旅游景區虛擬現實核心技術研究

趙善利

摘 要：隨著人們生活水平的提高，旅游已經逐漸成為國民提高生活質量的必然選擇，人們旅游需求也隨之增加，但受到旅游景區承載力、閑暇時間、可隨意支配收入、路程、惡劣天氣等主客觀因素的影響，旅游活動的發生就會受到限制。所以虛擬旅游是新時代下旅游業成熟發展的一個必然趨勢。本文在分析和總結虛擬現實、虛擬旅游的相關理論基礎上，詳細闡述設計、創建和實景區虛擬旅游系統的全過程。具體的包括：結合虛擬旅游的理論分析，對系統總體設計和細節設計進行理論性探討和可行性分析。通過實地考察獲取數據，結合3DMAX建模軟件和MapGISK9基礎平臺搭建三維場景，借助MapGIS K9數據中心集成開發平臺開發虛擬旅游系統，最終實現以虛擬景區導航地圖功能和虛擬景區三維可視化功能為主的虛擬旅游系統。該系統為景區提供新的宣傳手段和平臺，同時也驗證了基于MapGIS構建旅游景區虛擬現實系統的可行性，為進一步做更深入的研究奠定基礎。

關鍵詞：虛擬旅游；建模；旅游景區

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2016）36-0269-03

一、技術研究背景

（一）研究背景

現實旅游和虛擬旅游是旅游體驗獲得的兩種方式，旅游的六大要素和旅游的先決條件著大多數潛在游客無法變成現實的游客，矛盾促使著旅游的發展，隨著虛擬旅游研究的不斷深入，虛擬旅游的優勢逐漸突顯。它具有著自主性、刺激性、公益性、多感知性、安全性等特點，不受時間、收入、路程、惡劣天氣、旅游團體、旅游景區承載力的限制，隨時可以通過虛擬旅游了解旅游目的地，激發旅游欲望。虛擬旅游的出現也緩解了一些社會問題，在旅游高峰期降低旅游客流量、保護景區的環境容量、提高旅游安全系數、豐富人們娛樂生活方式，讓人們各種群體都能感受旅游，實現社會的真正和諧，虛擬旅游的研究具有社會性和必然性。

（二）研究目的

1.通過研究黃河風景名勝區虛擬旅游系統場景的構建，總結基于構建三維景區的理論方法體系和技術路線，分析這種方法的可行性程度和完善程度，并用實例驗證構建的效果，為更好的構建三維景區做借鑒和指導。

2.通過研究黃河風景名勝區虛擬旅游系統的初步實現，用實例驗證基于MapGIS組件式開發黃河風景名勝區虛擬旅游系統的可行性，將二維和三維在同一系統中實現，并可實時交互，為河南旅游景區虛擬現實系統的開發提供技術基礎和可行性思路，為更深入研究更復雜強大的河南旅游景區虛擬旅游系統做鋪墊，建立河南旅游景區成果的展示平臺和宣傳平臺。

（三）研究意義

目前，虛擬旅游研究還尚不成熟。虛擬旅游研究是旅游體系中新興重要的一個分支，是旅游時代和信息時代結合的產物。本文通過虛擬旅游系統的設計對虛擬旅游進行研究，從實踐中為虛擬旅游的研究發展方向提供參考，如豐富旅游方式多樣化、旅游景區營銷理論等。虛擬旅游的理論研究和實踐研究相輔相成，只有具備良好的虛擬旅游的理論基礎，虛擬旅游的開發和應用才能更具有實踐意義，也只有更深入地研究虛擬旅游的應用，才能不斷地豐富虛擬旅游的理論體系，提升理論研究的價值。

一方面，由于虛擬旅游是多學科多產業相結合的綜合應用成果，因而虛擬旅游不僅能帶動河南旅游業的發展進步，同時也帶動了相關行業的研究和發展。另一方面，研究成果以應用于教育領域、旅游規劃、旅游景區電子導游系統、河南省導游考試系統等。例如建立虛擬旅游教學實驗室，提高教學質量和教學效率，為河南省旅游業建設更好地輸送優秀人才。

（四）國內虛擬旅游研究現狀

國內虛擬旅游研究要遲于國外研究。隨著互聯網的發展和普及，虛擬旅游越來越受到關注，國內學者對于虛擬旅游的研究更是不甚相同。

我國的虛擬旅游產品的開發更多的傾向于文化遺產的保護性研究。例如，2008年由IBM公司同故宮博物院聯手研發三年之久的“虛擬紫禁城”正式在互聯網上展現，“虛擬紫禁城”借助于3D技術和虛擬現實技術將我國賦予代表性的皇家生活園林生動、精細的展現出來，系統共有6條游覽路線，將清代的文物、人物、建筑物、生活情景進行了仿真模擬，比如欣賞一些皇家生活的場景、斗蚰蛐游戲，選擇導游并與其交流。從1993年敦煌研究院就開始與國內外多家單位合作，探索“數字敦煌”，2009年，敦煌研究院擬投資2.6億建虛擬莫高窟。此外，還有“虛擬圓明園”、“虛擬明孝陵”、“虛擬黃山”等虛擬旅游網站。

（五）研究內容

首先，本文分析和總結虛擬現實、虛擬旅游的相關理論基礎。然后，將黃河風景名勝區作為研究區域，收集黃河風景名勝區的自然景觀數據、人文景觀數據、公園規劃資料及三維空間數據等，對虛擬旅游系統進行詳細的可行性分析和設計，借助基礎平臺以及數據中心集成開發平臺開發虛擬現系統分析法運用系統分析法，對虛擬旅游系統的進行總體分析和設計，確定系統的目標和功能，然后通過實地調研收集數據，對比分析建模方法等，確定最適合的技術方法，最終實現黃河風景名勝區虛擬旅游系統的創建。借助三維平臺和建模軟件對物體進行分類建模，最終實現以虛擬景點地圖導航功能和虛擬景點三維可視化功能為主的黃河風景名勝區虛擬旅游系統。

（六）研究方法

1.實地調查法。通過實地調查法采集數據，主要包括到試驗區采集紋理數據、三維景觀數據、人文資源數據、自然景觀數據等，收錄景點介紹材料、景區平面規劃圖等。此外，運用高像素數碼相機采集景區建筑、景觀園林等紋理數據，或者對景點進行度拍攝，以便于后期的景區的復原和三維場景的構建。

2.個案研究法。運用個案研究的方法，選擇黃河風景名勝區作為研究對象和研究區域，通過對該旅游景區的構建虛擬旅游方法的研究，總結出適合河南構建虛擬旅游景區的理論方法體系和技術過程。

3.跨學科研究法?？鐚W科研究法也稱為“交叉研究法”，虛擬旅游系統的研究涉及旅游學、地理學、圖形學、計算機科學、技術、虛擬現實技術等學科，這些學科的綜合應用的水平在一定程度上決定了虛擬旅游發展成熟的程度，因此采用跨學科研究法對虛擬旅游的研究非常必要。

4.系統分析法。運用系統分析法，對虛擬旅游系統的進行總體分析和設計，確定系統的目標和功能，然后通過實地調研收集數據，對比分析建模方法等，確定最適合的技術方法，最終實現黃河風景名勝區虛擬旅游系統的創建。

二、視頻技術實現

通常人眼肉眼看到的真實場景是有深度和層次的立體場景，而我們所說的 3D游戲或電影，并非真正的 3D立體效果，因為使用2D屏幕并且電影拍攝時使用的攝像機也是用的單鏡頭，因此即時是使用 3D的技術制作出的電影，輸出到屏幕顯示也是平面的，這種3D我們稱為平面 3D。做一個簡單的實驗，伸出一只手指，放在眼前任意位置，然后左右眼分別交替睜開與閉上，就會發現，左右眼看到的景象是不同，雖然差別細微，但還是可以清楚的分辨出來，而出現這種的原因就是視覺差（parallax）。而3D立體實現就是將這種視覺差維持在屏幕上連續出現，就是利用這種方式觀眾就能能夠看到3D立體的場景。3D 效果的實現就是利用模擬人兩只眼睛看到稍有不同的景象的視覺差而實現的。

（一）兩種立體投影方案

手持式顯示器、頭盔式顯示器、立體投影顯示設備及立體顯示是現在主流的3D投影顯示設備。前三種方法雖然都能達到立體顯示的效果，但是由于立體景象受到顯示設備的限制，所以只能是很有限的人員能夠參與其中。然而立體的投影設備卻能將由計算機生成的立體場景通過三維投影儀投影到顯示屏幕或者墻面上，用戶需要通過佩戴立體效果眼鏡的方式來對投影的三維立體場景進行觀看，并能夠允許多用戶同時參與。目前，立體的顯示方式，三維立體投影主要可分為被動的立體投影和主動立體投影兩種。

被動立體投影的方式主要是使用驅動程序對左右眼圖像的信息同時渲染，一般是通過雙頭輸出的顯卡來進行同步和輸出。原理是：在保持計算機信息特性不發生變化下，先把圖像在信號分轉設備上輸出，再連接具有立體功能的兩臺投影儀輸出到屏幕上。能夠輸出左右眼圖像，要求兩臺投影儀具有同性能、同配置、同品牌。如果是多通道的，則還需要有多臺投影儀。在投射的左眼圖像投影儀前面加偏正鏡，在投射右眼的圖像投影機前面也加偏振片，但是旋轉角度為90度，用來產生在垂直方向的偏振圖像。用戶就可以通過戴上被動立體眼鏡來獲得逼真的立體效果。根據偏正的原理，兩只眼分別只能看到各自圖像的信息。這種方式，兩個鏡片不需要進行頻繁的切換開關，因此不會產生不適或閃爍不良反應。

（二）雙通道立體投影

我校已經具備3D影視播放廳，可以實現多人參與，良好的視覺效果，本課題研究圍繞一種基于偏正眼鏡的被動式雙通道立體投影方案進行。

雙通道立體投影用戶機用來產生左右眼圖像，再經過融合機融合處理，生成適用寬屏投影的影像對，然后再傳輸到立體轉換器上，轉換器將融合機融合的圖像分解為兩路信息用來投影顯示。能夠產生逼真的立體效果，使觀察者有很強沉浸感。

三、系統的功能實現

此項目開發的播放引擎其中一個很重要的功能是漫游，在關鍵技術研究之外，本文還實現了方便的漫游器，使用者可以使用鼠標或者鍵盤來控制視點和方位，實現自由漫游。除此之外，實現了3D立體播放，天氣的變化，運行環境屏幕分辨率的設置等功能。

（一）漫游功能的實現

在三維場景漫游程序中，場景漫游器實現的原理都是通過鼠標和鍵盤對視點的完美控制完成的。在場景圖中提供了osgGA：：MatrixManipulator類對視點進行操作控制，該類是抽象的基類，它定義了一些最基本的函數體。使用戶可以通過繼承該類，并且重載相應的函數來響應事件（GUI），從而達到控制視點的位置、方向。

由于該類是繼承自osgGA：： GUI EventHandler，因而它還具有捕獲鍵盤鼠標的功能在 osgGA 庫中，處理事件的類 osgGA：：GUIEventHandler 提供了窗口的 事件GUI接口。在編寫程序時候，實現并繼承了該類的子屬類，用來實現自己定義的事件GUI處理。繼承GUI事件類的時候，重新實現它的 handle（）虛函數就可以了。

（二）場景求交

在三維場景中，不論是模型操作還是最終的播放瀏覽，有很多地方都需要進行場景求交運算，比如模型的批量生成，模型選擇，模型面選擇，甚至還有碰撞檢測等。場景圖的函數庫osgGA 提供 InterSector 類用做求交運算。osgUtil：：Intersector 是個虛函數類，它提供相應的相交測試接口，在相交測試的時候，要將該類的派生類的對象傳遞給 osgUtil：：interSection-Visitor 對象，并通過請求對象返回數據來獲取求交運算的結果。

類osgUtil：：InterSector具有四個派生類 ，PlaneInterSector 是用來做檢測平面度的相交運算的類，其中InterSectorGroup是用于多重求交，PolytopeIntersector是用來檢測多個面體的相交運算的類，LineSegeMentInterSector則是用來檢測三維場景圖形與線段的相交狀況的類。

（三）模塊界面具體功能的實現及展示

主界面的框架使用vc++ 基于對話框的MFC編程實現，在主對話框上添加各個功能按鈕實現播放引擎的各種功能，同時使用OSG的example的osgMFC事例實現MFC與OSG開源庫的結合，實現了通過對話框來對場景模型的操作。

1.模型文件的加載。該播放引擎是基于對話框的MFC框架與OSG庫結合，可以實現添加多個ive或者osg模型文件，然后有選擇的實現場景模型的加載（可重新加載）并渲染出場景，關閉文件則實現當前場景的退出，如果要實現程序的退出可以直接單擊退出按鈕；添加文件的事件處理函數OnBnClickedAddfile（），調用系統的打開文件對話框（CFileDialog），定義文件過濾字符串保存播放器支持的文件類型，之后調用CFileDialog的GetNextPathName獲得需要加載的文件的名，最后調用自己實現的模型加載函數LoadFile實現模型的加載。

2.雨雪效果的實現。要實現在場景中下雨和下雪這些天氣的變化，就要利用到osg中粒子系統?；趏sg中的粒子系統，在模型天氣現象方面具有特別好的效果，粒子系統通過結合空間的扭曲能對粒子流產生阻力，風力重力等仿真影響，有效的再現三維場景中的雨雪等天氣景象，產生逼真的視覺效果 。

在OSG中，我們可以利用其中專門的粒子工具，來實現我們想要的天氣效果。為此特別定義了新的名字空間osgParticle，用來處理粒子系統的特效模擬，對經常使用的粒子系統OSG工作者都做了專門的類.我們可以在OSG預定義的粒子系統中，看到大部分的粒子系統模擬都是采用布告板（Billboard）與色彩融合（ColorFusion）技術產生粒子，它能夠模擬粒子系統，產生逼真的視覺效果。

3.調整屏幕分辨率。播放引擎成功運行后，加載場景模型（ive或osg文件）之前，需要配置電腦屏幕的分辨率，以便讓3D 投影儀在環形屏幕上合成具有3D 視覺效果的場景。程序中的調整屏幕分辨率按鈕，可以自動設定所需要的屏幕分辨率2048*768。并在程序退出后恢復到原來的屏幕分辨率。

四、結論

本文著重研究了場景游覽播放引擎中的幾個關鍵技術，主要有漫游技術，包括手動漫游研究漫游器，求交器，使用場景圖開發了交互和底層渲染。所取得的成果和做的工作總結如下：

（1）需求分析是各項工作向下開展的前提，因此在系統設計之初，要站在使用者的角度對系統的各項功能要求做出細致的思考分析。

（2）系統設計是繼需求分析之后的又一重要階段，在系統設計階段，著重就在需求分析階段所形成的需求，模塊化、功能化、細化為系統所要實現的各個模塊。

（3）三維模型是播放引擎的對象，為瀏覽和分析提供了基礎數據。

（4）程序可以修改電腦的屏幕分辨率。

（5）實現了天氣的模擬變化。

（6）實現了場景文件的單雙屏播放模式的切換。

（7）使用被動式雙通道立體投影方案，通過 OSG 實現了立體顯示。

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