基于虛擬現實技術的全景校園參觀平臺構建研究
——以深職院西麗湖西校區為例

陳冀東，吳世德，吳綺眉

(深圳職業技術學院，廣東深圳 518055)

21 世紀科技的發展伴隨著數字化、信息化的特點，隨著高新技術的進一步發展，學校的方方面面也日趨數字化、智能化與現代化。新生入學后需要盡快熟悉校園環境，傳統入學教育往往通過學院集中組織參觀的方式進行，存在著“難組織、長耗時、不安全”等問題。本研究擬采用VR 技術，將全校各個教學、實踐、生活等場地通過3D 攝影、剪輯建模等環節，通過虛擬顯示技術搭建全景校園參觀平臺，提供一個既安全舒適，又節省時間和資源的校園參觀體驗新模式，讓使用者能夠在繪聲繪色的虛擬現實環境中走遍校園的各個角落。未來，學生們也可以通過平臺間的聯網達到共享校園資源的目的，從而實現“足不出戶，走遍全國各大高校”的夢想。

1 虛擬現實的相關技術

1.1 VRML

虛擬現實建模語言，即VRML，是一種用戶利用它建立真實世界場景模型，或者構建一些虛構的三維世界的場景模型語言，它具有平臺無關(或跨平臺) 的特性: 即在計算機上的運行不受平臺的約束，一次編譯完成之后可以在多個不同的平臺運行。我們可用來搭建現實世界的場景模型，也可用于虛擬世界的三維建模。不同的平臺與它都能做到良好的兼容，因此也是ISO 國際標準的網上虛擬現實語言。使用它可以監控人的操作行為，并快速地做出回應，提高用戶的體驗[1]。除此之外，作為一種具有解釋功能的三維建模語言，VRML 具有面向對象，面向web的特點。它加強了WWW 的交互性，使之更豐富。在VRML 中，每個對象被稱為一個結點，所有復雜的物體是由一個個子結點通過不同的形式簇擁而成。不同的結點在不同的實際應用中可以被多次使用，對它進行命名以后，就可以在用戶進行動態三維虛擬場景構建時進行調用。其基本工作原理可概括為：文本描述、遠程傳輸、本地計算生成。

1.2 OpenGL

OpenGL 作為一種面向2D 和3D 圖形應用程序接口，誕生于1992年，具有可靠性高、可拓展、可伸縮、靈活、容易使用等多個特點，并且能夠在不同的多個平臺進行完美移植使用。目前已經成為業界各種不同平臺使用范圍最廣的選擇，不同的計算機平臺通過它開發設計出了成千上萬、種類繁多的應用程序。開發者可以通過一些轉換程序，便捷地將3DS、DXF 等模型文件轉換成OpenGL 的頂點數組。OpenGL 圖形庫提供基于基本元素的繪制函數及復雜三維物體、復雜曲線和曲面的繪制函數，變換方式含基本變換及投影變換。這樣的變換使得運算時間銳減，3D 圖像的顯示速度加快。OpenGL 功能十分強大，調用起來也很方便。借助第三方軟件使三維視頻對象更加清晰逼真、交互性更強，如Viewpoint、QuickTime VR 等。

1.3 Viewpoint

虛擬現實Viewpoint，是由美國Viewpoint 公司提供的一種基于Web 的3D 解決方案，基于XML 語言的構架可以非常便捷的和瀏覽器及數據庫進行鏈接通信，并且可以將它完美內嵌到不同的多個軟件中去使用，正是因為這樣的特性，使得Viewpoint 在許多場景和平臺得到廣泛應用。開發者只需要在用戶端安裝一個小巧的免費插件，通過它就可以在互聯網上搜索、查閱以流方式傳輸的3D 模型，并且還可以通過用戶端對選擇的對象目標物進行相關操作，如旋轉、縮放等。Viewpoint 這一解決方案，考慮到了Web3D 開發、使用不同階段需求的各個環節，和其他許多方案相比有著明顯的不同：Viewpoint 是由開發者通過自己開發設計、編輯處理之后完成線上傳輸3D 圖像對象的技術路線，并非通過其他渠道導入3D 圖像這一路徑[2]。此外，虛擬現實Viewpoint 最大的技術特點是它生成的文件格式非常小，這對文件的保存和傳輸來說是巨大的優勢，另外其三維多邊形網格結構具有可伸縮性和流傳輸性，這一特點更加提升了它通過網絡傳輸的便捷優勢，也就決定了它能夠獲得更多用戶的青睞和支持。憑借特有的壓縮技術和流式播放方式、良好的互動性，Viewpoint 在虛擬現實技術的應用中占有重要地位。

1.4 3DSMAX 建模

3DSMAX 是制作建筑效果圖和動畫制作的專用工具。大量用戶在使用它時都感受到了其強大完備的功能，以及十分友好的使用方法。它擁有許多理想的命令提供，用戶可以根據需要將其運用到室內外效果圖制作方面的基本建模、材質賦予、貼圖使用和燈光創造等圖形文件。其具有大量的插件，可以以最高的效率完成工作，有了它，該項目如虎添翼，達到高效率。

1.5 魚眼鏡頭

魚眼鏡頭是一種焦距為16 mm 或更短、視角接近或等于180°的鏡頭，我們可以把它理解成是一種極端的廣角鏡頭。我們知道魚的眼睛大多可以在一個非常大的角度自由旋轉，探視周邊環境，魚眼鏡頭正是基于這樣的特性設計而成的，它的最大視角范圍一般可以達到220°到230°，這一特性，在我們需要在短距離拍攝大范圍場景提供了可能。當用戶通過魚眼鏡頭完成拍攝時，還會有非常強烈的透視效果，使得拍攝效果實現“近大遠小”的明顯對比效果，拍攝出來的換面具有十分震撼的感官效應。

1.6 Mocha VR

Mocha VR 是Boris FX 公司發布的一個跟蹤軟件，此軟件針對全景視頻做出了許多針對性功能，例如：使用遮罩能夠在平面視角下正確變形，在跟蹤完成后用戶導入的圖片素材可以得到正確的變形。因此它能完美的處理我們拍攝過程中不真實的圖片，大大提高了我們的工作效率，降低了時間成本。

2 虛擬校園全景平臺的建立

2.1 數據收集階段

數據收集是建立虛擬校園全景平臺必不可少的前提，研究團隊需要有很強的洞察能力和敏銳的觀察力，首先，要借助測量、相機拍攝等方式了解建筑的實際屬性。其次，要根據學校的建校歷史、建筑歷史來對每個建筑進行更深入的了解。最后，要面向在校師生進行深度訪談調研。三者結合整理出相應的數據和照片資源，以圖文結合的方式來展示每個建筑的數據。其中建筑群主要包括：樓宇、林地、道路、公共設施等。數據收集分4 類：（1）圖紙資料：向相關部門申請查閱學校地圖、航拍照片、建筑景觀及校園工程制圖等資料；（2）校史資料：向學校有關部門拿取校園建筑群歷史，以及校園官網的校史簡介；（3）圖片資料：團隊通過實地考察拍攝得出；（4）師生調查資料：校園調查師生意愿。

2.2 數據分析階段

對收集完成的各項數據資料加以匯總和分析，根據項目的設計目標進行資料的整理和篩選，討論、確定符合拍攝需求的校園主要建筑群以及制定拍攝全環游路線。

2.3 3D 校園全景拍攝環節

3D 校園全景的拍攝效果決定著項目的成果，與平臺用戶體驗感有著密不可分的關系。通過“魚眼攝像機”、數碼相機、全景云臺、三腳架來對數據分析階段得出的建筑群及環游路線實現大范圍無死角全景拍攝，使得視覺效果達到最佳化。所有場景都是真實空間中存在的，真實感極強，讓校園景象展示得淋漓盡致，全面展示學校建設環境[3]。

該研究通過“魚眼攝像機”實現的3D 校園全景VR 景象，其攝像機成熟的圖像處理技術大大提高了該項目的視覺效果，及大大降低了本項目的成本，使得項目更加可實現化、高效化，可謂“高效率低成本”。

2.4 剪輯建模

（1）篩選攝影得出最佳的成像。通過團隊的綜合研究考察及實際建筑群的對比，得出最優成像。其考察評估因素包括：建筑群的真實性、視頻天氣、除拍攝的建筑群以外的雜物涉及程度等。

（2）通過造景師與漫游大師的綜合運用，進行影像的綜合處理，將影像達到最佳視覺效果，同時也最大化的貼合現實。

（3）通過3DMAX 進行3D 建模。通過3DMAX中的布爾交、并、補運算等多種方式進行建模，將拍攝得到的影像進行處理，制作不規則貼圖。最終通過拼接得到最終的校園虛擬全景。

2.5 PC 端VR 平臺搭建

團隊通過VRML 建模語言為用戶提供虛擬平臺系統進行良好交互的功能。VRML 是一種基于C/S模式的訪問方式，用戶互聯網下載待訪問的文件，并經過由本機平臺上的VRML 瀏覽器訪問該文件，便于暢游于事先設定好的虛擬世界。虛擬校園可視化的實現，使得各大高校的師生們能通過一個固定的平臺對校園信息進行最真實的環游體驗。同時平臺上可通過高校互享實現“高校互游”——“足不出戶，游遍全國各大高校”的夢。

平臺利用VRML 語言，并通過鏈接數據庫，實現用戶與平臺及高校的互動，及時回應和滿足用戶需求，提高用戶的體驗，為學校及學生提供一個在線瀏覽校園風光的互動平臺。

3 質量檢測

該研究采用可以獨立實現大范圍無死角監控的全景攝像機——“魚眼攝像機” 進行拍攝VR 圖像，用于建模實現校園虛擬全景。但是拍攝過程中，如何降低甚至消除天氣、攝像頭高度等不確定因素的影響呢？ 團隊通過以下方式進行了優化。

（1）分路段分場景進行拍攝。分路段分場景的方法進行拍攝可以有效降低各種誤差。最終只需要進行簡單的視頻合成即可，同時，后期處理也極其方便，如果后期發現視頻不甚滿意，只需要對該路段或者場景進行重復拍攝即可，無須全過程拍攝，可以大大減少人力、物力的消耗[4]。

（2）同一場景多次拍攝擇優采用。通過多次測量求平均值，但是此處我們對其進行了項目化，就是花費大量時間多次拍攝多次觀看，以及結合python 的視覺算法，計算出最優的視頻片段。兩者結合，最終篩選出對該項目平臺搭建最優化的全景視頻，待全部場景拍攝完成之后進行合成。通過批量拍攝，篩選得出最佳拍攝成品。

（3）利用mochaVR 進行全景視頻的后期處理。眾所周知，后期處理就是對前期的失誤和不足進行彌補，首先要做的就是修改色差，其次通過畸變校正添加字幕和包裝元素，再次校正畸變并準確跟蹤，最后擦除還原補漏。

4 交互平臺設計

（1）通過人機交互，虛擬校園全景平臺的高沉浸感得以實現。要實現好的交互，就要搭建好虛擬顯示場景系統，關注漫游場景運行時的焦點變化，用戶實現方向等的轉變等。VRML 建模語言正是為用戶提供了虛擬漫游系統進行良好交互功能的[5]。VRML 是一種基于C/S 模式的訪問方式，用戶互聯網下載待訪問的文件，并經過由本機平臺上的VRML 瀏覽器訪問該文件，便于暢游于事先設定好的虛擬世界，使得及時回應用戶的操作。

（2）高校間的交互亦是交互的核心。實現各大高校間的漫游交互才能使得該項目更有意義，也更能滿足用戶的多樣化需求。而VRML 建模，只要有其他高校數據資源，便能載入到平臺，實現高校互聯[6]。高校互聯可以促進高校之間的溝通交流，高校間的文化碰撞，從而給同學們帶來“不一樣的大學”的視覺體驗，也增進了高校之間的合作及友誼。

5 展望

研究過程中，已經盡力采用最簡單的建模方式打造最逼真的三維場景，并能實現精準、快速、逼真的漫游效果。除此之外，該項目還可以引導學生們關注和使用VR 技術帶來的便利性，并以此為契機，豐富VR 相關技術人才的培養模式和實踐途徑，吸引更多的同學關注VR 技術和知識，鼓勵有能力的同學參與VR 資源的開放，為專業人才培養提供案例，具有一定的實用性，為校園宣傳提供了一個形象新奇的可視化人機交互平臺，也為數字校園的建設開拓了一個全新的研究領域，積累了實踐經驗。