实景虚拟技术在实验场馆建设中的应用分析

侯国栋



实景虚拟技术在实验场馆建设中的应用分析

侯国栋

（武汉理工大学，湖北 武汉 430220）

实验场馆既是提高教学质量的保证也是体现办学水平的标志，是高校建设的重点领域。在实验场馆数字化建设中，实现数字虚拟是其中一个方向。主要研究了实景虚拟漫游技术在实验场馆中的应用，结合场馆特征分析了实景虚拟漫游建设的总目标和实现方法。

实验场馆；实景；虚拟现实；GPU

随着技术水平提高、生产工艺变革，特别是消费级GPU图形渲染能力突飞猛进，虚拟现实技术开始广泛应用，为用户带来了极大的方便。

校园数字化建设是当前校园建设的一个重要方向，尤其是实验场馆数字化。用虚拟技术的方式全方位地展示学校实验场馆，方便用户远程访问、浏览，将极大地推动学校的对外展示和形象提升，带动实践教学水平的提升。

1 高校数字化实验实训场所的特征分析

实验场馆是教学、科研的重要场所，为广大师生提供教学、科研服务，师生、公众、社会都广泛关注。从投入的角度来看，实验室需要花费大量的财力、人力，是学校建设的重点；从使用的角度来看，实验室直接影响到教学和科研的水平，同样是师生非常关注的焦点。

实验实训场所建设情况成为高校竞争的一个重要指标，尤其民办院校、独立学院更是如此。每年的招生季，很多学校都会在校园开放日将实验室向考生和家长开放，展示教学实力，吸引优质考生。

校友会网发布的《2017中国大学评价研究报告》对当前民办高校进行了分析，大部分民办高校只能利用目前有限的办学资源，集中精力，将重心放在教学设施、教学质量和师资力量上。可见教学设施的改善仍然是当前民办院校的重心，也是院校之间竞争的热点。

实验场馆也会引起社会关注。目前，高校面向社会逐步开放已经成为趋势，图书馆、博物馆、体育馆等已经开放，实验场馆通过虚拟现实的方式同样可以对外开放，增加大众对科学的认知。

2 实景虚拟技术

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，将多源信息融合通过交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。

2.1 虚拟技术的分类

从系统功能的角度可以将虚拟技术分为训练演练、规划设计、展示娱乐等三类。训练演练和规划设计侧重于专业领域，展示娱乐则更倾向于民用，目前在博物馆、艺术馆、景区、街景等领域都有使用，目的是给用户提供逼真的观赏体验。在虚拟技术的构建中，模型数据可以分为数学生成、实际测量和人工构造等三大类。数字生成类适合于工业等专业领域使用，人工构造类通过软件建模使用，实际测量类则数据更精确、更真实。在实际建模过程中，往往根据被模拟的现实世界对象的复杂性以及模型逼真期望程度，采用多种方式相结合形成模型数据。

2.2 实景虚拟技术

实景虚拟现实是基于全景图像的真实场景虚拟现实技术，其真实性是数学生成、人工构造等虚拟技术无法相比的。这项技术利用实景照片建立虚拟环境，基本按照拍摄素材—制作全景图—全景漫游的模式创建，方便快捷。

实景虚拟现实突破了时间、空间的限制，其优势主要体现在：在素材采集中一般都使用像素非常高的全画幅相机拍摄，画面清晰度非常高；素材的真实性决定了全景漫游的真实性，身临其境的全景沉浸感更强；人机交互性强，根据需要可以自由添加音乐、解说、指示图标等内容，用户自主操作，通过缩放、进退等方式浏览，交互性能较好地体现；制作简单，传输方便，易于普及。

实景虚拟现实在实际生活中可以广泛应用，与真实世界结合，成为工作、生活的一部分，对于高校实验实训场馆数字化建设和实验项目开展非常有帮助。

3 实验实训场实景虚拟建设的目标

基于现实需要，实验场馆实景虚拟漫游系统在建设中必须明确目标，针对性地展开建设。

3.1 面向用户提供可视化导航服务

系统场景按照“实验中心-实验室”的物理结构来设计，根据学科门类分类，便于用户查找。用户通过网络进入虚拟系统之后，可以直观、形象地看到实验场馆的构建模式、设备设置等，都与真实环境完全一致。

系统设置务求整体简洁，内容形象生动，能全方位展示各重要部位。公众在使用的过程中能对实验场馆有非常直观的认识，对场馆结构能有宏观的了解；通过模拟行走路径，可以浏览、熟悉各类型设备，营造如临其境的感觉。

3.2 面向用户提供智能交互服务

系统能够进行交互式操作，将相关信息以简洁明快的方式呈现出来，用户与系统可以智能化互动交流，快速解决问题。通过文字、语音等多样化的信息提示，提高用户体验质量，增加系统的趣味性。通过搜索、反馈、评论等形式提高用户的使用效率，也为后期改进提供便利。

3.3 对专业设备提供虚拟操作演示

目前，实验教学中还存在一些问题，如学生课前准备不足、实验设备台套数不够、实验耗材成本过高等问题，制约了实验教学的效果。因此，除了实景虚拟之外，还可以结合其他虚拟技术为师生提供自由操作的虚拟平台，通过虚拟操作解决以上的类似问题，提升实验教学效果。

4 虚拟建设总体设计

虚拟漫游系统是集视觉、听觉、触觉为一体的虚拟环境，要通过虚拟技术，给用户提供立体的、全方位的体验。

4.1 系统总体设计目标

虚拟场馆设计可以分为馆外、馆内两个物理空间。馆外包括场馆地理位置、路线导引、其他配套等内容，能够让用户快捷地找到并熟悉场馆外围情况。

馆内部分相对要复杂很多，需要多角度设计。要展示室内的真实布局，使用户对场馆有一个宏观的了解；要对每一个实验设备的外观进行多维度展示并对其性能进行语音、文字介绍；要有逻辑性的导引，根据实验项目的要求依次有序地体验实验设备。

4.2 核心功能规划

全景漫游：实现实验场馆实景虚拟漫游，通过鼠标或者触屏360°展示采集点的场馆信息；镜头能够任意缩放，方便用户观察细节；主界面能够出现雷达地图，以半透明状态呈现，方便用户宏观了解所处位置以及周围实验室情况。

场馆搜索功能：对于体验式用户，主要是浏览式漫游，可以根据雷达导航引导；对于专业用户，目的明确，可以通过场馆搜索快速找到最佳路径。

语音提示：根据用户需求可以选择语音播报，对场景进行介绍，声音与画面配套；根据场馆的特殊性，涉及实验设备的安全操作等情况时，增加强制性播报进行警示，为真实操作奠定基础。

智能交互：提供场景向导式交互操作，引领用户办理事项，提高效率。

4.3 实景虚拟漫游技术的实现

实景虚拟技术是一项基于全景图像的虚拟现实新技术，在制作中利用摄影技术拍摄真实场景影像，通过专门的全景软件对图片后期处理制作全景图像，再利用漫游软件最终实现实景虚拟漫游。实景虚拟技术更加真实、可视，具有传统虚拟技术无法比拟的优点。用户在实验场馆中应用能够直观感受实验氛围、实验条件、实验工具等，比虚拟建模的环境更真实。

在实际制作中，需要分步骤进行设计：①准备软件和硬件。目前虽然有一些新的一体化的全景设备，但是画质、色彩等存在较大的缺陷，不足以应用于相对严谨的实验教学，因此，在本项目中必须使用专业的单反相机。在拍摄中根据需要将使用全画幅相机、超广角镜头（或鱼眼镜头）、全景云台、三脚架等拍摄设备；使用Llightroom、Photoshop、造景师、漫游大师等软件。②规划拍摄方案。这是非常重要的一个步骤，将关系到后期的全部制作以及系统使用。需要对物理空间进行解析，划分重点区域和非重点区域，制订拍摄路线，确定每个拍摄点，还要评价现场照明情况。③图像采集。在每个采集点，按照水平360°和垂直360°环视拍摄不同空间角度的照片。可以分为5个区域进行拍摄，即水平360°、斜上方360°、斜下方360°、顶部和底部。在每一个区域必须严格根据镜头焦距选择旋转角度和拍摄张数。一般选择鱼眼镜头或者超广角镜头拍摄，可以减轻拍摄的工作量。④后期制作。通过软件对图像进行调整、优化；使用造景师缝合拼接每一采集点图像，形成球形或柱形全景图；制作漫游，添加背景音乐、视频、文字、地图，增加弹窗设置；发布，用户在电脑或者移动端观看漫游。

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2095－6835（2019）05－0160－02

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.160

〔编辑：张思楠〕