全景圖形圖像化模擬技術嵌入教學的應用研究

【摘要】隨著全景圖形圖像模擬技術的發展，其在教育領域有著巨大的應用前景。文章闡述了利用全景圖形圖像化模擬技術滲透至教學中的整個相關流程，并創建與現實社會類似的環境，從而解決了學習媒體的情景化及自然交互性的要求。

【關鍵詞】全景圖形圖像;系統;環境;模擬

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)06—0108—03

一 引言

隨著計算機信息技術飛速發展，計算機圖形學、三維立體技術、虛擬現實技術等信息尖端技術也逐漸融入到我們學習生活中。如能將圖形圖像的相關技術滲透至教育中，滲透于教育技術中，其必形成一個新的發展時機，從而解決不少不易實行的抽象問題，例如認知地形位置，實驗操作危險等，使其具體化，對教學、認知都能有著很好的成效。現三維立體的圖形圖像化虛擬學習環境能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。讓人親身去經歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去交互與被動地灌輸，有本質的差別。

二 全景圖形圖像化技術

全景圖是基于圖像的水平360度及上下文空間的圖形組織環境，它是一種全新的圖像信息組織模式，可以表達完整的周圍環境信息，相當于觀察者從一個固定視點向四周轉一圈所能看到的景象。[1]通常利用兩種方式來得到全景圖。第一種方式是利用特殊攝像設備(如全景照相機，帶魚眼鏡頭的相機等)，這種方式只需1-3張照片即可，容易處理，但價格昂貴。第二種方式是使用普通照相機、數碼相機等，從同一視點不同視角采集到的一組圖像序列作為基礎數據，經過圖像拼接融合處理后生成全景圖。

為此，全景圖形圖像的融合拼接的合理性是個關鍵點。而今，通過每個視點形成的節點來鏈接組織空間，用maya，3Dmax等三維軟件，將各個照片的圖形圖像三維立體化處理，并使用適當的腳本語言將三維模型調入到各項場景中，將傳統的靜態圖轉變成為動態圖形，可以一定程度上解決圖形圖像的融合拼接問題。

三 全景圖形圖像化模擬系統的設計與實現

1 系統的設計

(1)軟硬件設備

制作全景示例場景使用的圖像的采集設備有尼康D80型數碼相機(快門1″光圈F /22 ISO200)、全景云臺、三腳架等;[2]還有以高性能計算機為核心的虛擬環境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備;使用的軟件: Photoshop 、Flash、3DSmax、maya、Flux Studio等。

(2)功能編輯器

1)文本編輯器;2)圖像編輯器;3)音頻編輯器;4)視頻編輯器;5)動畫編輯器;6)全景電影播放器;7)多媒體集成器。[3]

(3)系統結構框圖

系統結構框圖如圖1所示。

2 系統的實現

(1)圖像質量調整技術

數碼相機拍攝的圖片和掃描儀掃描的照片，都存在著不同程度的圖像質量欠缺，如圖像的色偏問題、變焦不準造成的圖像模糊問題、圖像偏暗或偏亮的問題等。

實現彩色圖像質量的自動調整，很大程度上依賴于對圖像質量評估的實現。目前，對圖像質量有兩個完全不同的衡量標準，其本質區別在于有沒有一個原始圖像作為衡量的參照物。至于不存在可供參照的原始圖像的情況，比較的方法就不適用了，只能模糊地用視覺效果來概括。圖像質量的評價往往取決于色彩、亮度、清晰度等多種要素，至今仍沒有一個精確的量化模型。[4]

所以，在得到相應的照片后，對其應該先做出虛擬場景進行處理，其中不乏用到2D處理軟件等等。最終，調整的目標就是要達到圖像的亮度、對比度、色彩的飽和度及色調的整體改善。而且對于一幅視覺效果已經較好的圖像，調整操作不會降低其質量。調整的原則是經過每一步的調整后，已經被調整的各個因素的量化值均等于或優于調整前圖像質量的量化值。

(2)全景圖形圖像的數據組織

全景圖像數據的組織如圖2所示。

(3)全景圖形圖像的3D虛擬現實實現

1)制作合適的3D模型

利用maya或3Dmax等軟件創建相應的圖形圖像模型，并同全景照片相整合。

2)過渡圖形圖像的整合

在經過調整后的3D圖形圖像后，其中同場景的過渡圖像也應相應。

3)背景音樂及動畫的創建

通過嵌入式腳本語言加入相適應的音樂，可以更好得提高浸入性。同時，全景圖形圖像的具體動作也要作出合適的創建。

4)虛擬道具同全景圖形圖像的融合

將虛擬裝備同場景合理的融合，實現全景圖形圖像同數據手套，虛擬頭盔等工具的嵌入。

5)系統的整體拼裝

將所有涉及系統的有關信息和模型全部拼裝實現一體化。

四 全景圖形圖像化系統在教學中應用

(1)知識的模擬學習

知識模擬學習是指學生利用全景圖形圖像系統來模擬現場來學習各種知識，在現實際生活中無法觀察到的自然現象或事物的變化過程，為學生提供生動、逼真的感性學習材料，幫助學生解決學習中的知識難點。例如，在學習地理知識時，通過相應的系統，利用數據頭盔等將學生帶到大草原去領略那里的自然風光，甚至可以觸摸模擬出來的羊群，而且可以使抽象的理論概念直觀化、形象化，方便學生對抽象概念的理解。

(2)探索式模擬學習

全景圖形圖像的虛擬現實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行模擬，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果，而且可以體驗其中的過程。例如，學生可以通過全景圖形圖像技術來體驗火山爆發的場景，而且也可以在生物教學中體驗物種成長的整個過程。利用全景圖形圖像技術進行更深刻的融入學習，探索學習，有利于激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力。

(3)自我模擬實驗

利用全景圖形圖像化模擬技術，還可以建立各種虛擬實驗室。如在“實驗室”里，學生可以自由地做各種實驗。在虛擬物理實驗室里，學生可以做自由落體、慣性等實驗。在虛擬的化學實驗室里，可以利用各種化學藥品做各種不同的化學反應，觀察燃燒、爆炸等反應現象。[5]

(4)技能場景的模擬訓練

利用全景圖形圖像模擬技術，可以做各種各樣的技能訓練。例如汽車學員可以通過模擬頭盔來實現汽車模擬練習，飛行實習生可以通過場景來模擬各種惡劣天氣下的高空模擬飛行，來自我評斷。

五 全景圖形圖像化系統在地理教學中應用實例

1 實現過程簡述

以為了達到認知北京地形，創建相應的地理地圖認知全景圖形圖像化3D系統實例。系統的設計及實現的相關流程嚴格按照前面的設計思路實施。首先利用相關的相機收集到如下的類似圖3素材，進行一番處理。

然后利用maya等3D軟件設計出相應3D模型如圖4。同樣，創建出相應的街道情景，融合出來得到相應3D場景模型。創建數據庫表如下表1，再模型，動畫和虛擬工具整合，然后利用虛擬現實編程工具實現整個功能

2 實例功能及效果簡述

本實例實現了現實地圖的虛擬形象化，生動地體現其地圖位置導向功能。學生通過虛擬頭盔等裝置浸入虛擬北京游覽。這個全景圖形圖像虛擬系統可以很快的認識北京地形及位置，實現了異地認知。而且系統中還簡單地涉及到地圖的二維圖和衛星圖(如圖5 所示)，更能方便用戶的使用和認識全市地形。

參考文獻

[1] 趙啟文.基于圖像的全景圖實現技術的研究[J].遼寧交通科技，2005，(5):84.

[2] 曾濤，戴余良，程剛，王長湖，王新路.非跳躍式全景漫游算法及在X3D下的實現[J].系統仿真技術，2008，4(4):269.

[3] 王鐵錚，張菁，尹太宏.全景虛擬現實在網絡課件中的應用[J].應用科技，2005，32(5):38.

[4] 李哲，姚芳.虛擬大區域場景的建立與瀏覽研究[J].長春工業大學學報(自然科學版)，2008，29(2):192-193.

[5] 何正國，張毓福.基于VRML的交互式虛擬現實多媒體教室的研究及實現[J]. 2006，18(6):37.