虛擬現實技術應用于電子商務的研究與展望

摘要：虛擬現實技術是集成了計算機圖形學、計算機仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術的一門綜合性信息技術。本文對互聯網環境下用于商品展示虛擬現實技術中涉及的物體幾何模型構建與場景構建方法進行了介紹，重點對基于圖像的幾何建模、基于圖像繪制進行了說明與對比。闡述了虛擬場景中場建模景技術的研究與進展及其在電子商務領域的應用。最后對虛擬現實技術應用于電子商務進行了展望。

關鍵詞：虛擬現實技術 圖像建模 電子商務

中圖分類號: P209 文獻標識碼：Ａ 文章編號：1674-098X(2011)12(c)-0000-00

目前，互聯網上的大部分商品還是以圖片、文字的形式展示，此種展示方法主要存在以下問題：展示圖像多為縮略圖，消費者只能對商品建立較淺的、宏觀的印象；描述產品的語言模棱兩可，使消費者對商品的真實程度產生質疑；商家提供的商品尺寸范圍不夠精確，服裝、鞋類等商品退貨率較高；對商品過于包裝，不注重品質，使實際商品與展示商品存在差異。因此，現階段存在于互聯網的商品展示方法已無法滿足人們的需求，如何更好地創建展示商品的平臺，為先消費者提供更直觀、真實的商品展示方法，已經成為促進互聯網環境下電子商務發展的關鍵。

隨著先進硬件設備的投入，軟件平臺的開發，為虛擬現實技術應用于電子商務領域提供了廣闊的平臺。以基于圖像的幾何模型的建模技術和繪制技術為發展與完善，將虛擬現實技術的交互性、沉浸感、想象性的應用特性與電子商務的客觀需求相結合，體現出其廣闊的優越性。

1 虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術是集成了計算機圖形學、計算機仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術的一門綜合性信息技術，是一種由計算機生產的高技術模擬系統。虛擬現實技術具有三個特性：沉浸感、交互性、想象力[1]。

沉浸感：指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中。利用虛擬現實技術，可使消費者“融入”到虛擬商城中，實現商品挑選、結伴購物、個性化商品制作的一體化購物體驗。

交互性：指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度(包括實時性)。利用虛擬現實技術，消費者可通過專門的輸入、輸出設備，對虛擬商城中展示的三維商品的外觀、特性進一步了解，也可根據自身要求，構建出個性化商品。

想象性：強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

2 虛擬現實場景構建技術

在虛擬現實技術中，最重要的是虛擬世界的構造，即虛擬場景的構建。虛擬三維場景構建的好壞是產生沉浸感和真實感的先決條件。運用基于圖像的幾何建模技術把現實世界的真實三維壞境（實現物體對象的集合）轉變為計算機中的虛擬世界三維環境的過程，稱為實物虛化【2】，而經過基于圖像的繪制技術把人們頭腦中的主觀意義上的概念對象轉化為計算機虛擬世界中的可感知可操作對象的過程稱為虛物實化[2]。

2.1 基于圖像的幾何模型構建

我們獲取的二維圖像記錄了來自相應方向的入射光量、亮度信息、物體輪廓信息等豐富的視覺信息，決定了基于圖像的幾何建模方法的多樣性。基于圖像的幾何建模方法主要研究從二維圖像中提取物體或場景的三維信息，并構建出幾何模型，用于三維場景的組合與構建。

2.1.1基于輪廓的建模

二維圖像中物體或場景的輪廓信息對圖像中其它線索而言是唯一存在的，決定了利用物體的輪廓信息構建物體幾何模型的快速性和有效性。基于輪廓的建模是從多視角拍攝三維物體一系列的二維圖像，從每一幅圖像中都可以抽取出物體的輪廓。從每一個攝影中心出發經過輪廓點的多條射線構成了一個錐殼，錐殼和錐殼內的部分占有的空間構成了一個椎體。Laurenti A把多視覺下椎體的交集稱為物體的“可視殼[4]”。因此，基于輪廓的建模關鍵在于對可視殼的求交，求交后得到的可視殼是物體的相似逼近。

由于大部分物體在圖像中都包含唯一、明確的輪廓信息，使基于輪廓的建模可應用于透明、特征點較少、紋理欠缺等難處理的物體模型，具有通用性。但是，基于輪廓的建模需要建立在精確的相機標定（內、外參數標定）、獲取準確的物體輪廓信息上，因此，對所采集到數據源要求很高。并且，基于輪廓的建模無法恢復出物體的凹陷處，會丟失凹陷處、洞穴[3]等的細節信息。利用基于輪廓的建模的快速性、高魯棒性的優勢，可以構建出對模型精度要求不高，實時性較好的虛擬場景。

2.1.2基于立體視覺的建模

計算機立體視覺是運用兩個或多個攝像機對同一景物的不同位置成像，然后從視覺中恢復深度信息的技術。它是基于人體的視覺成像原理，利用左右眼觀察物體時得到的信息視差來判斷物體的相對深度的。基于立體視覺的建模方法的步驟為：相機標定、相點匹配、計算視差、恢復深度信息。針對不同的應用目的和要求可以建立不同的立體視覺系統，相機標定和相點匹配的方法也各不相同。

攝像機標定的精度，將直接影響最終模型建立的精度與效果。傳統的標定需要在場景中置放一個標定物，常見的有二維標定物和三維標定物。二維標定物因其維護和制作相對簡單，而被廣泛應用。經典的平板法有張氏標定[5]和TSAI 氏標定[6]。相點的高精度匹配需要強壯的匹配算法。根據匹配單元的不同，常用的匹配方法有區域匹配、特征匹配、相位匹配。基于基于立體視覺的建模方法模擬了人類視覺獲得物體深度信息的方法，可靈活運用于各種條件下的場景構建。在立體匹配時，由于圖像的數據量過大，加大了搜索匹配點的工作量，受匹配算法的影響，對有重復紋理的模型不適合。

2.1.3基于光度立體視覺的建模

一幅圖像在計算機中是以點陣的形式存在的，圖像上的每一點用灰度值表示，該點的灰度值反映了三維物體相應點上反射光的強度。在朗伯物體[7]表面反射模型下，物體表面接受的照射幅度與散射光輻度近似相等，即反射光的強度與物體表面的幾何形狀有直接的聯系：

I（x，y）=Kd·s(x，y)N(x，y) (1)

其中，Kd與光源強度、光源與物體表面的距離、攝像機焦距、物體的材料有關。S為光源向量，N為物體表面的法向量。 如果能建立3個這樣的方程，即可確定物體上一點的法向量。為此，WOODHAM[8]提出了一種在光源可控制的條件下，通過獲得統一視點在不同光源方向下的明暗信息，來恢復物體表面形狀的方法，這種方法稱為基于光度立體視覺的建模。

與基于輪廓、立體視覺的建模相比，光源的位置、方向成為光度立體視覺法的關鍵控制因素，利用少量圖像即可恢復物體表面的形狀。基于光度立體視覺的建模方法與光源密切相關，對光照壞境要求較高。

3 基于圖像的繪制

在構建虛擬場景時，與傳統的基于圖形的建模相比，基于圖像的繪制是將預先獲得的一組圖像進行編碼，繪制出任意視點位置的新場景。基于圖像的繪制不需要復雜的幾何建模，脫離了對象的3D結構，獨立于場景變換的復雜性，只與所生成畫面的分辨率有關；圖像來源簡單，既可以計算機繪制，也可以實際拍攝；對硬件要求不高，在普通的微機上即可運行虛擬的全景圖，保證了虛擬場景的實時顯示。

3.1 基于圖像變形與視圖變形的圖像繪制

圖像變形與視圖變形是產生圖像之間差補變換的一類基于圖像的繪制技術，他們利用兩個不同視點獲取同一類物體的不同圖像，通過圖像變形與視圖變形獲得差補圖像。根據特征基元不同，可將圖像變形的算法分為：

（1）基于特征線段的圖像變形。如Beier提出的Fiel morphing [9]法，通過特征線建立圖像的對應關系，實現圖像變形約束。

（2）基于控制點、網格的圖像變形。先沿橫向對圖像做變形處理，再沿縱向對圖象進行變形處理，其關鍵技術為:坐標變換和圖像采樣。

（3）首先對圖像進行預變換，兩幅圖像不是平行視圖時，需要把他們映射為平行視圖。

3.2 基于全光函數的圖像繪制

Adeslo和belgen提出的全光函數[10]定義了在觀察者的角度在任意視點所能感受到的所有的輻射能量。在空間任意一點（Vx，Vy，Vz）處，任意視角為（B，A），任意時刻為t，光波波長為L，則函數可表示為：

P=p(a，b，l，Vx，Vy，Vz，t) （2）

基于圖像的繪制就是要在給定的全光函數的離散采樣集合的基礎上，重構連續全光函數，是對全光函數的采樣、重建、和重采樣的過程。

由于全光函數是一個七維的函數，計算機需采集的數據量較大，實現全光函數的采集不實際，針對這種情況，可以采用降低維數的方法對其進行簡化處理。忽略L，t的變化時，全光函數降為5維參數函數：‘

P=（a，b，Vx，Vy，Vz）

（3）

實際上，要得到5維全光函數的連續表達也很困難。由Levory和Hanrahan[11]提出的光場繪制（Light Field Render）方法和Gortler等提出的光照圖，可實現降5D全光函數到4D的光場全視函數。用同心拼圖{12}的方法可將全光函數降到3D。

3.3 基于全景圖的繪制

基于圖像的繪制的全景圖系統，其基本思想是：把同一視點的圖像序列合成同一坐標下的全景圖。獲取全景圖的方式有兩種：①直接獲取：利用全景照相機或魚眼相機[13]拍攝1—3張照片，處理后即可獲得全景圖。②圖像的拼接：通過普通相機獲取圖像，再對圖像進行拼接融合后生成全景圖像。第一種方法簡單、方便，但儀器的價格昂貴，不容易普及使用；第二種方法對儀器的要求簡單，可實現性高，因此被普遍應用。

全景圖的生成過程為：

1.選擇全景圖模式。全景圖是構成虛擬環境的基本單位，描繪了某個視點周圍環境的圖像。一般采用立方體、圓柱體、球體等模型來實現，即將獲取的一系列圖像組映射到立方體、圓柱體、球體等內表面。

2.采集圖像序列。原始圖像的好壞，將直接影響最后生成的全景圖的效果。在采集過程中，要盡量找到景物的中心位置進行拍攝，并保證每幅照片的水平線盡量保持水平（避免不同照片的亮度、對比度、色度有較大的差異），保證相鄰照片之間有20%—40%重合度。

3.圖像拼接。其基本的思想是將兩幅取自相同視點，但不同視角的圖像連結起來，是生成全景圖的過程中最關鍵的步驟。找到在RGB、YUV空間[14]里的基本相同的像素點，即找到兩幅相鄰圖像的重合部分。

4．圖像融合。通過圖像融合使兩幅圖像在拼接后不出現明顯的拼接縫，在亮度上沒有明顯的差別，實現圖像間的平滑過渡。

4 虛擬現實技術在電子商務領域的應用

電子商務是指實現整個貿易活動的電子化。主要是指利用網絡提供的通信手段在互聯網上進行交易活動，包括通過互聯網買賣產品和提供服務。根據虛擬現實技術在電子商務不同領域內的應用，將其分為兩大類：展示商品、娛樂休閑、三維地圖。

4.1商品展示

將面向對象與虛擬現實技術的三個特性相結合，既提供了全面、直觀的商品展示平臺，還實現了瀏覽者按照自己的意愿瀏覽，其空間感與交互性是其它商品展示平臺無法實現的。它的應用主要體現在以下幾方面：

1.3D商城。

商家通過搭建立體店鋪，全面虛擬購物的瀏覽、挑選、支付過程。同時，讓顧客在3d虛擬環境中漫游、互動性聊天，使用戶身臨其境。美國專業零售商布魯克斯東(Brookstone)推出了一個三維的虛擬購物店。虛擬商店再現出真實商店的原貌和規格。通過鼠標和鍵盤，顧客可以在走廊走動，停下來瀏覽商品，并把商品放大觀看。當顧客在某一件商品前停留時，系統會自動顯示出商品的細節信息。

2.舉辦大型商品會展。

商品會展為企業和客戶提供了溝通的橋梁。通過虛擬現實技術，可以真正實現“一次布展，永不落幕”。從布置展覽到瀏覽都可以在線完成，能夠實現實時調整，實時顯示，使一個企業，一個產品面對更多地區人群。同時克服了中小型企業因資金、時間、人力、物力的限制而無法參加大型會展的難題，對已有的產品、新設計的產品和概念產品都能進行完美的展示。將虛擬現實技術應用于商品會展，能夠減少推廣成本，為企業獲得更大的利潤。

3.對產品銷售的宣傳

房屋開發銷售公司可以利用虛擬實景瀏覽技術展示樓盤的外觀、房屋的結構、布局和室內設計，并可以用來制作樓盤的介紹光盤。購房者在家中通過網絡即可仔細查看房屋的各個方面，提高潛在客戶的購買欲望。更重要的是，采用虛擬實景瀏覽技術可以方便房地產開發商進行期房的銷售。

美容會所、健身會所、咖啡、酒吧、餐飲等環境的展示，借助全新的虛擬展示推廣手法，把環境的優勢清晰地傳達給顧客，從而營造超越競爭對手的有利條件。

4.2 娛樂與休閑

虛擬現實技術在娛樂休閑方面的應用主要體現在虛擬三維社區。

虛擬三維社區真正實現了虛擬現實，可在互聯網上仿真虛擬社會的各種活動。虛擬社區可以是一個會場、教室、俱樂部、展覽會、畫廊、博物館、古玩市場等，世界各地的人可借助互聯網開展各種文化科技、娛樂活動。虛擬三維社區通過建立一個大型的虛擬場景，每個虛擬場景的訪問者都可以指定一個“替身”， “替身”在場景中可以漫游。

4.3 三維地圖。

運用三維虛擬技術，可在互聯網上建立許多應用系統，如虛擬三維旅游景點、虛擬三維城市建設交通等。虛擬三維地圖是通過人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個孤立的單視角3D模型無縫集成，經過虛擬美化處理以后，形成三維地圖數據文件。Google在實景三維地圖中又增加了文字說明信息和圖片信息，使使用者得到更多的地理信息。同時，在地圖軟件中增加了定點導航信息，使使用者的出行變得更加方便。

5 展望

互聯網沒有時間和空間的限制，電子商務活動可以全天進行，為虛擬現實技術應用電子商務領域提供了可行性。虛擬現實技術是有深遠的潛在應用方向的新技術，將對電子商務領域產生深遠的影響。

6 致謝

感謝教育部大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金支持（項目：面向互聯網交易平臺的仿生新型三維攝像技術研究與實現；編號101053005）。本文同時受到湖南省自然科學基金（11JJ2036）和湖南省教育廳資助科研項目（11A116）資助。

參考文獻

[1] 劉淑芬，曾紅，劉輝.虛擬現實技 術的應用與研究[J].機械研究與應用，2009，(3):8-11

[2] 李自立.虛擬現實中基于圖形與圖象的混合建模技術[J].中國圖象圖形學報，2001，(1)：96-99

[3] 邱建雄，趙躍龍，楊瑞元.基于圖像的建模和繪制技術綜述[J].小型微型計算機系統，2004，25（5）：908-911

[4]LaurentiniA．ThevisualhullConceptforsilhouselle-basedImageunderstanding[J] .IEEE TransactionsonPatternAnalysisandMachine Intelligence，1994，16(2)：150-162

[5] Banerjee Avan ， Sundar dhar ，Anindya ， Banerjee Swapna . FPGA realization of a CORDIC based FFT processor for biomedical Signal processing [JMicorprocessors and Misrosystems ，2001，25(3).

[6] Woodham R J，Photometry methodfor determining Surface orientation from multiple images[J]．Optical Engineering198O，19(1).

[7] Thaddeus Beier.ShawnNeelyFeature-BasedimageMetamorphosis'A1ProcSIGGRAPHI’，92 [C].35-42.

[8] M Levoy，P Hanrahan .Light Field Rendering[A].In:ComptureGraphics Porceedings ， Annual Conference Series ， ACM SIGGRATH.NewOrleans ，1996，43-54.