基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖書館全景漫游場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

司占軍++張姣姣++耿浩

摘要：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了天津科技大學(xué)河西校區(qū)圖書館的全景漫游場(chǎng)景。該場(chǎng)景能夠直觀地將圖書館的三位全景圖展現(xiàn)在用戶面前，借助AR眼鏡還可以沉浸在場(chǎng)景中，體驗(yàn)身臨其境的感受。給用戶提供了極具沉浸感、交互性的瀏覽體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；全景漫游；720云

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）32-0214-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人類在探索自然過(guò)程中創(chuàng)造形成地一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然，進(jìn)而更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和技術(shù)[1]，也被稱為“沉浸式多媒體”和“計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)”，是一種綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多領(lǐng)域成果的新技術(shù)[2]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，其中全景展示就是一個(gè)很重要的領(lǐng)域。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以利用全景圖像和三維建模兩種方式實(shí)現(xiàn)全景漫游展示。通過(guò)對(duì)比研究，三維建模技術(shù)發(fā)展時(shí)間更久、理論更完善、應(yīng)用更廣泛，但缺乏真實(shí)感和沉浸感。而通過(guò)全景圖像不僅制作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小、成本低，同時(shí)全景圖像全部采用真實(shí)的場(chǎng)景圖像，因此更具真實(shí)感、浸入感。本研究通過(guò)研究與分析，利用全景圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖書館的全景展示設(shè)計(jì)，本研究以天津科技大學(xué)河西校區(qū)圖書館為原型，以PTGui Pro、Photoshop CC、720yun等軟件為支撐，旨在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)極具真實(shí)感與交互效果的全景漫游場(chǎng)景。

1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與軟件

開(kāi)發(fā)環(huán)境：Windows 8.1專業(yè)版操作系統(tǒng)，Intel（R） Core（TM） i5-4210H CPU，2.90GHz，8.0GB內(nèi)存，64位操作系統(tǒng)。

開(kāi)發(fā)軟件：PTGui Pro 10.0.7；Adobe Photoshop CC 2014；720yun 1.3.22

2 設(shè)計(jì)思路

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有三個(gè)最主要的特征：構(gòu)想性、沉浸感和交互性[3]。要獲得較強(qiáng)的沉浸感，就需要在拍攝、拼圖、后期處理三個(gè)階段完美銜接。本研究以天津科技大學(xué)河西區(qū)圖書館為研究對(duì)象，以三維全景漫游技術(shù)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)理論，結(jié)合實(shí)際，通過(guò)實(shí)地考察、利用佳能相機(jī)拍攝全景圖片、在Photoshop中處理全景圖片、在PTGui Pro中拼接全景圖、并利用720云平臺(tái)制作交互效果并進(jìn)行測(cè)試與發(fā)布，最終實(shí)現(xiàn)天津科技大學(xué)河西校區(qū)圖書館三維全景漫游系統(tǒng)的研究與制作，圖1是本研究的設(shè)計(jì)思路流程圖。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 拍攝全景圖像

拍攝全景圖的鏡頭有三種選擇：普通廣角鏡頭、全景相機(jī)和魚眼鏡頭。普通廣角鏡頭視野較標(biāo)準(zhǔn)鏡頭更廣闊，能容納的景物更多，而且景深較深，因此可以產(chǎn)生很獨(dú)特的視覺(jué)效應(yīng)，通常適于拍攝風(fēng)景、建筑題材的照片；全景相機(jī)可以360°拍攝照片，缺點(diǎn)是像素較低，且更適合在開(kāi)闊的場(chǎng)景進(jìn)行拍攝；魚眼鏡頭的視野等于或大于180°、甚至可達(dá)230°，視野較普通廣角鏡頭更加開(kāi)闊，但周邊變形厲害，更適合拍攝全景圖片。通過(guò)對(duì)比三種鏡頭的功能與特點(diǎn)，本研究選用的設(shè)備為佳能EOS 70D機(jī)身，佳能廣角EF f/4L USM可變焦距魚眼鏡頭，焦距為8-15mm。拍攝時(shí)需要注意：

1） 后期拼圖軟件PTGui Pro采用的是基于特征點(diǎn)的匹配算法，所以在拍攝圖像素材時(shí)一定要注意相鄰照片之間要有重合的部分，可以方便軟件自動(dòng)識(shí)別控制點(diǎn)，也方便人工增加控制點(diǎn)。在水平位置每旋轉(zhuǎn)60度即拍攝一張照片，一共6張；天、地各拍攝一張，另需拍攝一張補(bǔ)地的照片，一個(gè)固定視點(diǎn)需拍攝9張照片。在拍攝地面時(shí)要注意對(duì)焦準(zhǔn)確，不能對(duì)焦在三腳架上。

2） 拍攝過(guò)程中要保持三腳架穩(wěn)定，不能使三腳架移位；要保持云臺(tái)在水平位置；要使用快門線拍攝，不能用手按快門；每一個(gè)固定視點(diǎn)拍攝時(shí)，要保持焦距不變。上述措施都是為了拍攝出更高質(zhì)量的照片素材，防止畫面模糊。

3） 一個(gè)固定視點(diǎn)的9張照片要把所有肉眼可看到的物體都要拍攝進(jìn)去，不能留有死角，尤其是在固定視點(diǎn)較為狹窄的地方，要注意物體的邊角在拍攝范圍內(nèi)，這樣方便后期處理。如果有些物體的邊角損失的話，那么拼接出來(lái)的全景圖就會(huì)缺失這一部分，靠后期修補(bǔ)難免會(huì)缺乏真實(shí)感。補(bǔ)地的照片最好避免坡度。

4） 由于本次拍攝是在室內(nèi)，所以光線條件較為復(fù)雜。在拍攝部分場(chǎng)景時(shí)會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有陽(yáng)光直照的部分曝光正常，但陽(yáng)光直照的部分過(guò)曝；或陽(yáng)光直照的部分曝光正常，但沒(méi)有陽(yáng)光直照的部分曝光過(guò)低的現(xiàn)象。這就需要不斷調(diào)整感光度、光圈大小、快門速度和測(cè)光模式來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果效果不甚滿意則可以依靠后期處理。

3.2 篩選與處理全景圖片

由于拍攝過(guò)程中的室內(nèi)光線較為復(fù)雜，所以每個(gè)視點(diǎn)都會(huì)拍攝幾組畫面亮度不同的照片來(lái)增加選擇余地。一般要選擇畫面亮度合理、細(xì)節(jié)保留較多、畫面干凈沒(méi)有噪點(diǎn)、不存在曝光過(guò)高和曝光過(guò)低的照片，并且一個(gè)固定視點(diǎn)的9張照片畫面亮度應(yīng)大致相同。

在篩選完用于拼接全景圖像的照片后，便可對(duì)一些存在提升空間的照片進(jìn)行處理。比如：圖2是在逆光條件下拍攝，正常曝光時(shí)，畫面整體亮度是合理的，保留了較多的細(xì)節(jié)，但窗戶有一點(diǎn)點(diǎn)過(guò)曝現(xiàn)象，窗戶外面的景色已經(jīng)看不太清。圖3是在較低曝光時(shí)拍攝，畫面整體亮度較低，損失了很多畫面細(xì)節(jié)，但窗戶外面的景色清晰可見(jiàn)。圖4是處理完畢最后用作拼接全景圖的素材。

3.3 拼接全景圖

拼圖軟件的選擇對(duì)拼接全景圖像的質(zhì)量至關(guān)重要。PTGui是Helmut Dersch公司的全景制作工具的一個(gè)用戶界面。使用PTGui可以快捷方便地制作出炫目的全景圖片，導(dǎo)入圖片之后，配準(zhǔn)鏡頭參數(shù)然后就可以自動(dòng)的拼接和融合為全景圖像[4]。其采用基于特征點(diǎn)的匹配算法，支持長(zhǎng)焦、普通與廣角及魚眼鏡頭拍攝的照片，支持創(chuàng)建普通、圓柱以及球面模式全景照片[5]。endprint

在PTGui Pro中加載處理好的全景圖片，相機(jī)/鏡頭參數(shù)選擇默認(rèn)，點(diǎn)擊對(duì)準(zhǔn)鏡頭進(jìn)行識(shí)別對(duì)準(zhǔn)；進(jìn)入控制點(diǎn)版面添加控制點(diǎn)，每?jī)蓮垐D片之間增加5-10個(gè)控制點(diǎn)，使圖片更加準(zhǔn)確地進(jìn)行拼接；在源圖像中添加補(bǔ)地的照片，用紅色蒙版擦掉三腳架，擦掉補(bǔ)地的照片中多余的部分，只保留原來(lái)三腳架占用的部分；選擇“優(yōu)化全景圖”工具，進(jìn)行優(yōu)化并創(chuàng)建全景圖，導(dǎo)出jpg格式，命名好每一張圖片，并保存在同一個(gè)文件夾下。

3.4 實(shí)現(xiàn)交互功能

720云是全國(guó)最大的VR全景眾創(chuàng)平臺(tái)，以全景互動(dòng)工具、 全景展示、全景分享為核心，推出了完整的全局和局部修改工具，包括全局開(kāi)關(guān)、自定義Logo、電話/鏈接、初始視角、熱點(diǎn)鏈接、背景音樂(lè)等。720云客戶端具有易用、簡(jiǎn)單、高校，功能豐富，對(duì)硬件要求較低等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以將制作好的全景作品導(dǎo)出到自己的硬盤中，從而可以運(yùn)用在不同的系統(tǒng)和設(shè)備中，大大提高了作品的可拓展性。依托720云穩(wěn)定的云服務(wù)，用戶可將自己制作好的全景作品上傳至云端，向世界展示自己的作品。

進(jìn)入720云平臺(tái)，首先對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，包括視角、熱點(diǎn)、音樂(lè)、特效、遮罩、沙盤、嵌入等板塊，在視角中可以設(shè)置初始視角以及視角的范圍，初始視角一般選擇每間屋子的中心，視角的范圍都設(shè)為廣范圍；在熱點(diǎn)中可以設(shè)置切換效果，即從一個(gè)熱點(diǎn)切換到另一個(gè)熱點(diǎn)，使用者可以從一個(gè)場(chǎng)景到另一個(gè)場(chǎng)景，切換自如，需要注意的是，所有的熱點(diǎn)都能夠到達(dá)并能退出了，不能出現(xiàn)死角問(wèn)題；在音樂(lè)中可以插入錄制好的MP3格式的音頻，可以設(shè)置為該場(chǎng)景背景音樂(lè)或整個(gè)全景效果的背景音樂(lè)；設(shè)置好每個(gè)熱點(diǎn)的功能之后，可以預(yù)覽全景效果，測(cè)試交互效果，并對(duì)其進(jìn)行修改；同時(shí)，在主界面中還可以開(kāi)啟手動(dòng)陀螺儀、自動(dòng)巡游、場(chǎng)景選擇、VR眼鏡、點(diǎn)贊、分享、說(shuō)一說(shuō)等功能；上傳全景圖即可進(jìn)行分享，可以分享到網(wǎng)上或微信等社交軟件，讓更多的人看到作品；導(dǎo)出功能可以將作品導(dǎo)出為HTML5工程文件。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了天津科技大學(xué)河西校區(qū)圖書館的全景漫游場(chǎng)景，為用戶提供了真實(shí)的圖書館的瀏覽場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了身臨其境的體驗(yàn)效果。該研究不僅方便了全校師生，對(duì)學(xué)校的圖書館起到了宣傳作用，還促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在全景展示方面的研究與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙沁平. 虛擬現(xiàn)實(shí)綜述[J]. 信息科學(xué)， 2009， 39（1）：2-46.

[2] 劉德建. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用的潛力、進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]. 開(kāi)放教育研究， 2016， 22（4）：25-31.

[3] Lihua Wu，Jianping Feng，Shuqian He.Construction and implementation of the Three-Dimensional Virtual Panoramic Roaming System of Hainan Ecotourism[J]. Ecosystem Assessment & Fuzzy Systems Management， 2014： 339-351.

[4] 於迪. 南京仙林大學(xué)城全景虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京： 南京師范大學(xué)， 2013.

[5] 武剛. 虛擬校園三維全景漫游系統(tǒng)探究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)， 2013， 23（5）：122-126.endprint