漫游系统功能现实技术研究

江宏　吴莹莹

摘  要：漫游系统是虚拟现实技术的重要应用形式，自从上世纪90年代漫游系统出现以来，漫游功能的实现成为众多开发者研究的对象。文章综合自上世纪90年代至今来自知网数据库关于漫游系统的相关文献，分析归纳漫游功能实现的技术路线，得出全景漫游和虚拟漫游两条主线，并对两条技术路线的漫游系统进行比较研究，总结优缺点，为今后漫游系统开发提供参考。

关键词：虚拟现实;全景漫游;虚拟漫游;比较研究

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）05-0072-04

Research on Functional Reality Technology of Roaming System

JIANG Hong，WU Yingying

（Electronic Information Engineering，Anhui Business College，Wuhu  241002，China）

Abstract：Roaming system is an important application form of virtual reality technology. Since the roaming system appeared in the 1990s，the realization of roaming function has become the research object of many developers. This study integrated since the 1990s from CNKI database related literature about roaming system，analysis of induction roaming function implementation of technical route，it is concluded that the panoramic roaming and virtual roaming the two main line，and the two technical route of a comparative study on roaming system，summarizes the advantages and disadvantages，roaming system for the future development to provide the reference.

Keywords：virtual reality;panoramic roaming;virtual roaming;comparative study

0  引  言

本文是基于校內三平台两基地项目“AR（增强现实）技术在移动教学平台的应用”的研究成果。漫游系统是虚拟现实技术重要应用形式，在信息传播、图形图像研究、计算机应用等领域应用广泛。漫游系统能够为用户提供视、听、触、味等多感官信息，可以与用户产生一定程度的交互行为，可以呈现现实的场景，也可以提供意象虚拟场景，从而为用户提供具有沉浸性、交互性、意象性的体验感。

笔者以中国知网中的期刊数据库作为所研究的数据库，应用高级检索功能，以“漫游系统”作为主题关键词进行检索，共搜集相关期刊文献1 680篇，最早的研究开始于1993年，进入2000年后，每年相关文献数量快速增长，并于2017年左右达到顶峰，如图1所示。

筛选搜集到“漫游系统”主题文献，其中以漫游功能实现为主要内容的期刊文献共计646条。分析整理漫游功能实现路径方法，可归纳总结漫游系统中漫游功能实现技术路线总体分为两条：

（1）以全景照片或全景视频为主要资源素材进行后期合成，实现漫游功能;

（2）以虚拟仿真模型为主要资源素材，通过场景构建、虚拟仿真实现漫游功能[1]。

本研究接下来的内容就两种技术路线所运用到的技术、特征以及效果进行比较分析。

1  虚拟漫游技术应用现状

1.1  地产行业

随着全景漫游技术的成熟，虚拟现实已经广泛应用于房地产市场[2]。房地产售楼部竞相推出VR看房的功能，链家、贝壳网、365淘房网等大型房地产类APP也推出了线上VR看房功能。该功能主要是在样板房或准备销售的二手房内拍摄全景图片，再进行后期合成，交互功能设计，从而实现漫游功能。VR看房能够比图片文字的介绍更加真实、形象。近期由于冠状病毒肺炎疫情肆虐，VR看房为房地产行业带来一缕曙光，必将成为今后房地产业营销不可或缺的重要手段。

1.2  旅游行业

虚拟漫游在旅游行业的应用形式多样，种类繁多，国内外有众多典型案例。加拿大早在2014年左右建成虚拟漫游博物馆平台系统，在系统将众多中小博物馆以360°全景图片的形式在网上呈现，用户可通过终端设备调整角度和位置，达到沉浸体验效果[3]。在国内，众多名胜风景区，如华山、北京故宫、泰山等风景区均推出了虚拟旅游服务[4]。在生活节奏日益加快的今天，虚拟旅游市场将日益壮大。

1.3  教育领域

虚拟现实技术在教育领域的应用主要体现在模拟教学情境的功能上，虚拟漫游系统可以构建因客观因素限制而无法构建的场景，营造逼真的学习环境，有助于加强环境对于学习者的刺激反馈，帮助学习者加深认知，构造知识。早在上世纪90年代，天津大学就开发了虚拟校园漫游系统，同济大学也对园林类场景进行虚拟建模，帮助学生加强认识。此外，虚拟漫游技术也在中小学教育，如古诗词教学、历史教学等特殊学科领域存在广泛应用。

1.4  文化传播

虚拟漫游系统中包含图片、文字、声音、视频等多种信息媒介，相对于单一信息媒介，虚拟漫游系统展现力更好，吸引性更强，其沉浸性和交互性特征必将会带来更加强烈的影响效果，是未来不可或缺的文化传播手段，例如庆祝新中国成立70周年大型成就展网上展馆是基于全景漫游技术制作的漫游系统[5]。

2  全景漫游技术路线

全景漫游技术又可称为360°全景漫游或720°全景漫游，是基于计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术等基础学科而产生的新技术。全景漫游（又称为实景漫游）是基于相机拍摄的真实场景合成的，所展示的内容均是现实中真实存在的场景。目前主要应用于房地产、展览馆等纪实类漫游项目。

全景漫游技术流程如图2所示。

流程具体包括以下环节：

第一，模型选择。全景画面的形成原理是通过相机进行旋转拍摄，获得环绕的立体全景图像。根据旋转维度的不同，全景图像模型可分为三种形式：立方体全景、柱形全景、球形全景[6]。其中球形全景图像体验效果最佳，但制作也最为复杂;

第二，图像采集。在图像采集环节中，可根据选择的全景图模型，采集合适的图像进行拼接合成。全景图像采集方法众多，可通过单反相机配合云台进行不同角度拍摄，也可通过鱼眼镜头双向拍摄，还可以通过全景摄像头进行拍摄。随着采集设备迭代，图像采集将会愈发简便;

第三，图像拼接。第二环节所拍摄的素材需要通过软件进行拼接，合成为特殊格式的素材。目前市面上全景图合成软件众多，其中PTGui可根据所选择的全景图模型进行图像合成，功能齐全，较为普及[7];

第四，基于开发软件的全景漫游系统构建。当全景图素材准备完毕，导入开发软件即可进行交互功设计等其他功能实现。目前支持全景漫游系统构建的软件有krpano、Pano2VR、Unity3D等;

第五，系统构建完成后即可导出，进行应用体验。

3  虚拟漫游系统技术路线

虚拟漫游技术又称虚拟场景漫游技术，是基于三维模型实时渲染技术而形成的新技术。相较于全景漫游，虚拟漫游最大的特点是其展示的场景是由系统设计者意象而来。这种意象可以现实场景作为原型根据，也可以是自身天马行空的想象，不受约束，只需将所想的模型通过三维建模软件构建出来即可。虚拟漫游系统技术路线如图3所示。

虚拟漫游技术包含以下环节：

第一，需根据系统需求构建场景模型。构建场景模型有多种方法，我们常见的方法是基于几何的建模方法，通过计算机绘制几何物体，记录三维物体点、线、面等基本几何元素信息。此外，还有基于点云的建模技术和基于参数化的建模技术。前者是目前常说的激光建模，适用于大型虚拟场景的建模，后者是通过控制参数来修改几何对象特征的辅助建模技术;

第二，为了保证建立的模型更加真实，营造逼真的仿真效果，设计者需要对模型进行贴图，即给模型对象附加纹理。例如，在3D Max几何建模方法中，设计者可以通过UV面展开的形式将片面纹理图形附加在三维几何模型上。将第一步建好的模型导出为特殊格式，成为场景素材，导入到合适的开发软件中;

第三，模型导出和导入。模型构建并且完成贴图工作后，设计者可以将模型导出为合适格式，以便能够顺利导入到合适的开发引擎中进行下一步系统设计;

第四，开发引擎中进行交互设计。漫游系统设计需要有合适的软件支持开发，通常这些软件被称为开发引擎。目前市场上的主流开发引擎有Unity3D、Unreal，除此之外，还有VRML、VRTools、VRP、Minecraft等;

第五，系统在开发引擎中构建完成即可进行测试导出，成为应用程序。

4  全景和虚拟漫游技术比较分析

针对全景漫游系统和虚拟漫游系统网络调查和体验后发现，两者在开发与体验上存在共性，也有各自特征，值得细致分析，帮助用户和开发者选择合适的方式，开发合适的漫游系统。

4.1  开发难度比较分析

在开发过程上，虚拟漫游技术依托几何建模所形成的场景模型，建模法应用时间较长，技术已经相对成熟，但开发过程费时费力。进行虚拟漫游系统开发需要完成建模、贴图、渲染导出、交互合成等多道工序，每道工序对开发者专业能力有较高要求，开发难度较高，耗时较长，还原真实场景较为困难。此外，开发的场景还原度和数据量成正比关系，还原度越高的模型数据量越大，漫游是通过对模型数据实时渲染所呈现的，大数据的实时渲染对硬件要求高。

全景漫游技术是近年来新兴的虚拟漫游实现方法，试图在未来替代依托几何建模的虚拟漫游技術。该技术依托相机拍摄的图片进行合成，形成全景图片，将全景图片导入交互合成软件，开发合成漫游系统。该技术自动化程度较高，实现技术相较于虚拟漫游技术较为简单，但对采集设备有一定要求。

从开发难度上进行分析，全景漫游技术相较于虚拟漫游技术易于实现。

4.2  体验效果比较分析

4.2.1  沉浸性

全景漫游所呈现的是实景图像，场景还原度高，但是图像依然是二维图形，其本质是二维图形的环绕视觉体验，缺乏纵深感，沉浸性不足。虚拟漫游所呈现的是虚拟模型，随着几何建模技术的日趋成熟，建模还原度越来越高，近乎可以做到以假乱真，在三维场景模型中，用户可以第一人称视角在场景中实现漫游效果，真正实现三维漫游，沉浸感强。

4.2.2  意象性

意象性是指的是用户沉浸在虚拟场景中获取新的知识，并与场景环境产生交互反馈，从而萌发新的联想，该种联想可以通过虚拟场景表现出来。全景漫游由于所呈现的是客观图片，源于现实，其意象性表现需通过前期全景图片合成时添加影视特效，意象性较弱。虚拟漫游场景模型本就是虚拟模型，模型根据开发者主观意象而来，变化性较强，所开发的虚拟漫游系统意象性强。

4.2.3  交互性

全景漫游系统和虚拟漫游系统所使用的终端设备大体相同，交互方法近乎一样，从交互内容上来说，两者交互所涉及的媒体包括声音、图片、文字、动画等，总体上大同小异。但从交互形式上来说，虚拟漫游系统可实现与场景中某个对象的单独交互，交互内容丰富，交互结构复杂，所以交互行为显得更加真实生动。全景漫游系统难以实现复杂的交互行为，且场景中单独对象无法实现与场景的分离，交互行为略显简单，交互体验不如虚拟漫游系统。但由于虚拟漫游系统数据量大，实时渲染困难，交互响应时常出现停顿卡滞，影响交互体验，而全景漫游系统由于数据量较小，交互响应较为流畅，交互体验良好。

基于以上分析，将两种漫游系统实现技术进行多维度比较分析，将结果呈现于表1中。由表1可见，两种漫游系统技术路线各有优势。

5  结  论

为了规避缺点，提升体验效果，开发者尝试将两种技术路线进行结合，形成基于图形和图像混合建模的虚拟漫游系统[8]。基于图形和图像混合建模的虚拟漫游系统本质上是将全景图形和建模技术进行结合，形成虚实混合的场景素材，再进行交互合成。随着近年来Unity3D和Unreal4等游戏引擎逐渐进入虚拟漫游领域，很好地支持全景图形和几何建模相混合的场景素材，为新的全景漫游系统开发提供强大支撑。新的漫游系统技术将具备建模快捷、渲染快速、真实感强等诸多优势，将会成为未来全景漫游系统开发新的技术方向。

参考文献：

[1] 秦红志，刘雪红.基于Minecraft的虚拟漫游系统 [J].计算机系统应用，2019，28（12）：112-117.

[2] 李洪刚.浅析虚拟现实（VR）技术在房地产领域中的应用与发展 [J].中外建筑，2017（12）：148-150.

[3] 中视典数字科技.加拿大力推虚拟旅游 提升博物馆宣传 [EB/OL].（2010-08-18）.http：//www.vrp3d.com/article/overseasnews/410.html.

[4] 李淼.DOA架构下移动虚拟旅游服务模式与虚拟漫游技术研究 [D].成都：成都理工大学，2014.

[5] 央视网.庆祝新中国成立70周年大型成就展网上展馆 [OL].[2020-01-16].http：//guoqing70.cctv.com.

[6] 武刚，余武.虚拟校园三维全景漫游系统探究与实现 [J].现代教育技术，2013，23（5）：122-126.

[7] 武迎淼.沉浸式虚擬校园漫游系统的技术研究与实现 [D].长沙：湖南大学，2018.

[8] 牟萍.虚拟校园建模、漫游技术研究及其实践 [D].重庆：重庆师范大学，2006.

作者简介：江宏（1991-），男，汉族，安徽安庆人，助教，硕士，研究方向：教育信息化、数字媒体应用;吴莹莹（1983-）， 女，汉族，安徽铜陵人，讲师，硕士，研究方向：数字媒体应用技术。

收稿日期：2020-02-06

基金项目：安徽省质量工程大规模在线开放课程（MOOC）示范项目（2018mooc450）;安徽商贸职业技术学院三平台两基地项目（2018 ZDX04，2019ZDX07）