侯國(guó)棟

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實(shí)景虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館建設(shè)中的應(yīng)用分析

侯國(guó)棟

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430220）

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館既是提高教學(xué)質(zhì)量的保證也是體現(xiàn)辦學(xué)水平的標(biāo)志，是高校建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館數(shù)字化建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬是其中一個(gè)方向。主要研究了實(shí)景虛擬漫游技術(shù)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館中的應(yīng)用，結(jié)合場(chǎng)館特征分析了實(shí)景虛擬漫游建設(shè)的總目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方法。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館；實(shí)景；虛擬現(xiàn)實(shí)；GPU

隨著技術(shù)水平提高、生產(chǎn)工藝變革，特別是消費(fèi)級(jí)GPU圖形渲染能力突飛猛進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用，為用戶帶來(lái)了極大的方便。

校園數(shù)字化建設(shè)是當(dāng)前校園建設(shè)的一個(gè)重要方向，尤其是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館數(shù)字化。用虛擬技術(shù)的方式全方位地展示學(xué)校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館，方便用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)、瀏覽，將極大地推動(dòng)學(xué)校的對(duì)外展示和形象提升，帶動(dòng)實(shí)踐教學(xué)水平的提升。

1 高校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的特征分析

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館是教學(xué)、科研的重要場(chǎng)所，為廣大師生提供教學(xué)、科研服務(wù)，師生、公眾、社會(huì)都廣泛關(guān)注。從投入的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室需要花費(fèi)大量的財(cái)力、人力，是學(xué)校建設(shè)的重點(diǎn)；從使用的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室直接影響到教學(xué)和科研的水平，同樣是師生非常關(guān)注的焦點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所建設(shè)情況成為高校競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其民辦院校、獨(dú)立學(xué)院更是如此。每年的招生季，很多學(xué)校都會(huì)在校園開放日將實(shí)驗(yàn)室向考生和家長(zhǎng)開放，展示教學(xué)實(shí)力，吸引優(yōu)質(zhì)考生。

校友會(huì)網(wǎng)發(fā)布的《2017中國(guó)大學(xué)評(píng)價(jià)研究報(bào)告》對(duì)當(dāng)前民辦高校進(jìn)行了分析，大部分民辦高校只能利用目前有限的辦學(xué)資源，集中精力，將重心放在教學(xué)設(shè)施、教學(xué)質(zhì)量和師資力量上。可見教學(xué)設(shè)施的改善仍然是當(dāng)前民辦院校的重心，也是院校之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館也會(huì)引起社會(huì)關(guān)注。目前，高校面向社會(huì)逐步開放已經(jīng)成為趨勢(shì)，圖書館、博物館、體育館等已經(jīng)開放，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的方式同樣可以對(duì)外開放，增加大眾對(duì)科學(xué)的認(rèn)知。

2 實(shí)景虛擬技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，將多源信息融合通過(guò)交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

2.1 虛擬技術(shù)的分類

從系統(tǒng)功能的角度可以將虛擬技術(shù)分為訓(xùn)練演練、規(guī)劃設(shè)計(jì)、展示娛樂(lè)等三類。訓(xùn)練演練和規(guī)劃設(shè)計(jì)側(cè)重于專業(yè)領(lǐng)域，展示娛樂(lè)則更傾向于民用，目前在博物館、藝術(shù)館、景區(qū)、街景等領(lǐng)域都有使用，目的是給用戶提供逼真的觀賞體驗(yàn)。在虛擬技術(shù)的構(gòu)建中，模型數(shù)據(jù)可以分為數(shù)學(xué)生成、實(shí)際測(cè)量和人工構(gòu)造等三大類。數(shù)字生成類適合于工業(yè)等專業(yè)領(lǐng)域使用，人工構(gòu)造類通過(guò)軟件建模使用，實(shí)際測(cè)量類則數(shù)據(jù)更精確、更真實(shí)。在實(shí)際建模過(guò)程中，往往根據(jù)被模擬的現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象的復(fù)雜性以及模型逼真期望程度，采用多種方式相結(jié)合形成模型數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)景虛擬技術(shù)

實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)是基于全景圖像的真實(shí)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其真實(shí)性是數(shù)學(xué)生成、人工構(gòu)造等虛擬技術(shù)無(wú)法相比的。這項(xiàng)技術(shù)利用實(shí)景照片建立虛擬環(huán)境，基本按照拍攝素材—制作全景圖—全景漫游的模式創(chuàng)建，方便快捷。

實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)突破了時(shí)間、空間的限制，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：在素材采集中一般都使用像素非常高的全畫幅相機(jī)拍攝，畫面清晰度非常高；素材的真實(shí)性決定了全景漫游的真實(shí)性，身臨其境的全景沉浸感更強(qiáng)；人機(jī)交互性強(qiáng)，根據(jù)需要可以自由添加音樂(lè)、解說(shuō)、指示圖標(biāo)等內(nèi)容，用戶自主操作，通過(guò)縮放、進(jìn)退等方式瀏覽，交互性能較好地體現(xiàn)；制作簡(jiǎn)單，傳輸方便，易于普及。

實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)在實(shí)際生活中可以廣泛應(yīng)用，與真實(shí)世界結(jié)合，成為工作、生活的一部分，對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)館數(shù)字化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展非常有幫助。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)實(shí)景虛擬建設(shè)的目標(biāo)

基于現(xiàn)實(shí)需要，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館實(shí)景虛擬漫游系統(tǒng)在建設(shè)中必須明確目標(biāo)，針對(duì)性地展開建設(shè)。

3.1 面向用戶提供可視化導(dǎo)航服務(wù)

系統(tǒng)場(chǎng)景按照“實(shí)驗(yàn)中心-實(shí)驗(yàn)室”的物理結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)科門類分類，便于用戶查找。用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬系統(tǒng)之后，可以直觀、形象地看到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館的構(gòu)建模式、設(shè)備設(shè)置等，都與真實(shí)環(huán)境完全一致。

系統(tǒng)設(shè)置務(wù)求整體簡(jiǎn)潔，內(nèi)容形象生動(dòng)，能全方位展示各重要部位。公眾在使用的過(guò)程中能對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館有非常直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)場(chǎng)館結(jié)構(gòu)能有宏觀的了解；通過(guò)模擬行走路徑，可以瀏覽、熟悉各類型設(shè)備，營(yíng)造如臨其境的感覺。

3.2 面向用戶提供智能交互服務(wù)

系統(tǒng)能夠進(jìn)行交互式操作，將相關(guān)信息以簡(jiǎn)潔明快的方式呈現(xiàn)出來(lái)，用戶與系統(tǒng)可以智能化互動(dòng)交流，快速解決問(wèn)題。通過(guò)文字、語(yǔ)音等多樣化的信息提示，提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量，增加系統(tǒng)的趣味性。通過(guò)搜索、反饋、評(píng)論等形式提高用戶的使用效率，也為后期改進(jìn)提供便利。

3.3 對(duì)專業(yè)設(shè)備提供虛擬操作演示

目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在一些問(wèn)題，如學(xué)生課前準(zhǔn)備不足、實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠、實(shí)驗(yàn)耗材成本過(guò)高等問(wèn)題，制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。因此，除了實(shí)景虛擬之外，還可以結(jié)合其他虛擬技術(shù)為師生提供自由操作的虛擬平臺(tái)，通過(guò)虛擬操作解決以上的類似問(wèn)題，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4 虛擬建設(shè)總體設(shè)計(jì)

虛擬漫游系統(tǒng)是集視覺、聽覺、觸覺為一體的虛擬環(huán)境，要通過(guò)虛擬技術(shù)，給用戶提供立體的、全方位的體驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

虛擬場(chǎng)館設(shè)計(jì)可以分為館外、館內(nèi)兩個(gè)物理空間。館外包括場(chǎng)館地理位置、路線導(dǎo)引、其他配套等內(nèi)容，能夠讓用戶快捷地找到并熟悉場(chǎng)館外圍情況。

館內(nèi)部分相對(duì)要復(fù)雜很多，需要多角度設(shè)計(jì)。要展示室內(nèi)的真實(shí)布局，使用戶對(duì)場(chǎng)館有一個(gè)宏觀的了解；要對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的外觀進(jìn)行多維度展示并對(duì)其性能進(jìn)行語(yǔ)音、文字介紹；要有邏輯性的導(dǎo)引，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求依次有序地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

4.2 核心功能規(guī)劃

全景漫游：實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館實(shí)景虛擬漫游，通過(guò)鼠標(biāo)或者觸屏360°展示采集點(diǎn)的場(chǎng)館信息；鏡頭能夠任意縮放，方便用戶觀察細(xì)節(jié)；主界面能夠出現(xiàn)雷達(dá)地圖，以半透明狀態(tài)呈現(xiàn)，方便用戶宏觀了解所處位置以及周圍實(shí)驗(yàn)室情況。

場(chǎng)館搜索功能：對(duì)于體驗(yàn)式用戶，主要是瀏覽式漫游，可以根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)航引導(dǎo)；對(duì)于專業(yè)用戶，目的明確，可以通過(guò)場(chǎng)館搜索快速找到最佳路徑。

語(yǔ)音提示：根據(jù)用戶需求可以選擇語(yǔ)音播報(bào)，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行介紹，聲音與畫面配套；根據(jù)場(chǎng)館的特殊性，涉及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全操作等情況時(shí)，增加強(qiáng)制性播報(bào)進(jìn)行警示，為真實(shí)操作奠定基礎(chǔ)。

智能交互：提供場(chǎng)景向?qū)浇换ゲ僮鳎I(lǐng)用戶辦理事項(xiàng)，提高效率。

4.3 實(shí)景虛擬漫游技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)景虛擬技術(shù)是一項(xiàng)基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)，在制作中利用攝影技術(shù)拍攝真實(shí)場(chǎng)景影像，通過(guò)專門的全景軟件對(duì)圖片后期處理制作全景圖像，再利用漫游軟件最終實(shí)現(xiàn)實(shí)景虛擬漫游。實(shí)景虛擬技術(shù)更加真實(shí)、可視，具有傳統(tǒng)虛擬技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。用戶在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)館中應(yīng)用能夠直觀感受實(shí)驗(yàn)氛圍、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)工具等，比虛擬建模的環(huán)境更真實(shí)。

在實(shí)際制作中，需要分步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：①準(zhǔn)備軟件和硬件。目前雖然有一些新的一體化的全景設(shè)備，但是畫質(zhì)、色彩等存在較大的缺陷，不足以應(yīng)用于相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)，因此，在本項(xiàng)目中必須使用專業(yè)的單反相機(jī)。在拍攝中根據(jù)需要將使用全畫幅相機(jī)、超廣角鏡頭（或魚眼鏡頭）、全景云臺(tái)、三腳架等拍攝設(shè)備；使用Llightroom、Photoshop、造景師、漫游大師等軟件。②規(guī)劃拍攝方案。這是非常重要的一個(gè)步驟，將關(guān)系到后期的全部制作以及系統(tǒng)使用。需要對(duì)物理空間進(jìn)行解析，劃分重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域，制訂拍攝路線，確定每個(gè)拍攝點(diǎn)，還要評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)照明情況。③圖像采集。在每個(gè)采集點(diǎn)，按照水平360°和垂直360°環(huán)視拍攝不同空間角度的照片?？梢苑譃?個(gè)區(qū)域進(jìn)行拍攝，即水平360°、斜上方360°、斜下方360°、頂部和底部。在每一個(gè)區(qū)域必須嚴(yán)格根據(jù)鏡頭焦距選擇旋轉(zhuǎn)角度和拍攝張數(shù)。一般選擇魚眼鏡頭或者超廣角鏡頭拍攝，可以減輕拍攝的工作量。④后期制作。通過(guò)軟件對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化；使用造景師縫合拼接每一采集點(diǎn)圖像，形成球形或柱形全景圖；制作漫游，添加背景音樂(lè)、視頻、文字、地圖，增加彈窗設(shè)置；發(fā)布，用戶在電腦或者移動(dòng)端觀看漫游。

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2095－6835（2019）05－0160－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.160

〔編輯：張思楠〕