基于虚拟现实技术的全景校园参观平台构建研究——以深职院西丽湖西校区为例

陈冀东，吴世德，吴绮眉

(深圳职业技术学院，广东深圳 518055)

21 世纪科技的发展伴随着数字化、信息化的特点，随着高新技术的进一步发展，学校的方方面面也日趋数字化、智能化与现代化。新生入学后需要尽快熟悉校园环境，传统入学教育往往通过学院集中组织参观的方式进行，存在着“难组织、长耗时、不安全”等问题。本研究拟采用VR 技术，将全校各个教学、实践、生活等场地通过3D 摄影、剪辑建模等环节，通过虚拟显示技术搭建全景校园参观平台，提供一个既安全舒适，又节省时间和资源的校园参观体验新模式，让使用者能够在绘声绘色的虚拟现实环境中走遍校园的各个角落。未来，学生们也可以通过平台间的联网达到共享校园资源的目的，从而实现“足不出户，走遍全国各大高校”的梦想。

1 虚拟现实的相关技术

1.1 VRML

虚拟现实建模语言，即VRML，是一种用户利用它建立真实世界场景模型，或者构建一些虚构的三维世界的场景模型语言，它具有平台无关(或跨平台) 的特性: 即在计算机上的运行不受平台的约束，一次编译完成之后可以在多个不同的平台运行。我们可用来搭建现实世界的场景模型，也可用于虚拟世界的三维建模。不同的平台与它都能做到良好的兼容，因此也是ISO 国际标准的网上虚拟现实语言。使用它可以监控人的操作行为，并快速地做出回应，提高用户的体验[1]。除此之外，作为一种具有解释功能的三维建模语言，VRML 具有面向对象，面向web的特点。它加强了WWW 的交互性，使之更丰富。在VRML 中，每个对象被称为一个结点，所有复杂的物体是由一个个子结点通过不同的形式簇拥而成。不同的结点在不同的实际应用中可以被多次使用，对它进行命名以后，就可以在用户进行动态三维虚拟场景构建时进行调用。其基本工作原理可概括为：文本描述、远程传输、本地计算生成。

1.2 OpenGL

OpenGL 作为一种面向2D 和3D 图形应用程序接口，诞生于1992年，具有可靠性高、可拓展、可伸缩、灵活、容易使用等多个特点，并且能够在不同的多个平台进行完美移植使用。目前已经成为业界各种不同平台使用范围最广的选择，不同的计算机平台通过它开发设计出了成千上万、种类繁多的应用程序。开发者可以通过一些转换程序，便捷地将3DS、DXF 等模型文件转换成OpenGL 的顶点数组。OpenGL 图形库提供基于基本元素的绘制函数及复杂三维物体、复杂曲线和曲面的绘制函数，变换方式含基本变换及投影变换。这样的变换使得运算时间锐减，3D 图像的显示速度加快。OpenGL 功能十分强大，调用起来也很方便。借助第三方软件使三维视频对象更加清晰逼真、交互性更强，如Viewpoint、QuickTime VR 等。

1.3 Viewpoint

虚拟现实Viewpoint，是由美国Viewpoint 公司提供的一种基于Web 的3D 解决方案，基于XML 语言的构架可以非常便捷的和浏览器及数据库进行链接通信，并且可以将它完美内嵌到不同的多个软件中去使用，正是因为这样的特性，使得Viewpoint 在许多场景和平台得到广泛应用。开发者只需要在用户端安装一个小巧的免费插件，通过它就可以在互联网上搜索、查阅以流方式传输的3D 模型，并且还可以通过用户端对选择的对象目标物进行相关操作，如旋转、缩放等。Viewpoint 这一解决方案，考虑到了Web3D 开发、使用不同阶段需求的各个环节，和其他许多方案相比有着明显的不同：Viewpoint 是由开发者通过自己开发设计、编辑处理之后完成线上传输3D 图像对象的技术路线，并非通过其他渠道导入3D 图像这一路径[2]。此外，虚拟现实Viewpoint 最大的技术特点是它生成的文件格式非常小，这对文件的保存和传输来说是巨大的优势，另外其三维多边形网格结构具有可伸缩性和流传输性，这一特点更加提升了它通过网络传输的便捷优势，也就决定了它能够获得更多用户的青睐和支持。凭借特有的压缩技术和流式播放方式、良好的互动性，Viewpoint 在虚拟现实技术的应用中占有重要地位。

1.4 3DSMAX 建模

3DSMAX 是制作建筑效果图和动画制作的专用工具。大量用户在使用它时都感受到了其强大完备的功能，以及十分友好的使用方法。它拥有许多理想的命令提供，用户可以根据需要将其运用到室内外效果图制作方面的基本建模、材质赋予、贴图使用和灯光创造等图形文件。其具有大量的插件，可以以最高的效率完成工作，有了它，该项目如虎添翼，达到高效率。

1.5 鱼眼镜头

鱼眼镜头是一种焦距为16 mm 或更短、视角接近或等于180°的镜头，我们可以把它理解成是一种极端的广角镜头。我们知道鱼的眼睛大多可以在一个非常大的角度自由旋转，探视周边环境，鱼眼镜头正是基于这样的特性设计而成的，它的最大视角范围一般可以达到220°到230°，这一特性，在我们需要在短距离拍摄大范围场景提供了可能。当用户通过鱼眼镜头完成拍摄时，还会有非常强烈的透视效果，使得拍摄效果实现“近大远小”的明显对比效果，拍摄出来的换面具有十分震撼的感官效应。

1.6 Mocha VR

Mocha VR 是Boris FX 公司发布的一个跟踪软件，此软件针对全景视频做出了许多针对性功能，例如：使用遮罩能够在平面视角下正确变形，在跟踪完成后用户导入的图片素材可以得到正确的变形。因此它能完美的处理我们拍摄过程中不真实的图片，大大提高了我们的工作效率，降低了时间成本。

2 虚拟校园全景平台的建立

2.1 数据收集阶段

数据收集是建立虚拟校园全景平台必不可少的前提，研究团队需要有很强的洞察能力和敏锐的观察力，首先，要借助测量、相机拍摄等方式了解建筑的实际属性。其次，要根据学校的建校历史、建筑历史来对每个建筑进行更深入的了解。最后，要面向在校师生进行深度访谈调研。三者结合整理出相应的数据和照片资源，以图文结合的方式来展示每个建筑的数据。其中建筑群主要包括：楼宇、林地、道路、公共设施等。数据收集分4 类：（1）图纸资料：向相关部门申请查阅学校地图、航拍照片、建筑景观及校园工程制图等资料；（2）校史资料：向学校有关部门拿取校园建筑群历史，以及校园官网的校史简介；（3）图片资料：团队通过实地考察拍摄得出；（4）师生调查资料：校园调查师生意愿。

2.2 数据分析阶段

对收集完成的各项数据资料加以汇总和分析，根据项目的设计目标进行资料的整理和筛选，讨论、确定符合拍摄需求的校园主要建筑群以及制定拍摄全环游路线。

2.3 3D 校园全景拍摄环节

3D 校园全景的拍摄效果决定着项目的成果，与平台用户体验感有着密不可分的关系。通过“鱼眼摄像机”、数码相机、全景云台、三脚架来对数据分析阶段得出的建筑群及环游路线实现大范围无死角全景拍摄，使得视觉效果达到最佳化。所有场景都是真实空间中存在的，真实感极强，让校园景象展示得淋漓尽致，全面展示学校建设环境[3]。

该研究通过“鱼眼摄像机”实现的3D 校园全景VR 景象，其摄像机成熟的图像处理技术大大提高了该项目的视觉效果，及大大降低了本项目的成本，使得项目更加可实现化、高效化，可谓“高效率低成本”。

2.4 剪辑建模

（1）筛选摄影得出最佳的成像。通过团队的综合研究考察及实际建筑群的对比，得出最优成像。其考察评估因素包括：建筑群的真实性、视频天气、除拍摄的建筑群以外的杂物涉及程度等。

（2）通过造景师与漫游大师的综合运用，进行影像的综合处理，将影像达到最佳视觉效果，同时也最大化的贴合现实。

（3）通过3DMAX 进行3D 建模。通过3DMAX中的布尔交、并、补运算等多种方式进行建模，将拍摄得到的影像进行处理，制作不规则贴图。最终通过拼接得到最终的校园虚拟全景。

2.5 PC 端VR 平台搭建

团队通过VRML 建模语言为用户提供虚拟平台系统进行良好交互的功能。VRML 是一种基于C/S模式的访问方式，用户互联网下载待访问的文件，并经过由本机平台上的VRML 浏览器访问该文件，便于畅游于事先设定好的虚拟世界。虚拟校园可视化的实现，使得各大高校的师生们能通过一个固定的平台对校园信息进行最真实的环游体验。同时平台上可通过高校互享实现“高校互游”——“足不出户，游遍全国各大高校”的梦。

平台利用VRML 语言，并通过链接数据库，实现用户与平台及高校的互动，及时回应和满足用户需求，提高用户的体验，为学校及学生提供一个在线浏览校园风光的互动平台。

3 质量检测

该研究采用可以独立实现大范围无死角监控的全景摄像机——“鱼眼摄像机” 进行拍摄VR 图像，用于建模实现校园虚拟全景。但是拍摄过程中，如何降低甚至消除天气、摄像头高度等不确定因素的影响呢？ 团队通过以下方式进行了优化。

（1）分路段分场景进行拍摄。分路段分场景的方法进行拍摄可以有效降低各种误差。最终只需要进行简单的视频合成即可，同时，后期处理也极其方便，如果后期发现视频不甚满意，只需要对该路段或者场景进行重复拍摄即可，无须全过程拍摄，可以大大减少人力、物力的消耗[4]。

（2）同一场景多次拍摄择优采用。通过多次测量求平均值，但是此处我们对其进行了项目化，就是花费大量时间多次拍摄多次观看，以及结合python 的视觉算法，计算出最优的视频片段。两者结合，最终筛选出对该项目平台搭建最优化的全景视频，待全部场景拍摄完成之后进行合成。通过批量拍摄，筛选得出最佳拍摄成品。

（3）利用mochaVR 进行全景视频的后期处理。众所周知，后期处理就是对前期的失误和不足进行弥补，首先要做的就是修改色差，其次通过畸变校正添加字幕和包装元素，再次校正畸变并准确跟踪，最后擦除还原补漏。

4 交互平台设计

（1）通过人机交互，虚拟校园全景平台的高沉浸感得以实现。要实现好的交互，就要搭建好虚拟显示场景系统，关注漫游场景运行时的焦点变化，用户实现方向等的转变等。VRML 建模语言正是为用户提供了虚拟漫游系统进行良好交互功能的[5]。VRML 是一种基于C/S 模式的访问方式，用户互联网下载待访问的文件，并经过由本机平台上的VRML 浏览器访问该文件，便于畅游于事先设定好的虚拟世界，使得及时回应用户的操作。

（2）高校间的交互亦是交互的核心。实现各大高校间的漫游交互才能使得该项目更有意义，也更能满足用户的多样化需求。而VRML 建模，只要有其他高校数据资源，便能载入到平台，实现高校互联[6]。高校互联可以促进高校之间的沟通交流，高校间的文化碰撞，从而给同学们带来“不一样的大学”的视觉体验，也增进了高校之间的合作及友谊。

5 展望

研究过程中，已经尽力采用最简单的建模方式打造最逼真的三维场景，并能实现精准、快速、逼真的漫游效果。除此之外，该项目还可以引导学生们关注和使用VR 技术带来的便利性，并以此为契机，丰富VR 相关技术人才的培养模式和实践途径，吸引更多的同学关注VR 技术和知识，鼓励有能力的同学参与VR 资源的开放，为专业人才培养提供案例，具有一定的实用性，为校园宣传提供了一个形象新奇的可视化人机交互平台，也为数字校园的建设开拓了一个全新的研究领域，积累了实践经验。