三維全景技術下的虛擬校園漫游系統設計方案

陳春偉 鄭仲元

摘 ?要： 為了提高校園漫游導覽能力，提出基于三維全景技術下的虛擬校園漫游系統設計方案。系統的總體結構模塊包括虛擬校園漫游的三維重建模塊、信息處理終端模塊、數據庫模塊、圖像處理模塊和人機交互模塊等。采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具創建虛擬場景模型數據庫，在三維虛擬場景的層次化結構模型中，進行虛擬校園漫游的三維全景重構。建立虛擬校園漫游的渲染模型，通過Creator多重渲染的方法實現虛擬校園漫游系統的三維全景設計，在Vega Prime中實現對虛擬校園漫游系統的軟件開發設計。測試結果表明，設計的虛擬校園漫游系統具有很好的三維視景重建能力，圖像的渲染能力較強，系統的穩定性較高。

關鍵詞： 三維全景重構; 虛擬校園; 渲染模型; 漫游系統; 系統設計; 視景仿真

中圖分類號： TN99?34; TP399 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）07?0169?04

Design scheme of virtual campus roaming system based on 3D panoramic technology

CHEN Chunwei， ZHENG Zhongyuan

（Hebei Institute of Communications， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract： In order to improve the ability of campus roaming navigation， a design scheme of virtual campus roaming system based on three?dimensional panoramic technology is proposed. The overall structure module of the system includes virtual campus roaming′s 3D reconstruction module， information processing terminal module， database module， image processing module and human?computer interaction module. 3D Studio MAX and SoftImage simulation tools are used to create virtual scene model database. 3D panoramic reconstruction of virtual campus roaming is carried out in hierarchical structure model of 3D virtual scene. A rendering model of virtual campus roaming is established. The 3D panoramic design of the virtual campus roaming system is realized by Creator multi?rendering method. The software development and design of the virtual campus roaming system is realized in Vega Prime. The testing results show that the designed virtual campus roaming system has excellent 3D scene reconstruction ability， strong image rendering ability and high stability.

Keywords： 3D panorama reconstruction; virtual campus; rendering model; roaming system; system design; visual simulation

0 ?引 ?言

隨著三維全景虛擬現實技術的發展，采用三維視景仿真技術進行場景仿真，提高三維場景的重構和虛擬漫游能力。在校園的漫游導覽過程中，需要構建虛擬校園漫游系統，結合虛擬現實技術進行虛擬校園漫游和導覽控制，建立虛擬校園漫游的目標場景，結合3D重構和視景仿真技術進行虛擬校園漫游設計，構建虛擬校園漫游的虛擬控制模型，提高虛擬校園漫游導覽的人機交互能力[1]。

在進行虛擬校園漫游系統設計中，需要采用嵌入式的設計方法，將控制程序通過程序加載模塊加載到虛擬校園漫游系統的信息處理中心，建立嵌入式的智能虛擬校園漫游系統[2]。結合.NET Framework應用程序進行虛擬校園漫游系統的用戶交互體驗設計，提高虛擬校園漫游系統的情景交互能力。本文提出基于三維全景技術下的虛擬校園漫游系統設計方案，首先，進行系統的總體結構設計和功能模塊分析;然后在Lynx Prime中建立虛擬校園漫游系統的三維仿真場景，通過MPI視景仿真渲染工具Vega Prime進行系統的軟件開發設計;最后，進行仿真測試分析，得出有效性結論。

1 ?系統的總體設計構架與開發環境描述

1.1 ?系統的總體設計構架

基于Multigen Creator建模工具進行虛擬校園漫游系統的嵌入式開發設計，建立虛擬校園漫游系統的視景仿真模型[3]。采用嵌入式的設計方案，結合多層次細節（LOD）控制實現虛擬校園漫游系統的場景控制和在線編譯，建立虛擬校園漫游系統的遠程控制終端模型;采用多線程結構重組的方法，進行虛擬校園漫游系統的交叉編譯和程序加載，結合圖像信息跟蹤融合技術進行虛擬校園漫游系統的三維全景設計。基于Multigen Creator軟件建立虛擬校園漫游系統的3D虛擬現實環境，將三維全景圖像加載到系統的終端，系統的總體結構模塊包括：虛擬校園漫游的三維重建模塊、信息處理終端模塊、數據庫模塊、圖像處理模塊和人機交互模塊等。系統軟件開發是建立在三維全景成像終端基礎上[4]，通過對虛擬校園的三維虛擬重構，結合3D幾何模型進行圖形渲染，根據上述設計原理和總體設計構架，得到本文設計的虛擬校園漫游系統總體結構如圖1所示。

根據圖1所示的虛擬校園漫游系統總體構架，設計三維全景技術下的虛擬校園漫游系統。在ZigBee物聯網環境下構建虛擬校園漫游系統的網絡傳輸模塊，采用遠程集成控制的方法進行虛擬校園漫游系統的自動控制設計，建立虛擬校園漫游系統的多功能轉換模塊。采用ARM Cortex?M0處理器內核實現虛擬校園漫游系統的APP開發，在ZigBee物聯網組網模式下，在操作系統層和應用軟件層分別配置虛擬校園漫游系統的APP控制下，進行虛擬校園漫游系統的三層體系結構設計[5]，得到系統的三層體系結構如圖2所示。

1.2 ?系統開發環境描述

采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具創建虛擬場景模型數據庫。對虛擬校園漫游系統進行多層體系結構構架，虛擬校園漫游系統采用三層體系設計，分別為信息感知層、數據處理層和人機交互層。在網絡傳輸層中，采用B/S客戶端與服務器交互的方法，進行漫游系統的ZigBee組網技術和虛擬校園漫游控制的網絡組網控制;在ISA/EISA/Micro Channel擴充總線下進行虛擬校園漫游系統的總線開發設計[6]。采用VIX總線控制技術實現虛擬校園漫游系統的總線集成控制，系統的控制平臺主要由A/D信息采集模塊和交叉編譯模塊構成，采用總線控制的方法進行虛擬校園漫游系統的總線調度和傳輸控制[7]。根據上述分析，得到的虛擬校園漫游系統軟件開發環境如圖3所示。

構建虛擬校園漫游系統的人機交互模塊，在C/S構架體系下采用交叉編譯的方式進行虛擬校園漫游系統的用戶交互體驗設計，采用嵌入式的ARM進行虛擬校園漫游系統的軟件開發設計[8]。

2 ?系統軟件開發與實現

2.1 ?虛擬校園漫游的三維全景圖像處理

對虛擬校園漫游系統的軟件開發設計包括算法設計和軟件模塊化設計兩大部分。進行虛擬校園漫游的三維全景圖像處理算法設計，建立虛擬校園漫游三維全景成像模型;采用圖像特征識別的方法進行虛擬校園漫游三維全景信息采樣和圖像樣本分析[9];結合對虛擬校園漫游三維全景渲染的方法進行圖像處理，由于[A>0]，得到虛擬校園漫游三維全景的空間區域分布的迭代參數[βi]如下：

[βi=exp-xi-xj22σ21distxi，xj] ? ?（1）

式中[xi]和[xj]分別為虛擬校園漫游三維全景圖像在像素點[i，j]處的像素強度和邊緣輪廓的長度。根據虛擬校園圖像網格分布，進行虛擬校園漫游的圖像渲染特征點匹配，以及虛擬校園漫游三維全景區域分布重組。用[distxi，xj]表示虛擬校園漫游三維全景標記特征點[xi]和[xj]之間的歐氏距離，采用邊緣輪廓特征檢測的方法對圖像的邊界分布參數[σ]進行自適應調節，構建虛擬校園漫游三維全景圖像融合模型[10]。采用模型系數匹配的方法進行虛擬校園漫游三維全景的8鄰域像素匹配，對采集的虛擬校園漫游三維全景圖像進行分塊融合檢測，得到圖像的三維紋理信息特征分量為：

[Pyw3xw3，θ，β∝Pyw3xw3，θyw3βi∝k=1Kαk12πσ2kexp-xi-μk22σ2k? ? ?1Zβiexp-c?CVc（Y，βi）∝k=1KαkZβi2πσ2k? ? ?exp-k=1Kxi-μk22σ2k+c?CVc（Y，βi）] （2）

在4×4子塊的子空間分布區域進行虛擬校園漫游三維視景仿真和圖像重構，提取虛擬校園漫游三維全景視覺特征量如下：

[di+1=2Fxi+1+12，yi+2= 2Δx（yi+2）-Δyxi，r+12-ΔxB， ? ?di≤02Δx（yi+2）-Δyxi，r+1+12-ΔxB， ? ?di>0] （3）

考慮校園漫游三維全景視覺特征分布的有限域，在有限論域[E]上進行差異度匹配，建立差異值特征匹配模型。采用分塊融合檢測的方法進行虛擬校園漫游三維全景圖像空間區域映射[11]，輸出為[F：E→R3]，設[T：E→PDS（2）]，對虛擬校園漫游三維全景視覺特征值進行信息重構，得到三維全景技術下的虛擬校園視覺空間重構輸出為：

[Rx，y=x2+y2+dx+ey+f] ?（4）

在最大值搜索區域內，提取虛擬校園漫游三維全景圖像的活動輪廓模型[12]，得到灰階不變矩滿足：

[?R?x=2x+d=0?R?y=2y+e=0] ?（5）

根據輪廓分布情況構建虛擬校園漫游三維全景圖像的分塊區域組合模型，得到虛擬校園漫游三維全景圖像的特征分辨率為：

[IGSM=I（CN;DNsN）=i=1NI（Ci;Disi）=i=1N（h（Disi）-h（DiCi，si））=i=1N（h（giCi+Visi）-h（Vi））] ? ? ? ?（6）

綜上分析，在三維虛擬場景的層次化結構模型中進行虛擬校園漫游的三維全景重構，建立虛擬校園漫游的渲染模型，可實現虛擬校園漫游三維全景視覺特征識別和重建[13]。

2.2 ?系統軟件模塊化設計

在圖像處理算法設計的基礎上，進行系統的軟件開發設計。本文設計的虛擬校園漫游系統包括圖像的三維重建模塊、信息處理終端模塊、數據庫模塊、圖像處理模塊和人機交互模塊等。采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具創建虛擬場景模型數據庫[14]，在數據庫模塊中，通過監控虛擬校園漫游數據庫的活動，閱讀數據庫的快照日志，獲得虛擬校園漫游數據庫的狀態信息。在事務更新日志表中進行虛擬校園漫游系統的任務隊列匹配和調度，采用TinyOS通信機制進行虛擬校園漫游系統的組件式架構，在多跳通信應用程序下進行主動消息傳輸;采用無線傳感技術進行虛擬校園漫游系統的數據庫結構構造設計，建立串口消息包[15]。通過構建無線收發模塊進行主動消息組件（Active Message）設計，得到虛擬校園漫游系統的TinyOS通信架構如圖4所示。

根據圖4的通信構架體系，通過Creator多重渲染的方法實現虛擬校園漫游系統的三維全景設計。在Vega Prime中實現對虛擬校園漫游系統的軟件開發設計。通過關鍵字command和event完成虛擬校園漫游系統的組件接口設計和參數化的人機交互接口設計。虛擬校園漫游系統的軟件主要由Linux內核的裁剪與編譯組成，采用TCP服務器端獲取數據包，用TCPComm.cpp與SFPacket.cpp實現原始數據流的讀寫。綜上分析，得到軟件類層次結構圖如圖5所示。

3 ?仿真測試分析

通過仿真實驗測試本文設計的虛擬校園漫游系統的應用性能，測試中采用forward（ ）函數進行虛擬校園視景的幀轉換控制。通過CLIENT COUNT觸發SendDone事件實現虛擬校園漫游三維全景重建，并采用IT公司的MSP430F1611處理器作為核心處理器件，進行虛擬校園漫游的渲染和圖像三維全景重構識別，測試系統的輸出穩定性，得到的收斂性曲線如圖6所示。

分析圖7得知，采用本文方法進行虛擬校園漫游系統設計，系統響應性能較好，響應時間較短。

4 ?結 ?語

在校園的漫游導覽過程中，需要構建虛擬校園漫游系統，本文結合虛擬現實技術進行虛擬校園漫游和導覽控制，建立虛擬校園漫游的目標場景，結合3D重構和視景仿真技術進行虛擬校園漫游設計。本文提出的三維全景技術下的虛擬校園漫游系統設計方案，采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具創建虛擬場景模型數據庫，在三維虛擬場景的層次化結構模型中進行虛擬校園漫游的三維全景重構，建立虛擬校園漫游的渲染模型。通過Creator多重渲染的方法實現虛擬校園漫游系統的三維全景設計，在Vega Prime中實現對虛擬校園漫游系統的軟件開發設計。綜上可知，本文方法進行虛擬校園漫游系統設計，降低了系統的時間開銷，提高了系統的響應能力。

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