實景虛擬技術在實驗場館建設中的應用分析

侯國棟

?

實景虛擬技術在實驗場館建設中的應用分析

侯國棟

（武漢理工大學，湖北 武漢 430220）

實驗場館既是提高教學質量的保證也是體現辦學水平的標志，是高校建設的重點領域。在實驗場館數字化建設中，實現數字虛擬是其中一個方向。主要研究了實景虛擬漫游技術在實驗場館中的應用，結合場館特征分析了實景虛擬漫游建設的總目標和實現方法。

實驗場館；實景；虛擬現實；GPU

隨著技術水平提高、生產工藝變革，特別是消費級GPU圖形渲染能力突飛猛進，虛擬現實技術開始廣泛應用，為用戶帶來了極大的方便。

校園數字化建設是當前校園建設的一個重要方向，尤其是實驗場館數字化。用虛擬技術的方式全方位地展示學校實驗場館，方便用戶遠程訪問、瀏覽，將極大地推動學校的對外展示和形象提升，帶動實踐教學水平的提升。

1 高校數字化實驗實訓場所的特征分析

實驗場館是教學、科研的重要場所，為廣大師生提供教學、科研服務，師生、公眾、社會都廣泛關注。從投入的角度來看，實驗室需要花費大量的財力、人力，是學校建設的重點；從使用的角度來看，實驗室直接影響到教學和科研的水平，同樣是師生非常關注的焦點。

實驗實訓場所建設情況成為高校競爭的一個重要指標，尤其民辦院校、獨立學院更是如此。每年的招生季，很多學校都會在校園開放日將實驗室向考生和家長開放，展示教學實力，吸引優質考生。

校友會網發布的《2017中國大學評價研究報告》對當前民辦高校進行了分析，大部分民辦高校只能利用目前有限的辦學資源，集中精力，將重心放在教學設施、教學質量和師資力量上。可見教學設施的改善仍然是當前民辦院校的重心，也是院校之間競爭的熱點。

實驗場館也會引起社會關注。目前，高校面向社會逐步開放已經成為趨勢，圖書館、博物館、體育館等已經開放，實驗場館通過虛擬現實的方式同樣可以對外開放，增加大眾對科學的認知。

2 實景虛擬技術

虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，將多源信息融合通過交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。

2.1 虛擬技術的分類

從系統功能的角度可以將虛擬技術分為訓練演練、規劃設計、展示娛樂等三類。訓練演練和規劃設計側重于專業領域，展示娛樂則更傾向于民用，目前在博物館、藝術館、景區、街景等領域都有使用，目的是給用戶提供逼真的觀賞體驗。在虛擬技術的構建中，模型數據可以分為數學生成、實際測量和人工構造等三大類。數字生成類適合于工業等專業領域使用，人工構造類通過軟件建模使用，實際測量類則數據更精確、更真實。在實際建模過程中，往往根據被模擬的現實世界對象的復雜性以及模型逼真期望程度，采用多種方式相結合形成模型數據。

2.2 實景虛擬技術

實景虛擬現實是基于全景圖像的真實場景虛擬現實技術，其真實性是數學生成、人工構造等虛擬技術無法相比的。這項技術利用實景照片建立虛擬環境，基本按照拍攝素材—制作全景圖—全景漫游的模式創建，方便快捷。

實景虛擬現實突破了時間、空間的限制，其優勢主要體現在：在素材采集中一般都使用像素非常高的全畫幅相機拍攝，畫面清晰度非常高；素材的真實性決定了全景漫游的真實性，身臨其境的全景沉浸感更強；人機交互性強，根據需要可以自由添加音樂、解說、指示圖標等內容，用戶自主操作，通過縮放、進退等方式瀏覽，交互性能較好地體現；制作簡單，傳輸方便，易于普及。

實景虛擬現實在實際生活中可以廣泛應用，與真實世界結合，成為工作、生活的一部分，對于高校實驗實訓場館數字化建設和實驗項目開展非常有幫助。

3 實驗實訓場實景虛擬建設的目標

基于現實需要，實驗場館實景虛擬漫游系統在建設中必須明確目標，針對性地展開建設。

3.1 面向用戶提供可視化導航服務

系統場景按照“實驗中心-實驗室”的物理結構來設計，根據學科門類分類，便于用戶查找。用戶通過網絡進入虛擬系統之后，可以直觀、形象地看到實驗場館的構建模式、設備設置等，都與真實環境完全一致。

系統設置務求整體簡潔，內容形象生動，能全方位展示各重要部位。公眾在使用的過程中能對實驗場館有非常直觀的認識，對場館結構能有宏觀的了解；通過模擬行走路徑，可以瀏覽、熟悉各類型設備，營造如臨其境的感覺。

3.2 面向用戶提供智能交互服務

系統能夠進行交互式操作，將相關信息以簡潔明快的方式呈現出來，用戶與系統可以智能化互動交流，快速解決問題。通過文字、語音等多樣化的信息提示，提高用戶體驗質量，增加系統的趣味性。通過搜索、反饋、評論等形式提高用戶的使用效率，也為后期改進提供便利。

3.3 對專業設備提供虛擬操作演示

目前，實驗教學中還存在一些問題，如學生課前準備不足、實驗設備臺套數不夠、實驗耗材成本過高等問題，制約了實驗教學的效果。因此，除了實景虛擬之外，還可以結合其他虛擬技術為師生提供自由操作的虛擬平臺，通過虛擬操作解決以上的類似問題，提升實驗教學效果。

4 虛擬建設總體設計

虛擬漫游系統是集視覺、聽覺、觸覺為一體的虛擬環境，要通過虛擬技術，給用戶提供立體的、全方位的體驗。

4.1 系統總體設計目標

虛擬場館設計可以分為館外、館內兩個物理空間。館外包括場館地理位置、路線導引、其他配套等內容，能夠讓用戶快捷地找到并熟悉場館外圍情況。

館內部分相對要復雜很多，需要多角度設計。要展示室內的真實布局，使用戶對場館有一個宏觀的了解；要對每一個實驗設備的外觀進行多維度展示并對其性能進行語音、文字介紹；要有邏輯性的導引，根據實驗項目的要求依次有序地體驗實驗設備。

4.2 核心功能規劃

全景漫游：實現實驗場館實景虛擬漫游，通過鼠標或者觸屏360°展示采集點的場館信息；鏡頭能夠任意縮放，方便用戶觀察細節；主界面能夠出現雷達地圖，以半透明狀態呈現，方便用戶宏觀了解所處位置以及周圍實驗室情況。

場館搜索功能：對于體驗式用戶，主要是瀏覽式漫游，可以根據雷達導航引導；對于專業用戶，目的明確，可以通過場館搜索快速找到最佳路徑。

語音提示：根據用戶需求可以選擇語音播報，對場景進行介紹，聲音與畫面配套；根據場館的特殊性，涉及實驗設備的安全操作等情況時，增加強制性播報進行警示，為真實操作奠定基礎。

智能交互：提供場景向導式交互操作，引領用戶辦理事項，提高效率。

4.3 實景虛擬漫游技術的實現

實景虛擬技術是一項基于全景圖像的虛擬現實新技術，在制作中利用攝影技術拍攝真實場景影像，通過專門的全景軟件對圖片后期處理制作全景圖像，再利用漫游軟件最終實現實景虛擬漫游。實景虛擬技術更加真實、可視，具有傳統虛擬技術無法比擬的優點。用戶在實驗場館中應用能夠直觀感受實驗氛圍、實驗條件、實驗工具等，比虛擬建模的環境更真實。

在實際制作中，需要分步驟進行設計：①準備軟件和硬件。目前雖然有一些新的一體化的全景設備，但是畫質、色彩等存在較大的缺陷，不足以應用于相對嚴謹的實驗教學，因此，在本項目中必須使用專業的單反相機。在拍攝中根據需要將使用全畫幅相機、超廣角鏡頭（或魚眼鏡頭）、全景云臺、三腳架等拍攝設備；使用Llightroom、Photoshop、造景師、漫游大師等軟件。②規劃拍攝方案。這是非常重要的一個步驟，將關系到后期的全部制作以及系統使用。需要對物理空間進行解析，劃分重點區域和非重點區域，制訂拍攝路線，確定每個拍攝點，還要評價現場照明情況。③圖像采集。在每個采集點，按照水平360°和垂直360°環視拍攝不同空間角度的照片。可以分為5個區域進行拍攝，即水平360°、斜上方360°、斜下方360°、頂部和底部。在每一個區域必須嚴格根據鏡頭焦距選擇旋轉角度和拍攝張數。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。通過軟件對圖像進行調整、優化；使用造景師縫合拼接每一采集點圖像，形成球形或柱形全景圖；制作漫游，添加背景音樂、視頻、文字、地圖，增加彈窗設置；發布，用戶在電腦或者移動端觀看漫游。

［1］程誠.基于虛擬現實技術的名畫實景體驗研究［D］.北京：北京交通大學，2018.

［2］葉葉.基于教育信息化2.0的企業管理虛擬實景教學平臺的構建［J］.福建電腦，2018，34（12）：50.

［3］陳偉，李鴻科.基于虛擬現實技術的實景模擬研究——以中學地理教學為例［J］.現代教育技術，2017，27（11）：19-25.

［4］孫雙珺.虛擬現實影像藝術研究［D］.南京：南京藝術學院，2017.

［5］張衛星，江永渡，奚姝，等.基于虛擬實景的文化要素標準化研究［J］.信息技術與標準化，2017（03）：59-62，72.

［6］王晨.基于全景技術的校園三維實景展示應用研究［D］.天津：天津科技大學，2016.

2095－6835（2019）05－0160－02

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.160

〔編輯：張思楠〕