基于全景技術(shù)的虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的實(shí)現(xiàn)

于興艷　卞琛

摘 要：三百六十度全景技術(shù)是虛擬仿真中場景實(shí)現(xiàn)方法方向十分重要的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，本文采用基于全景圖像拼接技術(shù)創(chuàng)建全景圖的方法構(gòu)建真實(shí)感侵入感強(qiáng)烈的體驗(yàn)式在線漫游虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室，簡潔快速得實(shí)現(xiàn)了在線虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的實(shí)景漫游，該系統(tǒng)在烏魯木齊職業(yè)大學(xué)印刷專業(yè)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)中得到使用，對輔助印刷專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)及其他專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)均具有重要的實(shí)際意義和參考意義。

關(guān)鍵詞：虛擬技術(shù)；全景漫游；圖像拼接

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

1.1 全景技術(shù)概述

全景技術(shù)也稱為全景攝影或者虛擬實(shí)景，是一種基于靜態(tài)圖像在計算機(jī)平臺上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的一種技術(shù)，它是使用相機(jī)環(huán)360度拍攝的一組或者多組照片通過無縫連接的方式拼接成一張全景圖像，并通過計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位互動式觀看的真實(shí)場景還原展示方式[1]。該技術(shù)所有的數(shù)據(jù)源直接取景于真實(shí)場景，通過無縫拼合源圖像實(shí)現(xiàn)360度全景展示，同時能夠結(jié)合圖片、音視頻及文字等方式，通過多種瀏覽器或軟件打開場景，實(shí)際使用只需操控鼠標(biāo)或鍵盤即可便捷控制瀏覽虛擬場景的方向，如前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)觀看場景任意角度等，用戶能夠在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行身臨其境的交互觀察和體驗(yàn)。

1.2 全景技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)的三維建模技術(shù)等難度較高的實(shí)現(xiàn)技術(shù)相比，全景技術(shù)的優(yōu)勢詳見表1。

1.3 全景技術(shù)在教育領(lǐng)域虛擬展示的意義

作為一項新技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為廣大教師提供了一種全新的教學(xué)手段[2]。全景技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膹V泛性，特別是科研方面、虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真校園，虛擬教學(xué)等方面。全景技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為生動和逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，親身體驗(yàn)相對于抽象的理論或文字更能加深鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。全景技術(shù)在教學(xué)方面的具備極大地優(yōu)勢。

（1）節(jié)約成本。出于設(shè)備采購、場地布置、運(yùn)營經(jīng)費(fèi)等多方面因素限制，大學(xué)中很多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器并不能直接購置用于學(xué)生教學(xué)，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生能夠感受到逼真的實(shí)訓(xùn)場景，獲得與真實(shí)實(shí)訓(xùn)同等的學(xué)習(xí)成效，極大的節(jié)約了教學(xué)及培訓(xùn)的成本。

（2）易于網(wǎng)絡(luò)傳播。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了空間、時間的限制，學(xué)生足不出戶便可以隨時利用網(wǎng)絡(luò)參與專業(yè)學(xué)習(xí)。

（3）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，環(huán)境可以隨時修改或根據(jù)需要不斷增加新的設(shè)備儀器，教學(xué)實(shí)踐能夠隨技術(shù)發(fā)展不斷更新，極大的方便了專業(yè)教師教學(xué)資源的儲備與更新。

本文以烏魯木齊職業(yè)大學(xué)虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)為例，系統(tǒng)采用全景技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)行簡單的實(shí)訓(xùn)室虛擬展示。通過虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室環(huán)境供學(xué)生漫游，既實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)室與學(xué)生之間的互動交流，增強(qiáng)了在線漫游式的體驗(yàn)感，又可以充當(dāng)能夠移動的電子教學(xué)場所，利用交互式網(wǎng)站目錄進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，學(xué)員能夠以遠(yuǎn)距離的直觀學(xué)習(xí)方式加速對專業(yè)背景的熟悉，與專業(yè)理論相互配合改善學(xué)習(xí)效果。最主要的是，通過研究全新的虛擬實(shí)訓(xùn)方式，打破原有枯燥教條的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模式，為探索出一條低成本、高效率的實(shí)訓(xùn)之路提供了新的思路，全方位提升了實(shí)訓(xùn)室的虛擬教育服務(wù)功能。

2 虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的具體實(shí)現(xiàn)（Specific method of

virtual printing training room）

2.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程（圖1）

圖1 虛擬印刷室實(shí)訓(xùn)室技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

Fig.1 Virtual printing room training room

technology implementation process

2.2 虛擬印刷室實(shí)訓(xùn)室實(shí)現(xiàn)詳細(xì)步驟

2.2.1 前期準(zhǔn)備：獲取數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)的獲取方式將全景圖的生成分為三類：全景相機(jī)、魚眼鏡頭、普通數(shù)碼相機(jī)，三者比較優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

本文主要采用第三種普通數(shù)碼相機(jī)結(jié)合三腳架等儀器獲取全景圖像的方法，此方法成本較低，實(shí)現(xiàn)速度快，技術(shù)可行性高。

圖像拍攝是全景系統(tǒng)制作過程中的非常關(guān)鍵的步驟，圖像采集質(zhì)量的好壞直接影響照片素材數(shù)據(jù)源在后期制作過程中能否順利進(jìn)行無縫拼接，所以必須按照一定的規(guī)則拍攝方可。詳細(xì)拍攝方法如下：

①將相機(jī)固定在某點(diǎn)，一般使用三腳架固定，確保相機(jī)圍繞一個中心點(diǎn)進(jìn)行水平或垂直方向轉(zhuǎn)動，也就是說保證拍攝轉(zhuǎn)動角度后的圖像均置于同一水平面，經(jīng)濟(jì)許可的情況下最好配置水平儀。相機(jī)大致位于場景的中心位置。

②依次按照旋轉(zhuǎn)相機(jī)，每隔一定的角度拍攝一張圖片，最終獲取一組有序圖像，由于相鄰兩張圖像的重疊區(qū)域是保證圖像無縫拼接定位的要素，必須確保相鄰圖像的旋轉(zhuǎn)角度有部分重疊。受普通數(shù)碼相機(jī)鏡頭限制，本系統(tǒng)拍攝中環(huán)繞水平一周大致拍攝了14張照片，保證了同一場景的相鄰序列照片有10%—20%的重疊部分。系統(tǒng)第一次水平拍攝一周得到原圖如圖2所示。

圖2 水平拍攝一周得到的數(shù)據(jù)源圖像

Fig.2 The level of the source image data obtained

by shooting circle

③基于水平中間線垂直向上或向下30度—45度調(diào)整相機(jī)，繼續(xù)環(huán)繞水平一周拍攝一組照片，確保新序列數(shù)據(jù)源圖像與第一組水平角度拍攝的照片序列在垂直方向有10%—20%的重疊部分。

④所有拍攝點(diǎn)拍攝完畢后補(bǔ)拍天與地，便于后期合成完整場景。

至此獲取所有數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)后就可以通過軟件進(jìn)行全景圖的無縫拼接制作程序。

2.2.2 制作中期：圖像合成與修圖

由于拍攝場景光線條件不足、相機(jī)色彩或曝光度設(shè)置不合理等因素，往往容易導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)效果較差，此時就需要對圖像進(jìn)行后期處理。例如可以利用Photoshop等制圖軟件調(diào)整圖像畫面的曲線、亮度和對比度等設(shè)置參數(shù)，修復(fù)場景中的不合理部分通過圖像后期處理得到理想的數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)。

全景圖的拼接原理基于三種模型，分別是球狀投影、柱狀投影與立方體投影，本系統(tǒng)主要利用柱狀投影圖像拼接技術(shù)將序列圖像有序地拼接成一張首尾相接的圖像。其中使用的柱狀全景圖合成原理為：在拼合時，以一張圖像為參考圖像，將待拼接圖像根據(jù)特征點(diǎn)匹配關(guān)系計算出的單應(yīng)矩陣進(jìn)行圖像變換，然后再將這兩張圖像拼接起來，經(jīng)過后續(xù)處理可拼接成一張首尾相接的全景圖[3]。采用此方法，圖像的重疊區(qū)域能夠達(dá)到相對精準(zhǔn)的匹配，重疊區(qū)域自然過渡，實(shí)現(xiàn)方式簡易，效果良好。

本系統(tǒng)基于柱狀投影合成原理，在垂直方向的每一角度均生成一段子拼合圖像序列，同時利用樹狀合成方式，將每段子序列圖像繼續(xù)拼合匹配，能夠進(jìn)一步減少圖像拼接的誤差，最終生成較完備的柱狀球型全景圖，其最直觀的生成方式原理如圖3所示。

圖3 柱狀全景圖合成原理

Fig.3 Cylindrical panorama composite theory

本虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室采用合成全景圖的軟件為圖形拼接軟件PTGui，詳細(xì)操作步驟如下：

（1）打開PTGui軟件，單擊菜單中的“文件”--”導(dǎo)入”，將實(shí)驗(yàn)前期拍攝好的數(shù)據(jù)源圖像全部導(dǎo)入至軟件執(zhí)行區(qū)域中。

（2）利用“檢測”功能設(shè)置參數(shù)，由系統(tǒng)自動匹配相鄰圖像之間的關(guān)鍵點(diǎn)，計算出對應(yīng)圖像及邊界圖像之間的索引與距離（圖4），進(jìn)行全景圖預(yù)拼合，如果部分圖片的關(guān)鍵點(diǎn)不能匹配或得到的關(guān)鍵點(diǎn)過少導(dǎo)致不能無縫拼合，則需要在相鄰圖片中手動增加多處控制點(diǎn)（圖5），多次實(shí)驗(yàn)直至相鄰圖片匹配精準(zhǔn)為止。最后適當(dāng)調(diào)整圖像視覺效果與尺寸，單擊“合成全景圖”完成合成。

圖4 相鄰圖像之間的索引與距離

Fig.4 Index and the distance between adjacent images

圖5 手動添加控制點(diǎn)

Fig.5 Manually add control points

（3）最后通過執(zhí)行文件導(dǎo)出命令，輸出合成后的全景圖像（圖6）。至此，完成虛擬實(shí)訓(xùn)室全部數(shù)據(jù)源圖像組的全景拼接工作。

圖6 合成全景圖

Fig.6 Synthesis panorama

（4）將準(zhǔn)備好的全景圖片通過全景制作軟件pano2vr創(chuàng)建全景漫游程序。

在Pano2VR軟件中，將由PTGUI中生成的全景圖拖動到輸入?yún)^(qū)內(nèi)，系統(tǒng)將自動識別出當(dāng)前全景圖為矩形柱狀全景類型圖。在本步驟中，需要注意的地方是交互熱點(diǎn)的創(chuàng)建。設(shè)置交互熱點(diǎn)可以在不同場景的全景圖中創(chuàng)建鏈接，使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)場景切換的效果。只需單擊交互熱點(diǎn)中的“修改”按鈕，在需要創(chuàng)建熱點(diǎn)的區(qū)域雙擊鼠標(biāo)左鍵，全景區(qū)域中就會添加新的熱點(diǎn)，然后設(shè)置ID，在“標(biāo)題”欄輸入該熱點(diǎn)的提示文字，在“URL”下拉列表框中選擇需要跳轉(zhuǎn)的場景，就能完成一個熱點(diǎn)的設(shè)置，在全景系統(tǒng)中可以添加多處熱點(diǎn)，此外，還可以調(diào)整“目標(biāo)”參數(shù)，能夠修改鏈接場景的角度，同時還可以設(shè)置不同的皮膚文件、導(dǎo)航與雷達(dá)。

全景系統(tǒng)支持生成swf、HTML5等格式的漫游系統(tǒng)，以生成swf格式的漫游系統(tǒng)為例，單擊“輸出”中的“增加”按鈕，自動彈出flash輸出設(shè)置對話框，在此可以調(diào)整像素值以提高系統(tǒng)質(zhì)量，也可添加漫游的穿越過場效果、自動旋轉(zhuǎn)、靈敏度、多邊形熱區(qū)等多種參數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)漫游體驗(yàn)效果，在返回主界面后單擊“創(chuàng)建”按鈕即可生成SWF漫游程序。

圖7 swf版全景漫游系統(tǒng)

Fig.7 Swf wersion panoramic roaming system

如圖7所示swf版全景虛擬實(shí)訓(xùn)室漫游主界面，系統(tǒng)已可以通過一系列的導(dǎo)航圖標(biāo)來控制漫游方向。在后期制作的過程中我們還可以采用插入語音解說、圖片、文字介紹，以及flash動畫等方式，使整個系統(tǒng)功能更加完善。

2.2.3 制作后期：完善漫游系統(tǒng)

為了方便虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)方式的漫游，基于visual studio.net平臺進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)的瀏覽與發(fā)布功能，最終完成B/S模式系統(tǒng)的創(chuàng)建。

3 結(jié)論（Conclusion）

本文通過烏魯木齊職業(yè)大學(xué)虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室的制作實(shí)例，應(yīng)用全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬印刷實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)，使學(xué)生能夠方便快捷的通過網(wǎng)絡(luò)在線漫游，以簡潔明了的互動方式操控虛擬現(xiàn)實(shí)場景，更真實(shí)直觀地了解印刷實(shí)訓(xùn)室布局和印刷儀器設(shè)備。該系統(tǒng)構(gòu)建速度快，實(shí)現(xiàn)方式簡單，為烏魯木齊職業(yè)大學(xué)的印刷專業(yè)輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了一種全新的方式，對我校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合起到了很好的推廣、促進(jìn)作用，也為其他專業(yè)的實(shí)訓(xùn)輔助教學(xué)提供了參考。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 蔡田露，高俊強(qiáng).360全景技術(shù)與應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代測繪，2012

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[2] 李建榮，孔素真.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)

室科學(xué)，2014（3）：98-100.

[3] 馬杰.360全景圖像拼接技術(shù)研究[D].西南財經(jīng)大學(xué)，2012.

作者簡介：

于興艷（1981-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計算機(jī)軟件開

發(fā)，多媒體技術(shù).

卞 琛（1981-），男，博士生，講師.研究領(lǐng)域：計算機(jī)軟件

開發(fā).