设
三维虚拟实验室没有任何浏览器插件，具有简单的用户操作界面，用户操作方便快速，可以用鼠标任意的拖动，放大或者缩小。
通过三维虚拟校园可以比较直观的了解实验室的各个区域，在这个三维的区域里，空间次序的视觉理解和感知变得非常容易，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉，三维虚拟实验室模拟真实世界，减少处理时间，提高效率，提供了一个生动的实验室空间。
2、方便学生寻找实验设施
有了三维虚拟实验室，使新学生再没去过实验室之前可以全面的了解实验室的布局，交互式的查询，可以了解实验室的所有信息，为尽快的适应学习提供方便；三维虚拟实验室不只是对现实实验室设备形状，而是对整个实验室在网络上的真实再现。
（可接驳触摸屏）
3、有利于招生宣传
网络宣传已经成为了招生的必要手段，三维虚拟实验室的建设，有利于提高学院的形象，对招生有极大的帮助。
4、丰富的应用接口功能
三维虚拟实验室系统具有良好的开放性，为其他信息提供了载体，该系统可直接嵌入到大学的网站，可接驳触摸屏，还可以接驳视频监控系统。
具有极高趣味性和新颖性，大大的提升点击率，尤其是针对校庆活动，更有极佳的宣传效果。
用户在浏览信息内容的同时能直观的在虚拟实验室中看到一些实验设备，有效提高大学的美誉度，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。
7、全景图的概念
全景图是虚拟实景的一种表现形式，会让使用者有进入照片中的场景的感觉。
全景图区别于普通的拼接照片的地方在于，全景图是基于鱼眼技术，利用专业相机拍摄出来的照片，观察者从每个角度观察，都能够获取直观的立体感，而普通的拼接照片，只是在一个平面上实现相机取景范围的限制。
8、全景图的特点
360度的高质量的全景图主要有三个特点
1、全：
全方位，全面的展示了360度球型范围内的所有景致；可在例子中用鼠标左键按住拖动，观看场景的各个方向；
2、景：
实景，真实的场景，三维全景大多是在照片基础之上拼合得到的图像，最大限度的保留了场景的真实性；
3、三维：
三维立体的效果，虽然照片都是平面的，但是通过软件处理之得到的三维全景，却能给人以三维立体的空间感觉，使观者犹如身在其中。
但是由于受到设备的限制，非专业的摄影人员，是很难拍到上面描述的效果的全景图的。
但是，就普通相机加上一些照片拼合软件，所得到的全景图片的表现形式已经比普通的照片要好得很多。
9、全景图的生成
全景图模型一般有立方体、圆柱体和球体三种。
以柱面全景图像为例，若需取得具有摄影真实感的全景图像，可采用全景照相机、普通照相机或摄像机来获取图像数据。
全景照相机可直接获得全景图像，普通照相机或摄像机则需要固定在可水平旋转的支架上，使得相机的镜头位于支架的中心点。
如果是照相机，转动照相机一周，每间隔一定的角度拍一张照片，以保证相邻照片有一定的重叠；
摄像机则需缓慢地绕中心点旋转一周拍摄，使用数码照相机或数码摄像机来获取图像数据是比较有利的，因为获取的图像数据可以直接下载到计算机进行后续处理。
照相机或摄像机所得到的图像数据属于中心投影，需要经过投影变换来将这些中心投影图像投影到一个圆柱面上。
完成这种柱面的正投影变换后，再经过拼接形成柱面全景图像，整个拼接过程分成图像匹配和平滑连接两个步骤完成。
图像匹配是确定相邻图像的重叠范围，一般有基于面积和基于特征等方法，平滑连接使得拼接区域色调变化平滑，提高了图像质量。
可采用淡入淡出的方法，即在重叠部分由前一幅图像慢慢地过渡到第二幅图像并删去垂直方向错开的图像部分。
全景图像生成后，空间编辑器将不同地点而又众多的全景图像组织为虚拟的全景空间，全景图像的数据量通常是较为庞大的，需要对其进行压缩，通常采用JPEG算法进行压缩。
虚拟全景空间漫游时，一般只将可见部分的全景图像调人内存并解压，通过柱面全景图像的反投影算法，将可见部分的柱面图像反投影为中心投影图像并显示在计算机屏幕上。
第三章实景漫游技术实施及处理
1、软件介绍
1、zonerpanoramamaker软件介绍
有时候相机不能完美的将一个景拍下来，局限于镜头可视范围。
但是如果你照的是静态，你可以通过照片合成软件进行全景制作，经多张照片拼合成360全景图片。
全景制作不是很难，用Photoshop也可以制作全景图片，但是相对就比较麻烦。
不过如果要制作360全景图片，建议大家还是使用专业的全景图片合成软件。
图一：
maker软件图
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