西安曲江昂诺数字科技虚拟现实项目提供商虚拟现实.docx

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西安曲江昂诺数字科技虚拟现实项目提供商虚拟现实

RevisedbyBLUEontheafternoonofDecember12,2020.

西安曲江昂诺数字科技虚拟现实项目提供商虚拟现实

三维校园的开发与设计

即全景校园技术的实现

陈诚

摘要

　虚拟现实（VirtualReality，简称VR;又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。

是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

　　VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。

使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。

该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

以武汉科技大学中南分校环境为虚拟空间,拍摄教学楼、图书馆、体育馆、宿舍区、道路、树木、花园、亭阁等室外场景生成全景图,实现虚拟校园实景漫游,并为用户提供键盘、鼠标等多种控制手段和人机交互方式。

而整个技术设计中需要解决的三个问题是：

全景图的生成、漫游空间的编辑和浏览器的设计.

关键词：

;圆鱼眼图像;图像拼接;全景漫游;PV3D;FLASH

Three-dimensionaldesignanddevelopmentcampus

PanoramicVirtualTourtechnologyistherealizationofthecampus

ChengChen

Abstract

VirtualReality（VirtualReality,referredtoasVR;theytranslatedspiritualenvironment,fantasyreally）isahigh-techinrecentyears,alsoknownasVirtualRealitytechnologyorartificialenvironment.Virtualrealityistheuseofcomputersimulationtogenerateathreedimensionalvirtualworld,toprovideuserswithregardtovisual,auditory,tactilesimulations,Users,asimmersivegeneral,intime,thereisnolimittoobservethethree-dimensionalthingsinside.

VRisacomprehensiveintegratedtechnologyinvolvingcomputergraphics,human-computerinteractiontechnology,sensortechnology,artificialintelligence,itgeneratesarealisticthree-dimensionalcomputervision,hearing,smellandothersenseofpeopleasparticipantsthroughtheappropriatedevicenaturallyonthevirtualworldtoexperienceandinteract.Locationofmobileusers,thecomputercanimmediatelyconductcomplexcalculations,willbeaccurate3Dimagesbacktoproducetheworld'spresence.Thetechnologyintegrationofcomputergraphics（CG）technology,computersimulationtechnology,artificialintelligence,sensortechnology,displaytechnology,networkparallelprocessingtechnology,thelatestdevelopmentresults,isacomputer-aidedgenerationofhigh-techsimulationsystem.TotheWuhanBranchoftheenvironmentforthevirtualspace,filmingteachingbuilding,library,gymnasium,dormitoryareas,roads,trees,gardens,pavilionsandotheroutdoorscenesgeneratedpanorama,virtualschoolVirtualTour,andtoprovideuserswiththekeyboard,mouseandothermeansofcontrolandhuman-computerinteraction.

Thetechnicaldesignofthethreeissuesneedtobeaddressedis:

panoramageneration,roamingspace,thedesigneditorandbrowser.

KeyWords:

Virtualreality;circularfisheyeimages;imagemosaic;Panorama;PV3D;FLASH

前言

随着社会和科学技术的发展,基于图像绘制的技术已经成为计算机视觉、图像处理、计算机图形学、人工智能研究的热点并得到广泛的应用,可应用于全景漫游系统的实现。

学校为了展示自身风采,越来越重视宣传,需要一种更为直接的方式宣传自己。

虚拟现实技术应用于学校,就是虚拟校园,能够全方位地展示学校的各种软硬件环境。

本文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、漫游空间的编辑和浏览器的设计。

在对全景漫游技术探讨的基础上采用基于两张圆鱼眼图像的球面全景生成方法生成每个场景的球面全景图,从而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。

先进高校整个系统里面，最薄弱的环节就是校园的电子化信息建设，虽然在整体或者局部实现OA自动化，但是对校园信息整体上没有一个立体化、形象化的展示，只能通过基础文字性的网页，加上几张照片，算是对学校的一个展示，这样不但给学校自身形象建设上拖后腿，另一方面也不利于新生和家长对校园环境有一个快速全面的了解，从而去花大量的时间和力气去徒步丈量。

教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。

虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：

简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台，虚拟远程教育、虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。

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FLASHAS语言的一个更加深入的了解，利用PV3D基础类，实现强大的虚拟校园漫游成果。

第1章虚拟现实技术

§虚拟现实技术的概念

是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。

而“虚拟”是指用计算机生成的意思。

因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

从本质上来说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作。

根据虚拟现实技术所应用的对象不同，其作用可表现为不同的形式，例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化，实现逼真的遥控现场效果，达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。

§虚拟现实的特点

1.2.1多感知性（Multi-Sensory）

所谓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。

1.2.2浸没感（Immersion）

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。

1.2.3交互性（Interactivity）

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。

1.2.4构想性（Imagination）

强调技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，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、以头盔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、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

这里，虚拟环境处理器是VR系统的心脏，完成虚拟世界的产生和处理功能。

输入设备给VR系统提供来自用户的输入，并允许用户在虚拟环境中改变自己的位置、视线方向和视野，也允许改变虚拟环境中虚拟物体的位置和方向。

而输出设备是由VR系统把虚拟环境综合产生的各种感官信息输出给用户，使用户产生一种身临其境的逼真感。

§虚拟现实的关键技术

1.3.1基于动态环境的建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。

动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

1.3.2应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。

选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。

为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。

例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

现在目前流行的ISB（InternetSpaceBuiIder）和ISA（InternetSceneAssemble）2款开发软件

§虚拟现实的研究现状

1.4.1国外研究现状

　美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。

近年来,在美国航空航天和军事领域的若干成功应用所获得的巨大效益和效益，促使美国政府进一步加大了对虚拟现实技术研究的支持力度。

在美国虚拟现实在以下三个方面发挥重大作用：

（1）武器系统性能评价；

（2）武器操纵训练；

（3）指挥大规模军事演习。

虚拟现实的应用将大幅度降低以上三者所需的费用，极大地提高效益，并消除意外伤亡事故。

　　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。

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。

1.4.2中国研究现状

我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。

九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入研究项目。

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。

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。

第2章虚拟校园技术

§虚拟校园的基本概念

计算机网络技术、三维地理信息系统技术、虚拟现实技术的发展使得我们可以在计算机网络上构建虚拟校园（Virtualcampus）。

用户在网络上即可对校园景观、校内的各种设施和服务获得身临其境的感受，还可以在网络上使用部分设施和接受服务。

虚拟校园提供了校园景观及设施最直观的表现形式，方便了用户对校园信息的访问、促进了大学的建设和远程教学的发展。

虚拟校园是基于地理信息技术、虚拟现实技术和计算机网络技术等高新技术，将校园地理信息和其他校园信息相结合。

以虚拟现实场景界面实现棱园景观及信息的浏览查询，并可上传到计算机网络和提供远程用访问。

§虚拟校园的建模方法

校园虚拟场景的建模方法主要有两种。

一种是基于图形的建模与绘制（Gcomelry—BasedModcliagandRenderingGBMRj；

一种是基于图像的建模与绘制（Inlagc—BasedModelinkandRendering，IBMRj；它是以环境中抽样出的离散图像组成基础数据，通过处理与组织这些图像数据而得到环境的连续描述的过程。

与GBMR相比，IBMR方法的优越性在于：

一是无需繁琐的场景建模工作；二是不需要特殊的设备。

如图形加速卡和价格昂贵的图形工作站，在普通电脑上即可运行：

三是能实时地显示生成的环境，处理时间独立于景物复杂度。

IBMR一种常见的实现方法是用全景图集台来构成虚拟环境、在虚拟环境中漫游相当于选择不同的全景图。

§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。

2.3.1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后得到的三维全景，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。

2.3.2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。

图1虚拟全景空间生成流程图

§虚拟校园的优势

三维虚拟校园技术对大学的对外宣传、招生、校容校貌的展示等具有非常重要的作用，是校园信息化建设的重要组成部分。

三维虚拟校园系统，可实现以下功能：

2.4.1直观的了解校园

三维虚拟校园基于浏览器，无任何浏览器插件，具有友好的用户操作界面，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校园的各个区域，在这个三维的校园里，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，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化地带和种植的植物，都栩栩如生的呈现在我们的眼前，三维虚拟校园模拟真实世界，减少处理时间，提高效率，提供了一个生动的校园空间建设三维虚拟校园可以比较直观的了解校园的各个区域，在这个三维的校园里，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，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化地带和种植的植物，都栩栩如生的呈现在我们的眼前，三维虚拟校园模拟真实世界，减少处理时间，提高效率，提供了一个生动的校园空间；

2.4.2方便学生

大学内教学楼、宿舍楼、食堂及实验楼等公共设施众多，有了三维虚拟校园，使新生在入学前就可以全面的了解校园的布局，交互式的查询，可以了解校园的所有信息，为尽快的适应学习生活提供方便；三维虚拟校园不只是对现实校园建筑形状、地理形态的仿真，而是对整个校园及其社会活动和经济活动在网络上的真实再现。

（可接驳触摸屏）

2.4.3有利于招生宣传

网络宣传现已成为非常有效的手段，率先建立三维虚拟校园，有助于提高学院的形象，对大学的全国范围招生有极大的帮助。

2.4.4地图便笺功能

方便好用的地图便笺功能，用户可以自己在三维虚拟校园上进行标注，然后生成相应网址，可以发送给他人，他人打开网址后就能看到用户在地图上的标注，实现信息共享。

2.4.5丰富的应用接口功能

三维虚拟校园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。

网上校园中的各个院系或其它部门都可以通过嵌入虚拟校园的代码，制作出各种形态的模拟公告板，譬如校园留言板、招生信息等，从网络中模拟出的多态广告，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。

例如，网站发布会议通知或者考试地点等信息时都可嵌入地点位置代码，用户在浏览信息内容的同时能直观的在虚拟校园中看到会议或者考试等的具体位置，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。

2.4.6校园信息搜索引擎

在网上校园中建立一个本地搜索引擎供用户浏览查找信息是非常有效的。

譬如当我们搜索图书馆的主题时，在出来的搜索结果列表里面，我们可以访问图书馆的具体位置、实景，以及图书的借阅情况、开放时间等；

2.4.7优化领导管理

三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。