地质公园虚拟场景的系统设计研究

常志坚

（陕西职业技术学院陕西西安710038）

地质公园虚拟场景的系统设计研究

常志坚

（陕西职业技术学院陕西西安710038）

在互联网技术发展环境下，虚拟技术的应用也逐渐广泛，网络虚拟化展示技术也随之发展，对网络上虚拟技术的应用需求也逐渐加大。为进一步分析虚拟场景在现代公园建设中的应用及推广虚拟现实技术的应用，本文则结合地质公园建设及虚拟旅游场景设计特点，提出虚拟场景系统设计基本框架，从虚拟场景特点、系统功能、结构及全景图三维虚拟空间实现模式等不同方面出发，分析地质公园虚拟场景系统设计，实现我国地质公园虚拟场景的发展建设。结果发现不但实现了地质公园虚拟场景建设，同时也对于虚拟现实技术的推广应用也具有一定的借鉴意义，证实虚拟场景在我国地质公园具有应用可行性及有效性。本文则结合某一地质公园为例，对其虚拟场景系统设计框架探讨。

地质公园；虚拟场景；系统设计；虚拟现实

在计算机网络技术发展，虚拟现实技术正改变着人们的日常生活和工作。显卡性能及网速的提高，也进一步为虚拟仿真技术的发展提供了条件，网络环境也逐渐从之前比较封闭的单机环境发展到开放的互联网环境，加大计算机网络技术在虚拟现实中的应用已经成为必然发生趋势。另外社会经济发展中人们生活水平也有显著提高等，旅游发展需求也随之加大。电子商务在旅游行业中具有广阔的发展空间，各城市的地质公园也开始加大网络发展。但是目前基于地质公园发展现状发现，大部分地质公园均还没有自己的官方网站，只是简单的借助于一些旅游网站介绍基本情况，自然对于游客的吸引力并不大［1］。其中地质公园虚拟场景设计则是旅游业电子商务发展的一个重要方向，其能够将旅游景区特色进行360度展示，可以从任何一个方向观看旅游场景，甚至还能够实现网上虚拟漫游，给游客带来身临其境的感受，从而提高其旅游兴趣［2］。本文重点则是对地质公园虚拟场景技术探讨，以为之后的旅游及电子商务发展提供相应的参考。

1　虚拟旅游场景设计特点

虚拟场景通常是虚拟地面模型及虚拟地物模型所构成，前者具有地理特征，地类边界通常都是不规则形状，例如水草和草地等等，并且地物之间呈拓扑关系，很难采用VRML进行建模，最方便的方法则是三维GIS方法建模，并通过三维GIS模型组织和管理相关数据，实现空间及属性分析等相关功能［3］。在虚拟地物模型中，则需要最大化提高模拟真实性，并且要从外到内仔细进行观察，对比来说复杂模型建立的施护3D SMAX方便度要高于VRML编辑器，另外在Ace GIS及3D SMAX中直接导出的VRML文件比较大，也会出现将多个节点结合为一个节点情况的出现，对于后续虚拟旅游场景漫游、查询等相应功能实现提高了难度。所以关于具体的虚拟旅游场景设计还需要依照实际情况选择。对旅游虚拟场景实现特点及难点综合分析，并进行场景分级及分类组织，针对场景整体及地面景观等进行模型建立，以对用户的粗略浏览和定位提供便利。其中旅游虚拟场景设计技术路线如图1所示。

图1　旅游虚拟场景设计技术路线

2　虚拟场景系统结构和功能实现

某地质公园选用的是Active X/COM+/DCOM组件技术和OSG三维图像引擎技术，构建的三维场景，这一系统在应用中具有开发方便，扩展性强等优点。关于系统的结构设计及功能实现则详细如下：

2.1系统结构设计

这一系统在结构分为三层，分别为表示层、中间层以及数据服务层，具体结构图如图2所示。

图2　系统结构图

在这一系统设计中，用户首先通过表现层提供用户界面，并将查询参数输入其中，之后通过表现层客户端软件和中间层的服务器应用，将用户请求传递给数据服务器；之后依照客户实际需求通过数据服务器进行处理，通过中间层将其处理结果再次返回到表现层，表现层即可以将用户所需结果显示出来［4］。本次虚拟场景应用的是三层体系结构，为客户原有管理信息系统以及地理信息系统等的结合应用提供了便利，同时也能够有效保证系统的可维护性以及可扩充性。系统结构及构建均能够通过网络实施管理，这样也就有效避免在实施应用程序安装及更新的时候，针对每一个用户PC机均需要手工调整的需要。

2.2功能实现模式

在进行系统设计的时候，考虑到地质公园的规划建设和宣传展示等实际需求，因此实现的功能包括：

1）场景数据集成及管理功能。也就是应用数据库方式，将模型中存在的属性信息、几何信息以及拓扑信息等等，均集中到数据库中，为用户有效访问及更新提供便利。

2）计算及量算功能。在浏览一个陌生区域的时候，用户可以通过系统查询两个地点之间的距离。同时也能够通过数字高程模型将挖填方面积、地形坡度等相关信息计算出来。

3）特殊效果在虚拟场景中的实现。也就是应用离子系统方法，呈现出雨雪、烟火等一些特殊效果，因为这些功能本身也属于是仿真系统常见功能，因此将其在地质公园虚拟场景中应用，更有助于为用户提供逼真效果［5］。

4）浏览器的查询功能。因此目前浏览器通常只是模拟场景外观特性，不具有良好的交互性能，所以在系统设计中针对于浏览器功能缺陷，专门提供了更多的访问方法。例如将地名输入其中也就可以定位在三维空间中的某一个方位，或者对空间中的某一个物体访问其中也就能够得到其空间内的经纬度以及相关文字信息等等。

5）重力及碰撞功能。因为目前在进行虚拟场景设计的时候，主要是模拟地球人类生活环境，因此在漫游的时候加上重力及碰撞效果，更有助于提高漫游者的体验感受。

6）集成声音、动画等多媒体功能。也就是在VR环境中，实现影音媒体功能，为用户提供良好的听觉和视觉效果，以此强化用户体验的真实效果。

3　全景图三维虚拟空间的实现

所谓的全景图，也就是将视点位置进行固定，并且将视线进行一周环视所能够看到的所有帧，经过系统处理所形成的图。经全景图作为基本组成单位，在一个视点之中集中多个具有深度差异的前景图，也就能够构成全景图空间。借助于不同视点之间的“平滑跳动”也就能够实现多幅全景图相互间的漫游［6］。这些全景图不但可以通过普通相机拍摄，同时也可以通过全景相机拍摄，在拍摄完毕之后对其进行镶嵌。这一方式不用进行复杂的场景建模，也就能够将其所想要实现的环境进行显示，所以不用对专门的硬件加速应用，也就能够得到具有一定现实感的图像以及实时交互速度。全景图在实现中最常用的方式为：试点固定、时间不变以及波长不变。重点技术则是图像拼接技术。全景图的实现比较简单，不管是计算量还是存储量均没有过高要求，所以在旅游场景虚拟展示系统中的应用非常方便。其实通过真实旅游景点构建出相应的虚拟环境，基于摄影技术得到相应的照片级别细节。首先，对于节点的选取其实也就是将拍摄角度、角度方案确定，具体来讲也就是拍摄间隔是多少，每个节点的拍摄方法是什么。其次对于全景图的实现，则包括这集中方法，采用全景相机直接拍摄，这种方法很简单的也就可以得到全景图，也必须对其进行复杂的建模工作。缺点也就是对设备专业度要求较高，设备价格较高［7］；采用普通相机进行拍摄，可以拍出一系列重叠的照片，之后将其进行镶嵌构成全景图即可，并且还可以构建成不同的形状的全景图，也不需要专业设备，每一张照片均可以实施曝光控制，所以全景图的光强分布相对来讲也比较平衡。最后链接则是将依照空间中的视点位置关系将全景图进行组织，应用在交互显示中，并且还需要将运动物体也镶嵌在全景图中，实现用户的交互控制。关于旅游场景三维虚拟空间的实现，具体则如下所示。

3.1全景浏览基本流程

在研究中发现，关于三维全景浏览的实现具体流程则如图3所示。

图3　三维全景浏览实现流程

3.2素材准备

在进行旅游景点全景图象制作的时候，首先要准备好景点照片素材。照片采集原始图片质量将对拼接结构产生直接影响，因此在进行照片素材采集的时候一定要满足一下几点要求：1）将相机基本上在景点的中心位置固定，并且选取合适的拍摄角度；2）最大化的确保每幅图片水平线水平［8］；3）最好应用三脚架拍摄，在三脚架上进行相机水平面上旋转，以免镜头出现偏斜及俯仰情况，最好是始终采用同一个焦距；4）确保一定的重叠范围，通常是9-12张图片；5）最大化的避免相邻照片出现差异度比较大的光亮、色度以及对比度；6）景点的原始图像应该是静态的。

3.3全景图合成技巧

在全景图合成中，可以对相应的商业软件进行应用，其中包括：Cool360、Realviz Stitcher、Panoram Maker等。通过这些软件可以将在一个视点上进行环绕拍摄的数码照片，无缝连接在一起，并且将其构建成长度比较宽的柱面全景图。景点全景图像也就是人在某一个点上所能够看到的空间图像，保持一个视点不变，不但变换观察方向，因此在进行照片拍摄的时候，则可以将相机固定在支架上，必须最大化的避免在转动过程中出现倾斜或者俯仰情况，将镜头作为轴进行一周旋转并拍摄也就能够得到这一视点的全景图。

3.4构建虚拟场景

制作好柱面全景的时候，只是能够浏览单个视点景色，但是还不能够将其认为成是虚拟现实实景，进一步对制作好的景点全景图像实施编辑及组织，才能够真正构建成虚拟场景。

4　结束语

综上所述，虚拟场景系统设计在地质公园中的应用不但实现了地质公园电子商务优化发展，同时也对于虚拟现实技术的推广应用也具有一定的借鉴意义，通过以上研究足以证实虚拟场景在我国地质公园具有应用可行性及有效性。这一技术在实际应用中，不管是文件大小、图形渲染质量，还是造型技术、渲染速度等等各方面均得到进一步优化，同时对于用户的应用也能够提高其交互性，本次地质公园的虚拟场景系统设计得到满意效果，能够为广大用户在地质公园参观中提供良好的参考资料。但是目前基于网络的三维仿真技术还处于发展阶段，不够成熟，为进一步扩展虚拟现实技术在我国旅游业发展中的应用，则还需要进一步对其强化研究，全面认识，不断深化开发研究，促进技术的不断完善。

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Research on system design of virtual scene in geological park

CHANG Zhi-jian
（Shaanxi Vocational&Technical College，Xi'an 710038，China）

In the development of the Internet technology，the application of virtual technology has gradually been extensive，the network virtualization technology has also developed，the application of virtual technology on the network has gradually increased.In order to further analyze the application of virtual scene in modern park construction and the application of virtual reality technology，this paper puts forward the basic frame of virtual scene system design，based on the characteristics of virtual scene，system function，structure and three-dimensional virtual space.The results show that not only the construction of the virtual scene of the geological park，but also for the application of virtual reality technology has a certain significance，it is proved that the virtual scene in China's geological park is feasible and effective.In this paper，the design framework of virtual scene system is discussed in this paper.

geological park；virtual scene；system design；virtual reality

TN0

A

1674－6236（2016）17-0058-03

2015-11-27稿件编号：201511268

常志坚（1970—），男，陕西宝鸡人，硕士，助教。研究方向：景观设计。