論虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)流程與關(guān)鍵技術(shù)

陳能 莊惠陽

1 上海師范大學(xué)旅游學(xué)院 上海 200234 2 上海旅游高等專科學(xué)校 上海 201418

上海師范大學(xué)旅游學(xué)院（上海旅游高等專科學(xué)校）虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室竣工于2009年初。4年來，接納課堂教學(xué)、外賓參觀、影片觀摩、學(xué)術(shù)講座、培訓(xùn)會議達(dá)400場次，設(shè)備運(yùn)行達(dá)1600多小時。虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室儼然成為學(xué)校所有實(shí)訓(xùn)基地的最大亮點(diǎn)。凡是光臨實(shí)驗(yàn)室的觀眾都感興趣于實(shí)驗(yàn)室從策劃籌備到投入運(yùn)行的秘訣。本文圍繞實(shí)驗(yàn)室的興建始末，闡述其建設(shè)流程與關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)流程

1.1 考察階段

建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的初衷是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完善輔助教學(xué)的功能，從而滿足本校現(xiàn)場導(dǎo)游、導(dǎo)游外語等專業(yè)的教學(xué)需求。2005—2008年間，筆者考察國內(nèi)多所院校的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，譬如北京商貿(mào)學(xué)校觀光巴士虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、北京商貿(mào)學(xué)校環(huán)幕立體旅游實(shí)訓(xùn)室、中央美術(shù)學(xué)院數(shù)字城市數(shù)字建筑實(shí)驗(yàn)室、北京商業(yè)學(xué)校虛擬旅游實(shí)訓(xùn)室等，全面了解實(shí)驗(yàn)室的策劃與籌備事宜[1]。在策劃與籌備方案上，預(yù)先提出實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)功能，彌補(bǔ)考察前的認(rèn)知漏洞與偏差，并對即將配置的硬件、軟件、數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的描述。

1.2 競標(biāo)階段

競標(biāo)階段，除了比較硬件、軟件、數(shù)據(jù)的總價，還比較關(guān)鍵技術(shù)與獨(dú)立品牌。同樣是180°（6通道）柱狀環(huán)幕，采用偏振立體與采用光譜立體的總價之差可達(dá)100多萬。倘若不去比較各家公司的關(guān)鍵技術(shù)與獨(dú)立品牌，必定影響后期硬件、軟件、數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)。虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的后期更新與維護(hù)時間，要比興建時間長得多。那些沒有全面獨(dú)立品牌的公司，也許會在簽合同之前夸海口、許金諾，一旦事成之后，就撒手不管。

競標(biāo)階段，比較不同公司所提出的建設(shè)方案，如表1所示。偏振立體主要包括兩種：基于偏振的被動立體（polarization）與基于光譜的被動立體（infitec）。前者通過改變光的偏振特性以分離影像，后者通過過濾輸出光譜以分離影像。從建設(shè)成本角度考慮，偏振立體的軟硬件設(shè)備造價較便宜，然而，超過3通道（1通道=30°）的偏振立體會發(fā)生邊緣錯位，必須進(jìn)行融合。與光譜立體相比，偏振立體要求柱狀環(huán)幕滿足多方向光線的偏振特性。涂抹金屬增亮顆粒的柱狀環(huán)幕的增益較高，漫反射較強(qiáng)，從左側(cè)或右側(cè)觀看柱狀影像，亮度明顯不一致。

建設(shè)方案受限于物理空間，即面積約300平方米的場地。通道數(shù)受限于弧度大小，即半徑約7.6米的半圓周長。正常情況下，單個通道投影的屏幕長寬比為4:3，相鄰兩通道的投影交集面積為單個投影面積的25%。為了查看半徑（r′）設(shè)計是否合理，計算時利用下述公式：設(shè)r′為弧度所構(gòu)成的圓半徑，根據(jù)L=(n/180)×Л×r=＞r′=180×L/(n×Л)。為了查看投影通道數(shù)（s）是否合理，計算時利用下述公式：根據(jù) s×(4/3)×d+(s-1)×(1/3)×d=L=＞s=(d+3×L)/(5×d)；及根據(jù) s×(16/9)×d+(s-1)×(4/9)×d=L=＞s=(4×d+9×L)/(20×d)。計算商榷后，最終確定為180°六通道偏振立體（polarization）。

表1 比較虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案

競標(biāo)時，還確定了Tango高性能圖形集群、Free Window多視窗無縫顯示系統(tǒng)、VirSight Simulation System旅游實(shí)訓(xùn)仿真軟件、CityMaker軟件組合等配置。

1.3 精細(xì)階段

競標(biāo)結(jié)束后，就進(jìn)入精細(xì)階段。“精細(xì)”意味著要對中標(biāo)的公司提出細(xì)致的要求，并最終體現(xiàn)在合同與合同附件上。聽取中標(biāo)公司的《項(xiàng)目運(yùn)行流程方案》之后，察覺出許多優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。一般而言，中標(biāo)公司優(yōu)先展示擅長的技術(shù)。可是，學(xué)習(xí)者需求、軟件需求、數(shù)據(jù)需求不是單向的。中標(biāo)公司擅長的技術(shù)可能不是所需的，譬如不必采用三維人物來扮演導(dǎo)游角色，因?yàn)閼?yīng)用骨骼動畫極易分散學(xué)習(xí)者的注意力。從學(xué)習(xí)者需求出發(fā)，進(jìn)行精細(xì)化分析，諸如系統(tǒng)分類。堅持合理的分類法，不斷細(xì)化各個層次，有利于使系統(tǒng)可擴(kuò)充、較完整。

精細(xì)階段顧及COM組件和二次開發(fā)。COM組件開發(fā)環(huán)境建議采用VB、VC、VC++、Dephi等語言。COM組件獨(dú)立于應(yīng)用程序，適宜專門開發(fā)，即脫離原始硬件，進(jìn)行場景與素材的開發(fā)。為了隨時修改軟件功能，事先不對COM組件加密，諸如附帶序列號、U盤驗(yàn)證、版本注冊等過多編碼。經(jīng)過一番商榷，最終精細(xì)而成的COM組件具備開放功能，并包含兩大接口。1）與常用軟件的接口，即VirSight軟件與周邊制作軟件、格式文件的接口。VirSight支持導(dǎo)入3DS Max的max格式文件，支持導(dǎo)入AutoCAD的dxf格式文件，支持avi、mpeg、mp3、wav等視音頻文件。2）GIS數(shù)據(jù)接口。遙感圖像處理經(jīng)常使用ERDAS專業(yè)軟件。VirSight可導(dǎo)入ERDAS的img格式文件、遙感影像和dem格式文件，并支持GIS行業(yè)頻繁使用的shp格式文件（Shapefile）。

精細(xì)階段還顧及后期維護(hù)。因?yàn)樵O(shè)備長期運(yùn)行，必然面臨故障排除與維護(hù)。如何界定不同軟、硬件的保修期和維修費(fèi)用，最終以哪一標(biāo)準(zhǔn)來審核施工質(zhì)量？由于簡約合同存在的圖文外的漏洞，如何規(guī)避因此而生的糾紛？如何使雙方在解釋不周的情況下，兌現(xiàn)紙面之外的口頭承諾？如何規(guī)范硬件、軟件、數(shù)據(jù)的審核標(biāo)準(zhǔn)？合同涉及三維場景的文字和圖片，不夠周詳?shù)牟糠质欠褚愿郊问郊右哉f明？這些都需要經(jīng)過反復(fù)討論加以定奪。

1.4 施工階段

經(jīng)過精細(xì)階段的一番討價還價后，雙方將所需明確的責(zé)任與義務(wù)變成白紙黑字。簽訂合同后，需要施工以完成硬件設(shè)備安裝與調(diào)試。施工圖紙主要包括俯視圖、強(qiáng)電圖、弱電圖、系統(tǒng)連接圖、地面裝修圖、地下線路圖，所有圖形要標(biāo)注關(guān)鍵參數(shù)、相互關(guān)系、選用設(shè)備、輔助材料等。

完整的系統(tǒng)集成、技術(shù)服務(wù)體系、項(xiàng)目組織和管理，是保證順利施工的關(guān)鍵。項(xiàng)目的成敗、進(jìn)度的快慢、效果的優(yōu)劣，除了與系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型直接關(guān)聯(lián)，還與承建單位的技術(shù)實(shí)力、人員狀況、組織管理、質(zhì)量檢測、合作協(xié)調(diào)、系統(tǒng)培訓(xùn)、保修維護(hù)息息相關(guān)，因此必須妥善加以規(guī)劃。規(guī)劃進(jìn)度表一般包括前期的需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訂貨、布線系統(tǒng)施工，中期的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝調(diào)試、軟件安裝與數(shù)據(jù)加載，以及后期的系統(tǒng)測試與驗(yàn)收。遵照規(guī)劃進(jìn)度表，采取確實(shí)可行的措施，確保各項(xiàng)任務(wù)落到實(shí)處。

施工結(jié)束后，隨即進(jìn)行專業(yè)的系統(tǒng)培訓(xùn)，即系統(tǒng)培訓(xùn)硬件操作維護(hù)、使用注意事項(xiàng)、簡單故障排除、軟件操作與數(shù)據(jù)生成等內(nèi)容。同時，對學(xué)校教師，特別是導(dǎo)游專業(yè)的教師進(jìn)行基本操作培訓(xùn)，涵蓋無線操作立體系統(tǒng)的便捷方式、系統(tǒng)加載多媒體課件與數(shù)據(jù)的方法。在培訓(xùn)時，進(jìn)行學(xué)術(shù)科研與技術(shù)功能提升方面的交流，督促中標(biāo)公司進(jìn)一步完善系統(tǒng)。在售后服務(wù)方面，需要明確產(chǎn)品在保修期外的服務(wù)范圍與期限。在單款產(chǎn)品的合同期限內(nèi)，中標(biāo)公司具有獨(dú)立品牌的硬件設(shè)備與軟件功能，可在期限內(nèi)接受免費(fèi)上門服務(wù)。因不可抗拒因素（戰(zhàn)爭、地震和火災(zāi)）而導(dǎo)致的問題，一般不在保修范圍內(nèi)。從項(xiàng)目驗(yàn)收之日起的3年內(nèi)，原則上應(yīng)當(dāng)免費(fèi)提供每半年一次的系統(tǒng)維護(hù)，對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行穩(wěn)定性檢測。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 硬件關(guān)鍵技術(shù)

硬件關(guān)鍵技術(shù)包括柱狀環(huán)幕、圖形集群、音響功放等設(shè)備。硬件配置不佳卻試圖獲得極佳的演示效果，必然是奢望。

柱狀環(huán)幕多數(shù)采用先進(jìn)的涂層處理技術(shù)，從而保證成像顆粒與金屬增亮顆粒等特殊粉粒以及附著粉粒與基層表面均勻融合。偏振立體投影下的柱狀環(huán)幕，弧面精度較高，立體效果較強(qiáng)烈，且較適用于LCD、三片DLP投影機(jī)。此時的增益衰減僅為20%，所以肉眼從任何一個角度觀看屏幕，都不會感受到屏幕亮度的變化。

數(shù)字投影儀存在DLP（數(shù)碼光處理）和LCD（數(shù)字液晶）之別。DLP投影儀顆粒感較細(xì)，清晰度高，畫面質(zhì)量穩(wěn)定，數(shù)字圖像精確，對比度與亮度均非常出色。有些配備短焦鏡頭的攝像機(jī)采用XGA+DLP TM技術(shù)、DLPTM芯片、350WUHM雙燈泡、5000流明標(biāo)準(zhǔn)亮度，為各種場合帶來栩栩如生的影像播放效果。雙燈系統(tǒng)和液體冷卻系統(tǒng)，為投影機(jī)連續(xù)工作168小時提供可靠的保障。12臺投影儀一旦達(dá)到無縫拼接，也為不同方位觀看影像播放提供亮度統(tǒng)一、色彩均衡的保障。

集群是以高速網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接來共同運(yùn)行一個并行應(yīng)用軟件的一群計算機(jī)，與超級計算機(jī)的區(qū)別是諸多小型計算機(jī)勝任于搭建大型的、虛擬的超級計算機(jī)。集群用于搭建超級計算機(jī)已有多年歷史，但真正以超級圖形、影像為目的集群技術(shù)起步較晚。對虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室而言，高級仿真圖形計算集群顯得至關(guān)重要。由于投影系統(tǒng)由6組相鄰的影像拼接而成，其計算任務(wù)就達(dá)到單組影像計算任務(wù)的6倍。近幾年來，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的高速發(fā)展，PC圖形工作站與UNIX圖形工作站的性能可相互抗衡。但是，用單臺PC圖形工作站處理龐大數(shù)據(jù)量的虛擬場景，依然遇到一大瓶頸，即要么降低場景表現(xiàn)精度和貼圖數(shù)據(jù)量，要么忍受每秒2～5幀的運(yùn)行速度。這也是傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)投資上百萬美金、采用高端UNIX圖形工作站（如SGI）的緣故。

在并行處理過程中，并非所有的計算任務(wù)都被均勻、有效、并行地分割。這說明通道間影像不同步，造成撕裂、不連續(xù)的現(xiàn)象。左、右眼畫面不同步，勢必產(chǎn)生視覺混亂。該問題應(yīng)歸咎于三大原因：1）影像乃是經(jīng)過實(shí)時計算而來的，計算時間不一致，多通道影像顯示也不相匹配；2）數(shù)據(jù)量過大，計算能力不足，影像播放時快時慢；3）多臺計算機(jī)缺乏合理的同步機(jī)制。因此，配置高性能集群計算機(jī)，不僅避免了多通道影像不同步，而且同步多個顯卡的掃描相位，實(shí)現(xiàn)多通道影像同步匹配，從而增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的沉浸效果。

Tango高性能圖形集群采用SameFrame技術(shù)，配置CPU Intel Intel Core Duo 6600雙核、20 GB內(nèi)存、nVidia 8800顯卡、顯存640 M×13、250 GB×10企業(yè)級硬盤，從而構(gòu)成真正意義上的集群。圖形集群不僅實(shí)現(xiàn)一個圖形計算節(jié)點(diǎn)控制一個顯示輸出，更讓多臺圖形計算節(jié)點(diǎn)共同計算控制一個顯示輸出，真正提高應(yīng)用程序的運(yùn)行性能。圖形集群的運(yùn)算性能擁有出色的計算機(jī)控制系統(tǒng)，并內(nèi)置邊緣融合功能，相當(dāng)于單臺PC機(jī)的5～6倍。在多數(shù)情況下，3平方公里范圍的普通精度虛擬場景，能保證影像達(dá)到每秒25幀以上的播放速度。

邊緣融合和幾何校正問題是多數(shù)公司的硬傷。有些公司宣稱的無縫銜接技術(shù)，其實(shí)只是覆蓋邊緣的簡單重疊，所標(biāo)榜的VR Blender只是相鄰?fù)ǖ赖暮唵纹唇印z驗(yàn)的依據(jù)相當(dāng)簡單，就是觀察相鄰?fù)ǖ篱g的豎直長亮條。當(dāng)左、右通道亮度一致時，明顯地看到驟亮、錯位與變形。簡單重疊、拼接要求投影儀燈泡承受長時間運(yùn)作，否則久而久之，柱狀環(huán)幕表面就會出現(xiàn)驟然閃亮、驟然黯淡的重疊區(qū)域，即忽明忽暗的邊緣融合線。要達(dá)到天衣無縫的邊緣融合，必須做足軟件研發(fā)的功夫，使左邊投影儀的右側(cè)重疊部分的亮度線性衰減，右邊投影儀的左側(cè)重疊部分的亮度線性增強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)亮度均衡統(tǒng)一。

幾何校正技術(shù)也是硬件技術(shù)的一大關(guān)鍵。對于異形屏幕，不僅需要經(jīng)過專業(yè)的邊緣融合處理，還需要經(jīng)過特殊的處理，以避免投影變形。FreeWindow多視窗無縫顯示系統(tǒng)采用內(nèi)置邊緣融合技術(shù)和幾何校正技術(shù)，不僅將多組投影光線無縫拼接成一系列連續(xù)的影像，而且無需頻繁切換，并兼顧多路視頻、RGB電腦信號或網(wǎng)絡(luò)信號的輸入。在連續(xù)的多通道影像中，每路輸入信號均以獨(dú)立的窗口形式呈現(xiàn)。于是，可自由地定義每個窗口的尺寸、位置關(guān)系，調(diào)整窗口間的重疊、透明關(guān)系。FreeWindow提供強(qiáng)大的多信號處理和顯示能力，有效地避免投影變形，并比普通單臺投影擁有更寬大的顯示視野。其采集信號包括視頻采集接口（BNC）、視頻信號輸入（PAL/NTSC）、RGB采集輸入接口（VGA）、RGB輸入，從而支持4路以上的視頻信號、RGB信號。另外，采用SameFrameTM多通道精確同步技術(shù)，使多通道影像實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)顯示。

2.2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

20世紀(jì)80年代以來，空間信息三維可視化技術(shù)逐漸成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)，并以驚人的速度迅速崛起。作為空間信息三維可視化技術(shù)之一，GIS（地理信息系統(tǒng)）具備空間模型分析、空間定位、屬性查詢、自動導(dǎo)航等功能。在傳統(tǒng)二維GIS不足以滿足各項(xiàng)需求的情形下，三維GIS應(yīng)運(yùn)而生，并成為GIS的一大發(fā)展方向。三維GIS與三維周邊制作軟件相結(jié)合，通過相關(guān)的鏈接擴(kuò)展模塊和接口，使傳統(tǒng)的GIS二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S數(shù)據(jù)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國的GIS理論和技術(shù)日趨成熟。在美國首推Google Earth、Skyline、World Wind、Virtual Earth、ArcGIS Explorer等軟件之后，我國也推出EV Globe、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS等軟件[2-3]。目前，國產(chǎn)三維GIS軟件已占據(jù)國內(nèi)市場的半壁江山。三維GIS逐漸得到各行各業(yè)的認(rèn)同，在城市規(guī)劃、綜合應(yīng)急、軍事仿真、虛擬旅游、智能交通、海洋資源管理、石油設(shè)施管理、無線通信基站選址、環(huán)保監(jiān)測、地下管線等領(lǐng)域備受青睞[4-6]。

采納三維GIS從建設(shè)到應(yīng)用的解決方案，國產(chǎn)三維GIS軟件——CityMaker主要針對城市規(guī)劃領(lǐng)域，提供覆蓋規(guī)劃設(shè)計、展示、評估、管理的全面服務(wù)。CityMaker是數(shù)字城市三維可視化軟件組合，可顯示城市面貌、規(guī)劃圖則、戶籍信息、監(jiān)控視頻等三維數(shù)據(jù)，集成已有的專業(yè)系統(tǒng)，開展基于網(wǎng)絡(luò)的三維專業(yè)應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)游教學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用CityMaker軟件組合，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤迅速定位，或搖動桿自由操縱，讓虛擬場景流暢地此起彼伏，從而獲得最佳的運(yùn)動速度和演示效果。CityMaker軟件組合關(guān)系如圖1所示，用其制作生成數(shù)字城市的龐大數(shù)據(jù)量，可以互聯(lián)、共享各種數(shù)據(jù)，很方便地輔助課內(nèi)外教學(xué)。制作建筑景觀生成數(shù)字城市一般經(jīng)歷收集資料、創(chuàng)建模型、渲染烘焙、統(tǒng)一合成等步驟。創(chuàng)建模型時，一幢多層建筑對應(yīng)于一個3DS Max模型文件。通過3DS Max插件，將建筑模型文件（max格式文件）轉(zhuǎn)換成osg格式文件。osg格式文件包含模型、貼圖、地形、圖像，是Citymaker Builder能識別的模型數(shù)據(jù)之一。將多個osg格式文件導(dǎo)入Citymaker Builder的地形平面坐標(biāo)系，進(jìn)一步編輯地形圖與景觀模型，從而形成多組區(qū)域性模型組合的三維數(shù)據(jù)庫。統(tǒng)一合成后，轉(zhuǎn)換成gcm格式文件，就能借助ScenePush發(fā)布場景數(shù)據(jù)。將scd格式文件發(fā)布至Explorer，做到三維場景的在線瀏覽，實(shí)現(xiàn)空間分析功能、動態(tài)加載用戶數(shù)據(jù)功能與功能模塊功能。

圖1 CityMaker軟件組合關(guān)系圖[7]

在CityMaker軟件組合的支持下，以GIS為關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)制作者將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、管理、編輯、查詢、分析、模擬和顯示，并采用空間模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)信息。迄今為止，制作完成并流暢運(yùn)行外灘、人民廣場、豫園、龍華等多個場景數(shù)據(jù)，不僅滿足學(xué)習(xí)者的需求，還滿足科研、觀摩的需求。

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