虛擬全景技術在工程實踐教學平臺開發中的應用

李岳　蔡靖　宗一鳴　宋歌

摘要：應用虛擬全景技術開發工程實踐教學平臺，通過高精度影像采集、全景合成與視角重構，將以往難以親身到達的飛行區跑道周邊環境在教室計算機終端屏幕重構展示，為學生提供身臨其境般的學習體驗，使學生能夠對道面病害形成與修復過程有系統完整地認識。該教學平臺以智能手機作為運行終端，可直觀動態顯示全景影像，有效提升課堂展示效果，強化課堂交流和互動參與。演示方式貼近學生使用習慣，教學內容分享傳播更加便捷，促進了學生學習興趣的培養和工程能力提升。

關鍵詞：虛擬全景技術；教學平臺；工程實踐

中圖分類號：TU3-4；G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0173-04

實踐教學是培養土木工程專業應用型人才的重要基礎，要求學生對工程現場環境和施工技術有深入了解。然而，受教學大綱和經費條件的限制，目前仍以課堂教學為主，內容枯燥形式單一，造成理論學習與應用脫節，學生畢業后難以快速適應工程現場要求。

虛擬全景技術（Virtual Panoramic）的快速發展為創新實踐教學提供了一種新的表現方式。該技術以目標場景下某一高度為觀察者中心，通過多角度靜態影像拼接，構建環視360°和垂直方向360°的全視覺效果[1]。與傳統平面照片相比，虛擬全景不受單次拍照焦距與視角限制，圖像信息量更加豐富，適合表現大空間工程現場環境[2]。利用上述特點，可將一些高危險性的工程現場全貌，或是學生難以親身前往的施工作業區域（如機場跑道修復、盾構隧道開挖等）在教室內進行實景重現，使學生仿佛置身其中，進而開展實踐教學和學習體驗。

據此，筆者開發了基于虛擬全景技術的工程實踐教學平臺，將其應用于道路與場道工程課程教學。在圖像拼接與變形控制、觀察視角與方位重構、演示方式與硬件終端等方面進行技術改進和創新。以低成本實現真實的工程現場體驗和交互感受，全景展現機場跑道病害形成與損傷修復過程，以豐富實踐教學內容，促進學生學習興趣和應用能力的培養。

一、工程實踐教學平臺設計

目前常用的全景制作軟件，主要是根據相鄰圖片重疊區域判定相對位置，進行全景畫面的縫合拼貼[3-4]。由于缺乏圖像變形控制措施，難以準確還原拍攝視角與觀察方位，影響了全景畫面精度和空間體驗效果[5]。在虛擬全景體驗方面，現有技術主要依托桌面臺式計算機平臺，體驗者需要通過滑動鼠標或鍵盤操作調整觀察角度。由于顯示器位置固定，使用感受類似在平面內拖動一張大幅照片，限制了全景影像立體展示效果的發揮[6]。

針對上述問題，以智能手機作為運行終端，開發工程實踐教學平臺客戶端程序。實時采集和分析手機內置傳感器數據，實現觀測坐標記錄和觀察視角重構功能；借助手機屏幕動態查看全景影像，與教室投影設備畫面共享，改進傳統虛擬全景制作流程與操作方式。通過編制Java程序模塊完善客戶端功能，滿足課堂教學提問、分組討論和結果展示等環節需要。

實踐教學平臺客戶端開發流程如圖1。

二、實踐教學平臺功能與實施

（一）道面信息采集

分析機場道面運行狀況與病害分布規律，選取有代表性的觀測點進行圖像采集。采集內容包括修復前的道面損傷圖像和修復后的工作情況，以及施工過程視頻資料。使用的器材包括可變焦數碼相機、智能手機和三腳架。圖像采集過程中，保持三腳架對齊觀測點且與地面垂直，數碼相機和手機并列固定于三角架頂部云臺上，拍攝過程中保持兩者相對位置不變。選取35 mm作為拍攝焦距，此時照片視角約為63°，與人眼視角最為接近，如圖2。

以60°為界限對全景投影球面進行劃分，計算球面坐標系下各幀照片拍攝方位和俯仰角參數。按照順時針和自上而下的順序，調節云臺螺桿逐幀旋轉拍攝全景影像原始素材，每幀圖像多出的3°視角用途在下一小節說明。

通過客戶端程序讀取手機陀螺儀和重力傳感器實時數據（拍攝方位等同于相機），保證觀測視角與理論計算結果一致，提高全景圖像采集精度。借助手機GPS坐標信息和飛行區CAD平面圖，確定當前觀測點位置。

（二）全景影像合成

將計算球面坐標系下各幀畫面拍攝方位與照片素材一一對應，完善觀察視角基礎數據。采用Adobe公司的Photoshop圖像軟件對各幀照片的亮度、飽和度與對比度指標進行微調，減緩迎光面與背光面光照角度和光照強度差異，獲得曝光水平均勻連續的圖像素材。運用PhotoStich軟件對圖片素材進行排序合成（Arrangement and Merge），相鄰兩幀畫面之間1.5°視角重疊范圍可滿足搭接匹配需要，最后通過軟件自帶瀏覽器對編輯完成后的球面全景效果進行檢查和修正，如圖3。

（三）全景展示與教學應用

虛擬全景體驗可在智能手機上完成，使用者通過轉身和抬手等姿態變化，影響手機內置陀螺儀和重力傳感器實時數據，客戶端程序自動計算和判定手機屏幕在當前球面坐標系下的觀察方位，進而刷新顯示內容，使用者可 “透過”屏幕直觀動態地查看飛行區道面全景圖像。借助觸控拖拽和雙指縮放等操作，還可實現對特定角度的細部觀察，從而獲得理想的現場體驗。

當應用于課堂實踐教學時，將手機Micro USB連接投影設備VGA接口，使學生能夠通過大屏幕實時觀看教師操作過程和全景影像，學生體驗感受對教師形成正向反饋，構成完整的互動教學流程，如圖4。

以某機場滑行道水泥混凝土道面病害分析與修復問題為例，應用虛擬全景技術平臺開展實踐教學，如圖5所示。具體流程如下：

（1）首先通過客戶端程序調取滑行道觀察點全景影像資料，教師講解周邊基本環境，組織學生觀察滑行道兩側道面損傷類型、病害程度與分布。

（2）結合設計規范中關于道面板最不利受荷位置規定，分析滑行道上飛機輪載作用特征，以5～6人分組討論道面病害成因，教師匯總各組意見并點評。

（3）分組研究病害對策，探討短期修復施工方法，組織學生觀看視頻及圖像資料，了解實際施工設備與工藝。在此基礎上，總結施工效果，提出長期根本性的解決方案，最終完成道面維護與修復實踐。

三、工程實踐教學平臺特色分析

（一）完善優化全景影像采集方法

傳統工程現場照片采集容易受到相機鏡頭性能限制，單次拍攝視角狹窄，多幅圖像連續拼接精度與視角定位難以得到準確控制。

對此，建立了投影視角球面坐標系統，對全景投影面進行分段劃分，精確計算圖像采集焦距和拍攝方位，改進全景影像變形控制水平與還原效果，實現對飛行區道面環境的真實再現。通過該方法采集的全景影像貼近人類肉眼觀察視角，可滿足實踐教學應用需要，為學生提供豐富的工程環境信息。

（二）創新虛擬全景體驗與展示平臺

與目前熱門的虛擬現實技術（Virtual Reality）相比，虛擬全景影像無需實時生成復雜的三維數字場景，大大降低了對硬件設備圖像性能的要求。

與另一類增強現實（Augmented Reality）技術相比，虛擬全景體驗無需昂貴的專用眼鏡設備，以目前較為普及的智能手機作為教學應用和展示平臺，擺脫了傳統固定臺式計算機演示手段的限制，充分發揮了智能終端硬件優勢，提高了全景體驗的互動參與水平。虛擬全景體驗綜合硬件投入和技術開發難度更低，更適合在實踐類課程教學中推廣。

（三）豐富教學手段、方便知識共享

發揮虛擬全景靜態畫面和施工視頻動態表現優勢，整合多種教學內容，幫助學生建立工程結構損傷與外部荷載作用的相關性，提高分析和解決實際工程問題的能力。所開發的客戶端程序可滿足個人學習體驗和課堂集體教學需要，教學內容的分享和傳播更加方便，教學方式貼近學生生活習慣和學習需要，學生自主參與性和學習興趣明顯提高。

四、結語

基于虛擬全景技術開發的工程實踐教學平臺，實現了在室內教學環境下對工程現場環境的全景體驗，提升了課堂互動和參與水平，使學生能夠對機場道面病害形成和修復過程形成系統認識，促進自主能動性和創新思維的培養，提高了學生的就業競爭力。

參考文獻：

[1]王仲訓， 丁挺， 于曉丹，等.一種全景圖像拼接算法的實現[J].工程圖學學報 2006 （2）：112-116.

[2]張衛， 向遙. 虛擬全景在建筑教學中的應用研究與實現[J]. 高等建筑教育. 2005 （14）：96-98.

[3]趙向陽，杜利民. 一種全自動穩健的圖像拼接融合算法[J].中國圖像圖形學報，2004，9（4）：417-422.

[4]趙炫， 王生進， 丁曉青. 基于概率圖模型技術的柱面全景圖生成算法[J].清華大學學報：自然科學版，2006，46（7）：1263-1266.

[5]孟祥旭， 楊承磊. 基于未校準照片構造全景圖的新方法[J].工程圖學學報，2002（3）：110-114.

[6]華順剛， 張靜， 歐宗瑛. 基于圖像繪制的球面全景圖生成及自動拼接技術研究[J]. 大連理工大學學報，2003，43（5）：640-644.