地質公園虛擬場景的系統設計研究

常志堅

（陜西職業技術學院陜西西安710038）

地質公園虛擬場景的系統設計研究

常志堅

（陜西職業技術學院陜西西安710038）

在互聯網技術發展環境下，虛擬技術的應用也逐漸廣泛，網絡虛擬化展示技術也隨之發展，對網絡上虛擬技術的應用需求也逐漸加大。為進一步分析虛擬場景在現代公園建設中的應用及推廣虛擬現實技術的應用，本文則結合地質公園建設及虛擬旅游場景設計特點，提出虛擬場景系統設計基本框架，從虛擬場景特點、系統功能、結構及全景圖三維虛擬空間實現模式等不同方面出發，分析地質公園虛擬場景系統設計，實現我國地質公園虛擬場景的發展建設。結果發現不但實現了地質公園虛擬場景建設，同時也對于虛擬現實技術的推廣應用也具有一定的借鑒意義，證實虛擬場景在我國地質公園具有應用可行性及有效性。本文則結合某一地質公園為例，對其虛擬場景系統設計框架探討。

地質公園；虛擬場景；系統設計；虛擬現實

在計算機網絡技術發展，虛擬現實技術正改變著人們的日常生活和工作。顯卡性能及網速的提高，也進一步為虛擬仿真技術的發展提供了條件，網絡環境也逐漸從之前比較封閉的單機環境發展到開放的互聯網環境，加大計算機網絡技術在虛擬現實中的應用已經成為必然發生趨勢。另外社會經濟發展中人們生活水平也有顯著提高等，旅游發展需求也隨之加大。電子商務在旅游行業中具有廣闊的發展空間，各城市的地質公園也開始加大網絡發展。但是目前基于地質公園發展現狀發現，大部分地質公園均還沒有自己的官方網站，只是簡單的借助于一些旅游網站介紹基本情況，自然對于游客的吸引力并不大［1］。其中地質公園虛擬場景設計則是旅游業電子商務發展的一個重要方向，其能夠將旅游景區特色進行360度展示，可以從任何一個方向觀看旅游場景，甚至還能夠實現網上虛擬漫游，給游客帶來身臨其境的感受，從而提高其旅游興趣［2］。本文重點則是對地質公園虛擬場景技術探討，以為之后的旅游及電子商務發展提供相應的參考。

1　虛擬旅游場景設計特點

虛擬場景通常是虛擬地面模型及虛擬地物模型所構成，前者具有地理特征，地類邊界通常都是不規則形狀，例如水草和草地等等，并且地物之間呈拓撲關系，很難采用VRML進行建模，最方便的方法則是三維GIS方法建模，并通過三維GIS模型組織和管理相關數據，實現空間及屬性分析等相關功能［3］。在虛擬地物模型中，則需要最大化提高模擬真實性，并且要從外到內仔細進行觀察，對比來說復雜模型建立的施護3D SMAX方便度要高于VRML編輯器，另外在Ace GIS及3D SMAX中直接導出的VRML文件比較大，也會出現將多個節點結合為一個節點情況的出現，對于后續虛擬旅游場景漫游、查詢等相應功能實現提高了難度。所以關于具體的虛擬旅游場景設計還需要依照實際情況選擇。對旅游虛擬場景實現特點及難點綜合分析，并進行場景分級及分類組織，針對場景整體及地面景觀等進行模型建立，以對用戶的粗略瀏覽和定位提供便利。其中旅游虛擬場景設計技術路線如圖1所示。

圖1　旅游虛擬場景設計技術路線

2　虛擬場景系統結構和功能實現

某地質公園選用的是Active X/COM+/DCOM組件技術和OSG三維圖像引擎技術，構建的三維場景，這一系統在應用中具有開發方便，擴展性強等優點。關于系統的結構設計及功能實現則詳細如下：

2.1系統結構設計

這一系統在結構分為三層，分別為表示層、中間層以及數據服務層，具體結構圖如圖2所示。

圖2　系統結構圖

在這一系統設計中，用戶首先通過表現層提供用戶界面，并將查詢參數輸入其中，之后通過表現層客戶端軟件和中間層的服務器應用，將用戶請求傳遞給數據服務器；之后依照客戶實際需求通過數據服務器進行處理，通過中間層將其處理結果再次返回到表現層，表現層即可以將用戶所需結果顯示出來［4］。本次虛擬場景應用的是三層體系結構，為客戶原有管理信息系統以及地理信息系統等的結合應用提供了便利，同時也能夠有效保證系統的可維護性以及可擴充性。系統結構及構建均能夠通過網絡實施管理，這樣也就有效避免在實施應用程序安裝及更新的時候，針對每一個用戶PC機均需要手工調整的需要。

2.2功能實現模式

在進行系統設計的時候，考慮到地質公園的規劃建設和宣傳展示等實際需求，因此實現的功能包括：

1）場景數據集成及管理功能。也就是應用數據庫方式，將模型中存在的屬性信息、幾何信息以及拓撲信息等等，均集中到數據庫中，為用戶有效訪問及更新提供便利。

2）計算及量算功能。在瀏覽一個陌生區域的時候，用戶可以通過系統查詢兩個地點之間的距離。同時也能夠通過數字高程模型將挖填方面積、地形坡度等相關信息計算出來。

3）特殊效果在虛擬場景中的實現。也就是應用離子系統方法，呈現出雨雪、煙火等一些特殊效果，因為這些功能本身也屬于是仿真系統常見功能，因此將其在地質公園虛擬場景中應用，更有助于為用戶提供逼真效果［5］。

4）瀏覽器的查詢功能。因此目前瀏覽器通常只是模擬場景外觀特性，不具有良好的交互性能，所以在系統設計中針對于瀏覽器功能缺陷，專門提供了更多的訪問方法。例如將地名輸入其中也就可以定位在三維空間中的某一個方位，或者對空間中的某一個物體訪問其中也就能夠得到其空間內的經緯度以及相關文字信息等等。

5）重力及碰撞功能。因為目前在進行虛擬場景設計的時候，主要是模擬地球人類生活環境，因此在漫游的時候加上重力及碰撞效果，更有助于提高漫游者的體驗感受。

6）集成聲音、動畫等多媒體功能。也就是在VR環境中，實現影音媒體功能，為用戶提供良好的聽覺和視覺效果，以此強化用戶體驗的真實效果。

3　全景圖三維虛擬空間的實現

所謂的全景圖，也就是將視點位置進行固定，并且將視線進行一周環視所能夠看到的所有幀，經過系統處理所形成的圖。經全景圖作為基本組成單位，在一個視點之中集中多個具有深度差異的前景圖，也就能夠構成全景圖空間。借助于不同視點之間的“平滑跳動”也就能夠實現多幅全景圖相互間的漫游［6］。這些全景圖不但可以通過普通相機拍攝，同時也可以通過全景相機拍攝，在拍攝完畢之后對其進行鑲嵌。這一方式不用進行復雜的場景建模，也就能夠將其所想要實現的環境進行顯示，所以不用對專門的硬件加速應用，也就能夠得到具有一定現實感的圖像以及實時交互速度。全景圖在實現中最常用的方式為：試點固定、時間不變以及波長不變。重點技術則是圖像拼接技術。全景圖的實現比較簡單，不管是計算量還是存儲量均沒有過高要求，所以在旅游場景虛擬展示系統中的應用非常方便。其實通過真實旅游景點構建出相應的虛擬環境，基于攝影技術得到相應的照片級別細節。首先，對于節點的選取其實也就是將拍攝角度、角度方案確定，具體來講也就是拍攝間隔是多少，每個節點的拍攝方法是什么。其次對于全景圖的實現，則包括這集中方法，采用全景相機直接拍攝，這種方法很簡單的也就可以得到全景圖，也必須對其進行復雜的建模工作。缺點也就是對設備專業度要求較高，設備價格較高［7］；采用普通相機進行拍攝，可以拍出一系列重疊的照片，之后將其進行鑲嵌構成全景圖即可，并且還可以構建成不同的形狀的全景圖，也不需要專業設備，每一張照片均可以實施曝光控制，所以全景圖的光強分布相對來講也比較平衡。最后鏈接則是將依照空間中的視點位置關系將全景圖進行組織，應用在交互顯示中，并且還需要將運動物體也鑲嵌在全景圖中，實現用戶的交互控制。關于旅游場景三維虛擬空間的實現，具體則如下所示。

3.1全景瀏覽基本流程

在研究中發現，關于三維全景瀏覽的實現具體流程則如圖3所示。

圖3　三維全景瀏覽實現流程

3.2素材準備

在進行旅游景點全景圖象制作的時候，首先要準備好景點照片素材。照片采集原始圖片質量將對拼接結構產生直接影響，因此在進行照片素材采集的時候一定要滿足一下幾點要求：1）將相機基本上在景點的中心位置固定，并且選取合適的拍攝角度；2）最大化的確保每幅圖片水平線水平［8］；3）最好應用三腳架拍攝，在三腳架上進行相機水平面上旋轉，以免鏡頭出現偏斜及俯仰情況，最好是始終采用同一個焦距；4）確保一定的重疊范圍，通常是9-12張圖片；5）最大化的避免相鄰照片出現差異度比較大的光亮、色度以及對比度；6）景點的原始圖像應該是靜態的。

3.3全景圖合成技巧

在全景圖合成中，可以對相應的商業軟件進行應用，其中包括：Cool360、Realviz Stitcher、Panoram Maker等。通過這些軟件可以將在一個視點上進行環繞拍攝的數碼照片，無縫連接在一起，并且將其構建成長度比較寬的柱面全景圖。景點全景圖像也就是人在某一個點上所能夠看到的空間圖像，保持一個視點不變，不但變換觀察方向，因此在進行照片拍攝的時候，則可以將相機固定在支架上，必須最大化的避免在轉動過程中出現傾斜或者俯仰情況，將鏡頭作為軸進行一周旋轉并拍攝也就能夠得到這一視點的全景圖。

3.4構建虛擬場景

制作好柱面全景的時候，只是能夠瀏覽單個視點景色，但是還不能夠將其認為成是虛擬現實實景，進一步對制作好的景點全景圖像實施編輯及組織，才能夠真正構建成虛擬場景。

4　結束語

綜上所述，虛擬場景系統設計在地質公園中的應用不但實現了地質公園電子商務優化發展，同時也對于虛擬現實技術的推廣應用也具有一定的借鑒意義，通過以上研究足以證實虛擬場景在我國地質公園具有應用可行性及有效性。這一技術在實際應用中，不管是文件大小、圖形渲染質量，還是造型技術、渲染速度等等各方面均得到進一步優化，同時對于用戶的應用也能夠提高其交互性，本次地質公園的虛擬場景系統設計得到滿意效果，能夠為廣大用戶在地質公園參觀中提供良好的參考資料。但是目前基于網絡的三維仿真技術還處于發展階段，不夠成熟，為進一步擴展虛擬現實技術在我國旅游業發展中的應用，則還需要進一步對其強化研究，全面認識，不斷深化開發研究，促進技術的不斷完善。

［1］胡娜，黃玉青，范鵬，等.地質公園地理空間信息平臺的設計與實現［J］.地理空間信息，2013（3）:109-111，115.

［2］戴競，翟永翠，姜豐落，等.虛擬海洋戰場信息動態實時顯示技術研究［J］.現代電子技術，2013（12）:38-41.

［3］張興國，劉學軍，陳建兵，等.基于GIS青藏公路基礎信息平臺的設計與實現［J］.計算機應用與軟件，2013，30（2）:93-97.

［4］章秉辰，王永成，李金玲，等.云臺山世界地質公園新建地質博物館布展方案研究［J］.價值工程，2013（25）:1-3，4.

［5］賈秋容，齊海燕，關小鳳，等.地質公園開發現狀及其存在的問題研究［J］.技術與市場，2015（9）:267-267，269.

［6］戎桂鳳.基于ArcGlobe的三維地形可視化在森林公園設計中的應用［J］.內蒙古林業調查設計，2012（1）:95-97.

［7］徐春輝，于國強，張偉，等.基于Flex與ArcGIS Server的全景地質信息系統的設計與實現［J］.遼東學院學報：自然科學版，2012，19（4）:268-272.

［8］歐陽攀，李強，盧秀慧，等.基于Unity3D的虛擬校園開發研究與實現［J］.現代電子技術，2013，36（4）:19-22，28.

［9］馮鐵宏，劉新宇，李曉蕾，等.GIS技術在薩拉烏蘇考古遺址公園規劃設計中的應用［J］.文物保護與考古科學，2014，26（4）:62-69.

［10］王華琳.新加坡環球影城虛擬體驗式場景設計［J］.藝術百家，2013（z2）:153-155.

［11］張興國，劉學軍，陳建，基于GIS青藏公路基礎信息平臺的設計與實現［J］.計算機應用與軟件，2013，30（2）:93-97.

［12］楊娟.鰲峰園的景觀設計教學系統的設計［J］.藝術科技，2014（11）:210-210.

［13］趙守凱，張金剛，段紅娟，等.基于Virtools的虛擬校園漫游系統實現技術［J］.微型機與應用，2014（23）:89-91，95.

［14］高學平，唐朝陽，張晨，等.大型景觀湖三維仿真演示研究［J］.南水北調與水利科技，2015（4）:756-759，784.

［15］陳燕.民族村寨旅游開發的傳統模式與生態博物館模式比較［J］.玉溪師范學院學報，2009，25（3）:45-48.

Research on system design of virtual scene in geological park

CHANG Zhi-jian
（Shaanxi Vocational&Technical College，Xi'an 710038，China）

In the development of the Internet technology，the application of virtual technology has gradually been extensive，the network virtualization technology has also developed，the application of virtual technology on the network has gradually increased.In order to further analyze the application of virtual scene in modern park construction and the application of virtual reality technology，this paper puts forward the basic frame of virtual scene system design，based on the characteristics of virtual scene，system function，structure and three-dimensional virtual space.The results show that not only the construction of the virtual scene of the geological park，but also for the application of virtual reality technology has a certain significance，it is proved that the virtual scene in China's geological park is feasible and effective.In this paper，the design framework of virtual scene system is discussed in this paper.

geological park；virtual scene；system design；virtual reality

TN0

A

1674－6236（2016）17-0058-03

2015-11-27稿件編號：201511268

常志堅（1970—），男，陜西寶雞人，碩士，助教。研究方向：景觀設計。