虛擬漫游技術在礦政三維動態管理中的應用

摘要：目前，全景照片虛擬漫游技術現已在國家軍事、學生教學、科研和影視娛樂方面得到了廣泛應用，這項技術可以使用戶以自然的方式進行與虛擬環境對象的交互工作，讓用戶體會到近似真實環境的體驗和感受，在貼近用戶增值服務和整合圖片資源方面具有強大優勢。文章就全景照片虛擬漫游技術在礦政信息及三維動態管理中的應用進行了闡述。

關鍵詞：全景圖；虛擬漫游技術；礦政信息；三維動態管理；虛擬環境 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD178 文章編號：1009-2374（2016）19-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.072

現如今，信息技術日新月異，人們更希望通過聽覺、視覺和手勢等信息充分參與到信息處理的環境中，身臨其境地完成信息處理的過程，而不僅僅是對信息處理的結果進行外部觀察，這便催生了全景照片虛擬漫游技術在信息處理方面的應用。虛擬現實技術在我國屬于新興產業，該產業所屬的科技領域具有高難度、投資大的特點，與發達國家相比，我國在該行業沒有形成成熟的產業鏈，相關運營企業普遍缺乏國際競爭力。科學家和政府有關部門已經加大了對虛擬現實技術的研發力度，投入了更多的資金和精力。作為虛擬現實技術的重要組成部分，虛擬漫游技術在這股科技浪潮中蓬勃發展，該技術在礦政信息處理和三維動態管理工作中正在逐步得到應用。

1 全景照片虛擬漫游技術研究

1.1 全景模型研究

全景模型根據不同的全景圖投影展示方式，分為三種模式：圓柱模式、球面模式和立方體模式。這三種模式的不同點就是全景圖的投影方式，圓柱模式就是將拼接好的全景圖投影到圓柱體內表面，球面模式就是將全景圖投影到球體內表面，立方體模式就是將全景圖投影到立方體內表面，在進行模型展示時，全景圖像中的相應部分根據視域的方向進行反投影，即可得到視域處的視圖。

1.2 全景虛擬漫游交互技術

進行全景虛擬漫游的前提就是要構造出一個逼真的特定場景的虛擬現實空間，虛擬現實空間可以由真實空間構成，也可以是實時仿真虛擬的假象空間，用戶在這個虛擬現實空間中自然地漫游需要借助特定的裝備，在空間中可以對虛擬對象從各個角度進行觀察，產生身臨其境的感覺，并可以進一步進行規劃和操作。場景中存在熱點，熱點能夠和用戶在虛擬場景中進行交互，熱點又分為靜態熱點和動態熱點，靜態熱點一直靜止不動，不能隨著全景圖像來回移動，比較適合做一些特定操作的按鈕。動態熱點可以實現不同場景的切換，可以隨著交互者視角的改變而改變。在進行大型復雜場景的瀏覽時，地圖導航可以向交互者提供直觀簡明的全局地圖信息，并可以提示交互者當前所在位置，可以使交互者獲得清晰的全景概念。

1.3 全景圖顯示技術

在進行虛擬漫游過程中，能直接影響用戶體驗的，就是根據參數生成的顯示在屏幕上的圖像，這個圖像是根據視角等參數動態生成的，生成過程中的性能和效果是成像效果好壞的主要因素。為了保證交互者視覺的一致性，我們在交互過程中采用了一系列技術來保證交互者視點轉移時場景的平滑過渡，這些技術包括視點空間緩沖預調、全景圖數據預調、視圖差值、視圖變形、圖像平滑過渡和場景透視感加強等，使交互者在虛擬現實空間中產生實景空間的感覺。

1.4 動畫貼圖技術

將全景圖作為背景，在交互者虛擬漫游場景中的某區域加載一段Flash動畫或動態視頻，將瀏覽者感興趣的信息提供出來，可以使虛擬漫游場景更加逼真。

2 應用實例——西川礦業有限公司非重點礦山的數據采集與處理

2.1 西川礦區情況簡介

西川鐵礦位于寬城滿族自治縣峪耳崖鎮，西川村大野雞峪，地處東經118°27′46″～118°29′03″，北緯40°29′57″～40°30′42″，中朝準地臺（Ⅰ2）、燕山臺褶帶（Ⅱ23）、馬蘭峪復式背斜（Ⅲ27）核部的寬城凹褶束（Ⅳ224）東段。海拔高度為340～830m，境內山巒起伏，山高坡陡，溝川較窄。礦區的地層主要為太古界遷西群上亞群拉馬溝組（Arl），出露于礦區大部分地區，走向北東65°左右，傾向北西，傾角為70°～80°，主要巖石類型有角閃斜長片麻巖和石英角閃斜長片麻巖。礦區片麻巖以單斜構造形式產出，總體產狀北傾。礦區內構造不發育，僅有一些小裂隙，對礦體無影響。

西川礦業有限公司隸屬承德兆豐鋼鐵集團公司，開采方式以平硐、斜井、豎井開拓為主的多中段地下開采方式，生產規模為4.5萬噸/年，礦區面積為0.7542平方公里。礦山井下作業一般上午鑿巖掘進，對巖石進行裝載轉運，下午、晚上爆破排煙。由于西川鐵礦7個中段通過天井進行通氣排煙，排氣孔上下聯通，井下塵霾、油煙污濁，給井下測量、影像采集帶來很大的難度；礦道走向較復雜，有若干廢巷、采空區、斗川，巷道內柴油機車“四不像”穿行其間，斗川溜井內時有溜礦作業，對井下測量、全景影像數據采集影響較大；中段水平相隔50m，接近中午，時有放炮聲傳來，存在一定的安全隱患。

2.2 全景照片制作過程及相關要求

全景照片的拍攝采用尼康D90單反相機配合Nikon10.0mm魚眼（超廣角）鏡頭，使用全景云臺拍攝單站寬幅廣角數碼照片，然后再用造景師軟件進行全景合成影像圖。

全景拍攝過程中執行了如下要求：（1）全景拍攝采用尼康D90單反相機，該相機像素1230萬，滿足全景拍攝像素要求；（2）尼康D90單反相機配備Nikon10.0mm魚眼鏡頭，該鏡頭等效焦距10mm，拍攝6張魚眼照片便可制作出有質量保證的全景圖；（3）拍攝全景照片使用了專業360°全景云臺，該云臺是承載相機等拍攝設備的裝置，其關鍵作用在于將鏡頭節點固定在云臺的旋轉中心上，能夠保證在旋轉相機拍攝的時候，每張相片在一點上拍攝，拼合的全景圖相當完美；（4）為了保證全景拍攝的穩定性，使用了專用三腳架；（5）為保證礦山數據虛擬瀏覽畫面流暢且不失真并保證全景照片無漏洞，設站間距不大于10m；（6）拍攝的單張相片清晰、光照充足；（7）全景相片的縫合沒有明顯的“裂隙”和明顯的色差；（8）多站的鏈接初始方向保持了一致，初始視角一致；（9）井下的主要地物沒有漏拍。

2.3 全景照片的發布及成像效果

應用上海杰圖軟件，使用杰圖—造景師軟件拼合球形全景圖，再用杰圖—漫游大師軟件創建虛擬漫游效果，然后打包發布為Flash格式，用以在系統平臺上進行瀏覽，全景影像成果獲得了無需親臨現場便有身臨其境的感受。

3 生成全景影像過程中的關鍵步驟

3.1 全景圖的生成

虛擬全景漫游場景的制作是我們在制作全景圖過程中遇到的第一個難題，全景圖如果制作不好，生成虛擬全景漫游場景的任務就幾乎可以宣告失敗。我們采用的是采集視點四周景物圖像的方式進行全景圖的對應，然后拼接成全景圖。

3.2 全景圖的實時顯示

為了給用戶提供最直接直觀的視覺感受，我們制作的全景虛擬漫游場景是實時繪制的，而且繪制實時性很強，提高了用戶在體驗虛擬場景時的真實感。繪制的畫面沒有出現失真的情況，畫面過渡過程流暢且自然，提升了用戶體驗。

3.3 動態視頻和靜態虛擬模擬場景的融合

全景圖是靜態的，我們利用漫游子系統的處理，還原了礦區全景圖部分區域的三維信息，并在指定區域添加了視頻動畫，增加了場景的表達能力，讓用戶體驗到了更加真實的模擬場景。

4 結語

在本次西山礦區礦政信息及三維動態管理過程中，我們充分利用了全景照片虛擬漫游技術，實實在在地體會到了這項技術在用戶體驗和信息處理方面的優勢，真切地感受到了科技發展帶給各行各業進行工作的便利，希望有關部門能大力推廣這項技術在其他項目上的應用，讓先進的科學成果為社會進步做出更大的貢獻。

參考文獻

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作者簡介：張國起（1969-），男，河北人，河北省地礦局國土資源勘查中心國土測繪隊技術負責，工程師，研究方向：測繪工程。

（責任編輯：秦遜玉）