基于三维全景技术的动态虚拟漫游系统

基于三维全景技术的动态虚拟漫游系统

摘要针对当前全景漫游系统存在的问题，自主研发一种基于三维全景技术的动态虚拟漫游系统。该系统利用先进的网络、数据库技术，提出一系列改进算法，建立动态数据模块，并对数据流程图中的各个模块进行描述；利用HTML5框架上开源的WebGL库文件，构建Ajax模式下的MVC设计模型；借助SqlServer 数据库，增加后台管理平台，从而能对本系统不断更新、维护。

关键词全景漫游；动态数据模块；MVC设计模型；SqlServer数据库

近年来，虚拟现实技术一直是计算机应用领域的研究热点，其特点是利用计算机多媒体技术系统中创建真实世界的仿真环境，通过计算机的硬件设备来模拟人体的视觉、听觉、味觉和触觉等真实感知，使参与者在其中产生与在真实环境中相同或相似的体验。根据人体的生理特点，在各种感知中视觉感知占80%，因此在虚拟现实技术的研究中，视觉的模拟占有十分重要的地位。

1 研究背景

基于视觉的虚拟现实技术主要分为两种：一种是基于三维几何模型建模技术（VRM），另一种是基于图像的全景绘制技术（IBR）。VRM在实时绘制时显然计算量大、制作周期长，再加上互联网网速的延迟，以及计算机本身硬件条件的限制，显得无能为力。IBR提供了较好的方法来解决这些难题，利用真实场景的图像作为虚拟场景的表示形式，真实地再现了真实场景的视觉信息，生成的场景视图的质量远远优于VRM。

目前，国内许多全景数字史馆建设往往采用特制的软件来实现，比较常用的国外软件有MGI photo suite、Pano2VR、Panorama Maker、Virtools、Ulead Cool 360等，国内也有一些比较好的全景处理软件，比如杰图的“造景师”、彩影以及中视典的vrp系列软件。

虽然直接使用商业软件能够比较简单、快速地制作出基于IBR的360全景，但是它们没有考虑现实情况中不断增长、实时更新的动态性问题。所以，本项目自主研发一种基于三维全景技术的动态虚拟漫游系统。

2 关键技术

全景漫游技术可以实现网络上的虚拟场景漫游，因其具有良好的交互性、沉浸性而受到众多用户的青睐。传统漫游技术如VRML、QuickTime、Flash等大多存在标准不一、插件依赖、封闭性、集成性差等问题，新兴的基于HTML5的全景漫游方案可以对以上问题进行缓解。

2.1 基于HTML5的全景漫游技术的实现原理

本项目中的三个关键部分是建模、显示以及交互技术，三个部分相互协调实现互联网上的三维图形图像。

使用户真正感受到全景漫游的沉浸性、逼真性的特征恐怕就要提到全景漫游系统中使用的交互技术，通过全景漫游场景中提供的交互功能，用户可以实现自由浏览，自由观看，加入一些多媒体元素后，更可以提供语音解说、图片墙、视频短片等内容，提供给用户更多形象生动的视觉体验，这些内容的实现通常是具体的网络三维全景技术来实现的，结合HTML5框架[1]，一个系统中用于实现此类功能的技术主要有JavaScript、JQuery、CSS3等技术，这些技术依托于具体的HTML元素实现不同的功能。

2.2 全景漫游场景图片的采集与处理

具体的硬件设备有单反相机、适合的鱼眼镜头、云台装备、手柄较短的三脚架等[2]。

2.3 导航地图模块

导航地图部分分为三个小部分导航指示、导航热点地图以及语音识别搜索功能。具体实现的功能有：用户将鼠标置于导航图标上，热点地图从页面顶端滑动出来，鼠标离开导航图标，热点地图又重新折叠回去，这样的折叠操作可以方便用户查看全景漫游场景，用户通过语音输入便可实现场景切换，还可通过热点地图的点击切换到具体场景。

2.4 全景漫游场景模块

通过全景漫游场景，用户通过鼠标可以对图像进行放大、缩小、移动观看等操作，实现水平360度视角，垂直180度视角的环视效果。全景图场景部分的实现主要由canvas以及WebGL技术的一个第三方图形库three.js来完成。Canvas 提供了一个在HTML中进行绘图的上下文，也可以称作画板，而three.js和JavaScript语言则相当于是绘制图形所用的画笔。

3 主要算法研究

基于普通数码相机的球面全景图技术是一项复杂的技术，特别是其中的球面图像拼接算法。全景图的拼接主要由图像拼接和图像的融合两大步骤组成。图像匹配是根据几何运动模型，把图像转换到同一个坐标系中。而图像的融合则是把拼接后的图像合成为一幅大的拼接图像，它需要将相邻两幅原图像上的拼接区域的像素结合起来拼接成平面上的像素，实现相邻图像之间自然平滑的过渡。

3.1 球面全景图像的匹配及融合

图像匹配简单地说就是要把采集到的一些有相互重叠区域的图像序列变成一副无缝360°全景图。对于由于经济原因而采用非全视角相机拍摄的图片来说，

图像的匹配是构建360°虚拟全景空间的一个重要步骤，匹配质量的好坏，决定了能否给用户一个逼真的、真实的浏览效果。一般来说，图像匹配的误差应小于一个像素。由于拍摄到的相邻图片之间存在一定区域的重叠，可以以此为匹配方法的入手点，用匹配工具识别出相邻图片的重叠区域，从而达到生成全景图的目的。

3.2 图像的匹配算法

本项目采用基于特征线段最小偏差的匹配算法。首先确定相邻两幅图像上的重叠区域，在第一幅图像中取出重叠区域中相隔一定距离的两列上的部分像素，并分别计算其对应像素的差值作为匹配模板，然后在第二幅图像的搜索区域由左至右对间隔相同的两列上部分像素搜索最佳匹配，逐一和第一幅图像的匹配模板比较，最小差值对应的列即为最无缝钢管匹配。此方法在匹配过程中只利用了搜索区域中两列像素上的部分像素点，大大提高了算法效率。

3.3 图像的融合算法

为了实现拼接图像的平滑过渡，本项目采用一种仅修改图像重叠部分色彩信息的加权平均的融合方法，实现了图像的平滑过渡。

4 结束语

虽然数字史馆只是实体史馆的一种特殊表现形式，无论它发展到何种程度，也不可替代传统的实体史馆。但是，时代在不断发展，信息技术在不断进步，数字史馆可作为实体史馆有益的、不可缺少的补充，使其更加完善，为用户提供更多服务。数字化史馆既是传统史馆适应信息化时代发展要求的产物，又是我国史馆发展的必然趋势。

参考文献

[1] 周辉，程陈，任海军，等.基于HTML5的全景图展示[J].微型机与应用，2015，31（20）：77-79.

[2] 蔡剑南，汪茂正，李博伦，等.基于普通相机拍摄的360°校园虚拟实境漫游实践[J].计算机光盘软件与应用，2012，（19）：16-18.