旅游區(qū)三維實(shí)景瀏覽平臺的研究與實(shí)現(xiàn)

楊海關(guān)，楊忠祥，冷順綠，安劍英，鄭朝治

（1.云南省測繪產(chǎn)品檢測站，云南 昆明 650034；2.云南旅游職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650221；3.云南省地圖院，云南 昆明 650034）

傾斜攝影測量較傳統(tǒng)手工建模具有真實(shí)性、快捷高效、全自動的優(yōu)勢，該技術(shù)改變了以往航空攝影測量只能使用單一相機(jī)從垂直角度拍攝地物的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多角度傳感器，同時(shí)從垂直、4個傾斜5個角度采集遙感影像，再利用三維建模軟件全自動化處理后可獲取完整、真實(shí)、高精度的三維景觀模型[1-2]。在旅游景區(qū)中，傳統(tǒng)的手工建模難以還原出大范圍真實(shí)的自然風(fēng)景，利用地形與影像更是時(shí)效性、精細(xì)度都達(dá)不到風(fēng)景的美觀程度，而傾斜攝影技術(shù)由于其高分辨率和高真實(shí)感，能真實(shí)立體地還原自然風(fēng)景的狀況，有利于景區(qū)特別是地質(zhì)遺跡的保護(hù)、科普知識的宣傳和直觀展示自然風(fēng)光，從而吸引游客前往觀賞，為用戶提供一種虛擬的旅游方式，為景區(qū)提供一種展示自身形象和資源的新方法。

OSG（OpenSceneGraph簡稱OSG）作為開源三維圖形渲染引擎，為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化功能，具有移植性好、開發(fā)速度快等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)和工程可視化領(lǐng)域[3-4]，其支持多點(diǎn)觸控事件處理、多點(diǎn)觸控原始數(shù)據(jù)獲取，但對交互操作的手勢定義和實(shí)現(xiàn)仍無完整支持[5]。

本文研發(fā)基于OpenSceneGraph渲染引擎，用Qt框架下C++編程語言開發(fā)三維模型的展示平臺，并將觸控技術(shù)引入三維場景可視化中，根據(jù)觸控原數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)手勢識別類型，利用OSG中事件處理機(jī)制與漫游器操作實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，發(fā)揮該技術(shù)在交互上自然、高效的特點(diǎn)，增加三維可視化的可操作性和可用性。

1 多點(diǎn)觸控接口框架

用Qt框架制作平臺界面，可捕捉用戶手勢操作，將多點(diǎn)觸控原數(shù)據(jù)傳遞給OSG框架下消息處理機(jī)制。在此基礎(chǔ)上對事件隊(duì)列進(jìn)行管理和分發(fā)，場景中每一幀刷新時(shí)，事件處理器完成相應(yīng)的漫游操作，其框架如圖1所示。

圖1 觸控用戶接口框架

用戶滑動觸控顯示屏，交互事件首先被Qt捕捉，并傳遞給OSG的事件適配器，加入消息處理隊(duì)列之中。場景中每一幀的渲染會觸發(fā)相應(yīng)的事件處理器，提供給開發(fā)者事件處理函數(shù)handle（），并可獲得觸控事件的類型和多點(diǎn)觸控?cái)?shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)定的交互映射，觸發(fā)設(shè)計(jì)的漫游器類來完成三維空間的漫游操作，從而完成從事件觸發(fā)到場景漫游顯示的處理，事件處理流程如圖2所示。

Qt捕獲用戶輸入Pressed、Moved、Stationary、Released 4種狀態(tài)，構(gòu)造4種類型事件適配器后加入OSG消息機(jī)制中消息隊(duì)列，在開發(fā)者事件處理函數(shù)中可獲得touchBegan、touchMoved、touchEnded 3種類型的事件，對觸控?cái)?shù)據(jù)解析后，觸發(fā)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放3種預(yù)定義的漫游操作來更新三維場景。

圖2 觸控事件處理流程

2 觸控手勢設(shè)定與識別

為滿足旅游景區(qū)場景漫游交互需求，應(yīng)盡可能簡化用戶操作的復(fù)雜性，并結(jié)合手勢操作習(xí)慣，設(shè)計(jì)出三維景區(qū)場景的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放3種手勢。具體操作任務(wù)對應(yīng)的手勢定義如表1所示。

表1 觸控手勢定義

OSG在每幀渲染中會觸發(fā)事件處理函數(shù)handle（），并可獲取觸控點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括坐標(biāo)、狀態(tài)、ID。為實(shí)現(xiàn)表1手勢，相應(yīng)的識別算法如下：

1）觸控點(diǎn)個數(shù)為1則為單指觸控。狀態(tài)為Pressed時(shí)停止漫游，記錄開始平移；狀態(tài)為Moved時(shí)判斷與上一次之間偏移量fltDelta，若fltDelta過大或過小表示是無意中的操作，反之，調(diào)用TouchPan函數(shù)進(jìn)行平移；狀態(tài)為Released時(shí)停止平移。

2）觸控點(diǎn)個數(shù)初始為2時(shí)，計(jì)算兩觸控點(diǎn)移動向量，判斷兩個向量夾角，若角度小于50°認(rèn)為兩點(diǎn)為同向移動，記錄狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)；反之為反向移動，記錄狀態(tài)為縮放。

3）觸控點(diǎn)個數(shù)為2時(shí)，狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)，調(diào)用TouchRotate函數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；狀態(tài)為縮放時(shí)，調(diào)用TouchScroll函數(shù)進(jìn)行縮放。

其中，TouchPan、TouchRotate、TouchScroll是為場景漫游設(shè)計(jì)的漫游器類，通過實(shí)時(shí)修正相機(jī)觀察矩陣的方式來實(shí)現(xiàn)平滑的導(dǎo)航瀏覽。

3 三維瀏覽平臺的實(shí)現(xiàn)

通過多OSG多點(diǎn)觸控框架的分析，在Qt框架下用C++編程語言實(shí)現(xiàn)三維交互觸控操作平臺，再用傾斜攝影測量技術(shù)獲取昆明市世博園的實(shí)景三維景區(qū)模型，在平臺中進(jìn)行交互展示。在28英寸SurfaceStudio一體機(jī)中展示，通過觸控實(shí)現(xiàn)單指平移、雙指縮放、雙指旋轉(zhuǎn)，多方位進(jìn)行交互式操作，對場景放大、縮小、任意改變視角，從不同角度全方位觀看景區(qū)效果，帶給觀賞者強(qiáng)烈的真實(shí)感、立體感，使其身臨其境、觸手可及，從而實(shí)現(xiàn)高度沉浸感的交互展示效果。

通過這種交互式的體驗(yàn)還可以加深旅游者對景區(qū)的印象，消除旅游消費(fèi)中可能存在的不確定性因素，使游覽者在游覽之前對景區(qū)的質(zhì)量和花費(fèi)有明確的價(jià)值認(rèn)知。

實(shí)踐表明，多點(diǎn)觸控手勢算法是有效的，可滿足旅游景區(qū)三維場景交互的需要。

圖3 旅游景區(qū)三維場景展示

4 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)對旅游區(qū)三維場景的展示，用傾斜攝影技術(shù)可快速、高效地獲得高分辨率、高真實(shí)性的三維景觀，并基于OSG多點(diǎn)觸控用戶接口框架設(shè)計(jì)與景區(qū)展示相對應(yīng)的觸控瀏覽平臺。既展示出景區(qū)逼真的視覺效果，又發(fā)揮了多點(diǎn)觸控人機(jī)交互簡單、高效、直觀的特點(diǎn)[6-7]，增強(qiáng)三維數(shù)據(jù)帶來的高沉浸感，為用戶提供一種虛擬旅游的方式。