基于VR技術(shù)的三維虛擬校園系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘" 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）作為一種新型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，基于VR的三維虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建，在校園宣傳和校園數(shù)字化建設(shè)方面具有重要意義。該項目的研究區(qū)域?yàn)樘m州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，基于傾斜攝影測量系統(tǒng)采集校區(qū)影像數(shù)據(jù)，使用Smart 3D軟件進(jìn)行校園三維實(shí)景建模。同時，在720云平臺建立全景校園漫游系統(tǒng)，共同構(gòu)建三維虛擬校園系統(tǒng)。結(jié)果表明，2種方式結(jié)合更有利于三維虛擬校園系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；虛擬校園；傾斜攝影；測量；系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號：TP391" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-00４９-0４

Abstract： Virtual reality technology（VR）， as a new technology， has been widely used in various industries. The construction of VR-based three-dimensional virtual campus system is of great significance in publicity and digital construction on campus. This project studies Lanzhou Modern Vocational College， collects campus image data based on oblique photogrammetry system， and uses Smart 3D software for 3D campus modeling. Meanwhile， a panoramic campus roaming system is established on the 720 cloud platform， so as to build a three-dimensional virtual campus system. The results show that the combination of the two methods is more beneficial to the comprehensive application of three-dimensional virtual campus system.

Keywords： VR technology; virtual campus; tilt photography; surveying; system construction

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性特征，VR技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、Internet技術(shù)和人工智能技術(shù)的集合。通過計算機(jī)對參與者施加聽覺、視覺和觸覺等感受，允許參與者視覺交互和操作，讓參與者置身于虛擬世界中，逼真地模擬了真實(shí)場景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了人類發(fā)展的重大變革。三維虛擬校園就是VR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的全方位體現(xiàn)，通過虛擬校園的構(gòu)建，很好地實(shí)現(xiàn)了校園軟硬件設(shè)施的集中展示，有助于對學(xué)校的招生宣傳、校園環(huán)境規(guī)劃建設(shè)起到重要作用，對于學(xué)校數(shù)字化建設(shè)具有重要的意義。

本項目以蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院為研究區(qū)域，設(shè)計建立三維虛擬校園系統(tǒng)。通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，主要進(jìn)行兩方面的研究。一方面，利用Smart 3D軟件建立三維校園的實(shí)景模型。另一方面，通過720云平臺建立全景校園漫游系統(tǒng)。

1" 三維實(shí)景校園模型構(gòu)建技術(shù)路線

傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常是利用三維建模軟件（如sketchup等）建立實(shí)體模型，但這類方法較為復(fù)雜，要對模型進(jìn)行投影貼圖、明暗處理等，建立的模型效果的逼真度和細(xì)節(jié)都達(dá)不到仿真要求。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是三維建模中較新的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，將無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合，利用無人機(jī)從多個傾斜角度獲取地物影像數(shù)據(jù)，突破傳統(tǒng)航測只從單個方向獲取數(shù)據(jù)的局限，更加完整地獲取地面數(shù)據(jù)，具有周期短、效率高、精度高且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院地處蘭州新區(qū)職教園區(qū)，學(xué)校總占地面積2 708畝（1畝約等于667 m2），建筑面積100.3萬m2。校區(qū)主要以教學(xué)建筑為主，校園地形平坦，落差較小，但是由于校園面積廣大，如果采用人工測量技術(shù)，外業(yè)的工作量相當(dāng)繁重且難以完成。所以本研究項目采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，利用無人機(jī)進(jìn)行空中攝影測量，能快速、高效地獲取影像數(shù)據(jù)。

基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建校園三維模型主要包括校園影像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、建立三維模型等步驟，基本流程如圖 1 所示。

2" 三維實(shí)景校園模型構(gòu)建應(yīng)用實(shí)踐

2.1" 采集外業(yè)數(shù)據(jù)

2.1.1" 測前準(zhǔn)備

在測量前，準(zhǔn)備好無人機(jī)、RTK等相關(guān)設(shè)備，給電池充滿電，并攜帶備用電池。查看航測區(qū)周邊的天氣、光照和風(fēng)力等狀況，確定好測量時間。本項目測量設(shè)備相關(guān)情況見表1。

2.1.2" 航線布設(shè)

在無人機(jī)地面軟件中，依據(jù)測區(qū)形狀布設(shè)航線，同時要確保獲取的影像能夠覆蓋全部測區(qū)。兩方向航線像片旁向重疊為70%～80%。

2.1.3" 無人斜攝影相關(guān)參數(shù)確定

1）設(shè)定航高。公式如下

H=f×dg/a，

式中：H為攝影高度，f為鏡頭焦距；dg為地面分辨率；a為像元尺寸。重疊率計算需要通過像點(diǎn)位移來確定，以保證圖像的清晰性。

2）根據(jù)地面影像的分辨率和飛行速度，計算出像點(diǎn)位移量，公式如下

＆=V×T/dg ，

式中：＆為像點(diǎn)位移；V為飛行速度，km/h；T為相機(jī)曝光時間，s。

利用以上公式進(jìn)行計算，最后設(shè)置本次航測的相關(guān)參數(shù)。航高為70 m，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%。

3" 采集像控點(diǎn)

三維校園模型的精度和像控點(diǎn)密切相關(guān)，所以布設(shè)像控點(diǎn)的要符合空三測量精度要求。本項目中采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法，像控點(diǎn)布設(shè)在校區(qū)的平地處，盡量選擇正射航片的中線附近，并且清晰可見特征明顯。像控點(diǎn)的測量采用實(shí)時動態(tài)差分設(shè)備（RTK）進(jìn)行測量。每一個像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集2 次以上，最后若數(shù)據(jù)符合要求，就取平均值。若不符合，則重新測量，保證建模數(shù)據(jù)的精度。像控點(diǎn)分布圖如圖2所示。

3.1" 獲取航飛數(shù)據(jù)

無人機(jī)的起飛地點(diǎn)在預(yù)先選好的平地上，四周教學(xué)樓等高大建筑和設(shè)施較少。測量前，為了提高獲取數(shù)據(jù)的精度，進(jìn)行了縝密的準(zhǔn)備工作。在無人機(jī)軟件平臺中，設(shè)置航高為70 m，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%。等距間隔拍照，拍照間隔時間為2 s，相機(jī)與航線平行。無人機(jī)起飛后，操控飛機(jī)至設(shè)定高度，調(diào)整好飛機(jī)的方向，然后根據(jù)設(shè)定好的航線航測。由于校區(qū)面積較大，在對研究區(qū)域進(jìn)行分區(qū)后展開多批次的航飛測量。在測量過程中，通過無人機(jī)搭載的多個鏡頭進(jìn)行拍攝，從多個角度拍攝地面目標(biāo)，得到了地物的多視角影像，獲取了豐富的建模數(shù)據(jù)。在本項目研究中采用PPK動態(tài)后處理技術(shù)，該系統(tǒng)由一個基準(zhǔn)站和一個流動站組成，是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GPS定位技術(shù)，當(dāng)無人機(jī)到達(dá)待測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，同時該點(diǎn)GPS 接受機(jī)記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過后差分處理解讀出高精度的POS數(shù)據(jù)。

3.2" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于無人機(jī)飛行時的不可控因素，導(dǎo)致航測過程中獲得的定位定姿數(shù)據(jù)較多，需要檢查POS數(shù)據(jù)是否冗余。還有無人機(jī)受風(fēng)向的影響，重疊影像區(qū)域不規(guī)則等因素，還需要檢查是否有影像畸變的情況，檢查獲得影像數(shù)量與理論數(shù)量是否在誤差范圍以內(nèi)，檢查影像清晰度、曝光度和色彩等方面，最后總體檢查影像的文件格式是否有錯誤。為了保證三維模型的質(zhì)量，要對獲得的原始影像勻光勻色，經(jīng)過處理后的測區(qū)影像，整體上實(shí)現(xiàn)色調(diào)、色溫和飽和度等的一致性，沒有偏光偏色的現(xiàn)象。

4" 校園實(shí)景三維建模

校園實(shí)景三維建模主要包括航測影像和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空三加密、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型構(gòu)建，自動紋理映射和實(shí)景三維建模。本項目使用的軟件為Smart 3D三維建模具體操作步驟如下。

4.1.1" 航測影像和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入

首先新建一個工程文件，依次添加影像，在照片分組中添加POS文件，設(shè)置照片名稱和經(jīng)緯度高程一一對應(yīng)，導(dǎo)入成功后會顯示飛機(jī)航線。如果航線是錯誤的，就要檢查坐標(biāo)系和POS值是否正確，導(dǎo)入成功后設(shè)置鏡頭焦距。然后通過空三、多視影像密集匹配和構(gòu)建TIN等步驟獲取空三質(zhì)量報告后，最后提交三維實(shí)景模型重建、真正射影像（ＴＤＯＭ）和數(shù)字地表模型（DSM）項目。

4.1.2" 空三加密

創(chuàng)建空三任務(wù)進(jìn)行空三運(yùn)算，空三任務(wù)的效率取決于計算機(jī)的配置。空三加密的過程會對航片進(jìn)行特征點(diǎn)提取，對提取的特征點(diǎn)再進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，再解算出每張航片的空間位置及空間姿態(tài)。空三加密完成后可以對整個飛行情況進(jìn)行評估，刪除沒用的航片，為下一步模型生成打好基礎(chǔ)。

4.1.3" 添加像控點(diǎn)

空三加密完成后導(dǎo)入控制點(diǎn)，選擇坐標(biāo)系，將xyz一一對應(yīng)，之后在三維視圖中能看見導(dǎo)入的坐標(biāo)點(diǎn)。點(diǎn)擊像控點(diǎn)，找到相應(yīng)的匹配照片，依次給像控點(diǎn)刺點(diǎn)。一般通過3～5張照片就可以找到準(zhǔn)確位置，因?yàn)闄z查點(diǎn)是用來檢測模型精度，所以檢查點(diǎn)不用刺點(diǎn)。刺點(diǎn)是空三過程中重要的環(huán)節(jié)，其關(guān)系到整個模型精度，完成后進(jìn)行二次空三運(yùn)算。完成后根據(jù)像控值和誤差值，判斷是否合格。如果誤差過大，就要重新刺點(diǎn)，查找原因，最后可以導(dǎo)出空三成果。

4.1.4" 實(shí)景三維建模

在空三任務(wù)下創(chuàng)建重建任務(wù)，設(shè)置瓦片分塊為水平劃分，然后根據(jù)計算機(jī)配置設(shè)置瓦片大小和模型的坐標(biāo)系，最后得到模型效果。整個過程中，經(jīng)過空三加密獲得了大量高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軟件通過空三加密點(diǎn)計算出TIN，并生成沒有貼圖的瓦片，通過瓦片的位置從航片中得到貼圖紋理，最后輸出校園實(shí)景三維模型，如圖3所示。

4.1.5" 模型的修復(fù)優(yōu)化

在三維建模過程中，建模精度受到多種因素的影響，如軟件應(yīng)用、環(huán)境等，模型會存在扭曲、缺失的問題，出現(xiàn)這些問題就需要檢查分析原因。在 Smart 3D軟件中，檢查模型中若有冗余的數(shù)據(jù)區(qū)域，可進(jìn)行刪除。如果有缺失的區(qū)域，如水面等沒有貼圖，可以手動進(jìn)行修復(fù)。

4.1.6" 精度分析

三維模型建立以后，需要對三維模型進(jìn)行精度的評定。通過使用RTK測量得到像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)與三維模型上的相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行對比，可以計算出X、Y、H方向的誤差。三維模型坐標(biāo)精度詳見表2。

經(jīng)過計算，得到相應(yīng)的中誤差。X方向的中誤差為0.034 m，Y方向的中誤差為 0.042 m，H方向的中誤差為 0.030 m。平面精度中誤差小于0.05 m，高程精度中誤差小于0.08 m，符合三維模型建模的精度要求。

5" 720云平臺發(fā)布VR全景漫游地圖

5.1" 720云平臺發(fā)布的技術(shù)設(shè)計

720°全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于全景圖像虛擬真實(shí)場景的技術(shù)，在視覺體驗(yàn)上水平視角能夠達(dá)到360°，垂直視角達(dá)到180°，能夠直觀地虛擬校園真實(shí)場景，給人以沉浸式的體驗(yàn)。本項目中主要是利用無人機(jī)傾斜攝影測量獲取的影像，通過PTGui軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接處理，從而得到校園全景圖。

5.2" 全景影像的拼接

PTGui是一款基于多平臺的全景攝影照片拼接軟件，軟件以高度自動化實(shí)現(xiàn)影像的高效拼接，生成高精度的全景圖象。本項目中利用PTGui實(shí)現(xiàn)了影像的完美拼接，關(guān)鍵步驟如下。

5.2.1" 按順序?qū)霐?shù)據(jù)影像

在【相機(jī)/鏡頭】中擇鏡頭類型為“普通鏡頭”，點(diǎn)擊對準(zhǔn)圖像。圖像對準(zhǔn)后，觀察圖像刪除冗余度較高的影像。如果出現(xiàn)相鄰影像的控制點(diǎn)沒有自動匹配的圖像，就需要手動進(jìn)入控制點(diǎn)面板添加控制點(diǎn)，再進(jìn)行自動匹配，直到所有圖片都完成拼接。

5.2.2" 選擇“曝光/HDR”，設(shè)置曝光優(yōu)化

選擇“優(yōu)化器”，對影像進(jìn)行優(yōu)化。在編輯全景圖時，調(diào)整圖片的水平和中心點(diǎn)的位置。在蒙版中，紅色標(biāo)識不保留的地方，藍(lán)色標(biāo)識不變的地方。并在“優(yōu)化器”里進(jìn)行視點(diǎn)校正，最后點(diǎn)擊“創(chuàng)建全景圖”，導(dǎo)出的文件格式為jpg。如果導(dǎo)出的全景圖有殘缺，可以用Photoshop進(jìn)行處理。

5.2.3" 全景影像的修補(bǔ)

由于無人機(jī)航拍時拍不到天空的畫面，使用PTGui自動合成的全景圖中天空部分有缺。因此需要用Photoshop軟件來補(bǔ)全天空部分。把天空素材導(dǎo)入 Photoshop后，利用仿制圖章等工具把天空填滿。然后調(diào)整飽和度、亮度和對比度等，直至全景圖變得清晰自然。最后檢查全景圖，如果有教學(xué)樓被天空遮蓋的現(xiàn)象，使用橡皮擦工具擦除天空遮擋教學(xué)樓的部分，確認(rèn)效果無誤后保存輸出全景圖片。

5.3" 圖像上傳、發(fā)布與瀏覽

目前，國內(nèi)有很多的全景虛擬漫游平臺，本項目使用當(dāng)下最為流行的720云平臺進(jìn)行VR全景的發(fā)布，720云平臺是一個集全景數(shù)據(jù)上傳、制作和分享等功能于一體的綜合性服務(wù)平臺。進(jìn)入720云平臺的網(wǎng)站主頁https：//720yun.com/find，登陸主頁注冊720云平臺賬戶，將前期拼接制作好的影像上傳到平臺。上傳成功后，可編輯作品標(biāo)題和相關(guān)介紹，發(fā)布后即可看到效果。通過設(shè)置“編輯”目錄，設(shè)置導(dǎo)航、VR眼鏡、切換視角，幫助用戶實(shí)現(xiàn)虛擬校園的漫游和交互體驗(yàn)。還可以利用720 云平臺強(qiáng)大的分享功能，分享到百度地圖、攜程各大平臺，實(shí)現(xiàn)學(xué)校的跨平臺宣傳的。

6" 結(jié)束語

本項目利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù)，研究構(gòu)建了校園的三維實(shí)景模型的思路和技術(shù)流程，將校園的景觀和設(shè)施直觀地呈現(xiàn)出來，高度還原校園真實(shí)環(huán)境，構(gòu)建的模型成為校園數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分。在此基礎(chǔ)上，利用影像數(shù)據(jù)基于720 云平臺建立了校園全景漫游系統(tǒng)，虛擬校園漫游系統(tǒng)將Internet與VR技術(shù)結(jié)合起來，為用戶提供身臨其境游覽校園的體驗(yàn)。2種方法的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的充分利用，豐富了三維虛擬校園建設(shè)的內(nèi)容和維度，增加了三維虛擬校園應(yīng)用的途徑，極大地提高了學(xué)校宣傳和展示的效果。

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