漫游系統功能現實技術研究

江宏　吳瑩瑩

摘? 要：漫游系統是虛擬現實技術的重要應用形式，自從上世紀90年代漫游系統出現以來，漫游功能的實現成為眾多開發者研究的對象。文章綜合自上世紀90年代至今來自知網數據庫關于漫游系統的相關文獻，分析歸納漫游功能實現的技術路線，得出全景漫游和虛擬漫游兩條主線，并對兩條技術路線的漫游系統進行比較研究，總結優缺點，為今后漫游系統開發提供參考。

關鍵詞：虛擬現實;全景漫游;虛擬漫游;比較研究

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）05-0072-04

Research on Functional Reality Technology of Roaming System

JIANG Hong，WU Yingying

（Electronic Information Engineering，Anhui Business College，Wuhu? 241002，China）

Abstract：Roaming system is an important application form of virtual reality technology. Since the roaming system appeared in the 1990s，the realization of roaming function has become the research object of many developers. This study integrated since the 1990s from CNKI database related literature about roaming system，analysis of induction roaming function implementation of technical route，it is concluded that the panoramic roaming and virtual roaming the two main line，and the two technical route of a comparative study on roaming system，summarizes the advantages and disadvantages，roaming system for the future development to provide the reference.

Keywords：virtual reality;panoramic roaming;virtual roaming;comparative study

0? 引? 言

本文是基于校內三平臺兩基地項目“AR（增強現實）技術在移動教學平臺的應用”的研究成果。漫游系統是虛擬現實技術重要應用形式，在信息傳播、圖形圖像研究、計算機應用等領域應用廣泛。漫游系統能夠為用戶提供視、聽、觸、味等多感官信息，可以與用戶產生一定程度的交互行為，可以呈現現實的場景，也可以提供意象虛擬場景，從而為用戶提供具有沉浸性、交互性、意象性的體驗感。

筆者以中國知網中的期刊數據庫作為所研究的數據庫，應用高級檢索功能，以“漫游系統”作為主題關鍵詞進行檢索，共搜集相關期刊文獻1 680篇，最早的研究開始于1993年，進入2000年后，每年相關文獻數量快速增長，并于2017年左右達到頂峰，如圖1所示。

篩選搜集到“漫游系統”主題文獻，其中以漫游功能實現為主要內容的期刊文獻共計646條。分析整理漫游功能實現路徑方法，可歸納總結漫游系統中漫游功能實現技術路線總體分為兩條：

（1）以全景照片或全景視頻為主要資源素材進行后期合成，實現漫游功能;

（2）以虛擬仿真模型為主要資源素材，通過場景構建、虛擬仿真實現漫游功能[1]。

本研究接下來的內容就兩種技術路線所運用到的技術、特征以及效果進行比較分析。

1? 虛擬漫游技術應用現狀

1.1? 地產行業

隨著全景漫游技術的成熟，虛擬現實已經廣泛應用于房地產市場[2]。房地產售樓部競相推出VR看房的功能，鏈家、貝殼網、365淘房網等大型房地產類APP也推出了線上VR看房功能。該功能主要是在樣板房或準備銷售的二手房內拍攝全景圖片，再進行后期合成，交互功能設計，從而實現漫游功能。VR看房能夠比圖片文字的介紹更加真實、形象。近期由于冠狀病毒肺炎疫情肆虐，VR看房為房地產行業帶來一縷曙光，必將成為今后房地產業營銷不可或缺的重要手段。

1.2? 旅游行業

虛擬漫游在旅游行業的應用形式多樣，種類繁多，國內外有眾多典型案例。加拿大早在2014年左右建成虛擬漫游博物館平臺系統，在系統將眾多中小博物館以360°全景圖片的形式在網上呈現，用戶可通過終端設備調整角度和位置，達到沉浸體驗效果[3]。在國內，眾多名勝風景區，如華山、北京故宮、泰山等風景區均推出了虛擬旅游服務[4]。在生活節奏日益加快的今天，虛擬旅游市場將日益壯大。

1.3? 教育領域

虛擬現實技術在教育領域的應用主要體現在模擬教學情境的功能上，虛擬漫游系統可以構建因客觀因素限制而無法構建的場景，營造逼真的學習環境，有助于加強環境對于學習者的刺激反饋，幫助學習者加深認知，構造知識。早在上世紀90年代，天津大學就開發了虛擬校園漫游系統，同濟大學也對園林類場景進行虛擬建模，幫助學生加強認識。此外，虛擬漫游技術也在中小學教育，如古詩詞教學、歷史教學等特殊學科領域存在廣泛應用。

1.4? 文化傳播

虛擬漫游系統中包含圖片、文字、聲音、視頻等多種信息媒介，相對于單一信息媒介，虛擬漫游系統展現力更好，吸引性更強，其沉浸性和交互性特征必將會帶來更加強烈的影響效果，是未來不可或缺的文化傳播手段，例如慶祝新中國成立70周年大型成就展網上展館是基于全景漫游技術制作的漫游系統[5]。

2? 全景漫游技術路線

全景漫游技術又可稱為360°全景漫游或720°全景漫游，是基于計算機圖形學、數字圖像處理、多媒體技術等基礎學科而產生的新技術。全景漫游（又稱為實景漫游）是基于相機拍攝的真實場景合成的，所展示的內容均是現實中真實存在的場景。目前主要應用于房地產、展覽館等紀實類漫游項目。

全景漫游技術流程如圖2所示。

流程具體包括以下環節：

第一，模型選擇。全景畫面的形成原理是通過相機進行旋轉拍攝，獲得環繞的立體全景圖像。根據旋轉維度的不同，全景圖像模型可分為三種形式：立方體全景、柱形全景、球形全景[6]。其中球形全景圖像體驗效果最佳，但制作也最為復雜;

第二，圖像采集。在圖像采集環節中，可根據選擇的全景圖模型，采集合適的圖像進行拼接合成。全景圖像采集方法眾多，可通過單反相機配合云臺進行不同角度拍攝，也可通過魚眼鏡頭雙向拍攝，還可以通過全景攝像頭進行拍攝。隨著采集設備迭代，圖像采集將會愈發簡便;

第三，圖像拼接。第二環節所拍攝的素材需要通過軟件進行拼接，合成為特殊格式的素材。目前市面上全景圖合成軟件眾多，其中PTGui可根據所選擇的全景圖模型進行圖像合成，功能齊全，較為普及[7];

第四，基于開發軟件的全景漫游系統構建。當全景圖素材準備完畢，導入開發軟件即可進行交互功設計等其他功能實現。目前支持全景漫游系統構建的軟件有krpano、Pano2VR、Unity3D等;

第五，系統構建完成后即可導出，進行應用體驗。

3? 虛擬漫游系統技術路線

虛擬漫游技術又稱虛擬場景漫游技術，是基于三維模型實時渲染技術而形成的新技術。相較于全景漫游，虛擬漫游最大的特點是其展示的場景是由系統設計者意象而來。這種意象可以現實場景作為原型根據，也可以是自身天馬行空的想象，不受約束，只需將所想的模型通過三維建模軟件構建出來即可。虛擬漫游系統技術路線如圖3所示。

虛擬漫游技術包含以下環節：

第一，需根據系統需求構建場景模型。構建場景模型有多種方法，我們常見的方法是基于幾何的建模方法，通過計算機繪制幾何物體，記錄三維物體點、線、面等基本幾何元素信息。此外，還有基于點云的建模技術和基于參數化的建模技術。前者是目前常說的激光建模，適用于大型虛擬場景的建模，后者是通過控制參數來修改幾何對象特征的輔助建模技術;

第二，為了保證建立的模型更加真實，營造逼真的仿真效果，設計者需要對模型進行貼圖，即給模型對象附加紋理。例如，在3D Max幾何建模方法中，設計者可以通過UV面展開的形式將片面紋理圖形附加在三維幾何模型上。將第一步建好的模型導出為特殊格式，成為場景素材，導入到合適的開發軟件中;

第三，模型導出和導入。模型構建并且完成貼圖工作后，設計者可以將模型導出為合適格式，以便能夠順利導入到合適的開發引擎中進行下一步系統設計;

第四，開發引擎中進行交互設計。漫游系統設計需要有合適的軟件支持開發，通常這些軟件被稱為開發引擎。目前市場上的主流開發引擎有Unity3D、Unreal，除此之外，還有VRML、VRTools、VRP、Minecraft等;

第五，系統在開發引擎中構建完成即可進行測試導出，成為應用程序。

4? 全景和虛擬漫游技術比較分析

針對全景漫游系統和虛擬漫游系統網絡調查和體驗后發現，兩者在開發與體驗上存在共性，也有各自特征，值得細致分析，幫助用戶和開發者選擇合適的方式，開發合適的漫游系統。

4.1? 開發難度比較分析

在開發過程上，虛擬漫游技術依托幾何建模所形成的場景模型，建模法應用時間較長，技術已經相對成熟，但開發過程費時費力。進行虛擬漫游系統開發需要完成建模、貼圖、渲染導出、交互合成等多道工序，每道工序對開發者專業能力有較高要求，開發難度較高，耗時較長，還原真實場景較為困難。此外，開發的場景還原度和數據量成正比關系，還原度越高的模型數據量越大，漫游是通過對模型數據實時渲染所呈現的，大數據的實時渲染對硬件要求高。

全景漫游技術是近年來新興的虛擬漫游實現方法，試圖在未來替代依托幾何建模的虛擬漫游技術。該技術依托相機拍攝的圖片進行合成，形成全景圖片，將全景圖片導入交互合成軟件，開發合成漫游系統。該技術自動化程度較高，實現技術相較于虛擬漫游技術較為簡單，但對采集設備有一定要求。

從開發難度上進行分析，全景漫游技術相較于虛擬漫游技術易于實現。

4.2? 體驗效果比較分析

4.2.1? 沉浸性

全景漫游所呈現的是實景圖像，場景還原度高，但是圖像依然是二維圖形，其本質是二維圖形的環繞視覺體驗，缺乏縱深感，沉浸性不足。虛擬漫游所呈現的是虛擬模型，隨著幾何建模技術的日趨成熟，建模還原度越來越高，近乎可以做到以假亂真，在三維場景模型中，用戶可以第一人稱視角在場景中實現漫游效果，真正實現三維漫游，沉浸感強。

4.2.2? 意象性

意象性是指的是用戶沉浸在虛擬場景中獲取新的知識，并與場景環境產生交互反饋，從而萌發新的聯想，該種聯想可以通過虛擬場景表現出來。全景漫游由于所呈現的是客觀圖片，源于現實，其意象性表現需通過前期全景圖片合成時添加影視特效，意象性較弱。虛擬漫游場景模型本就是虛擬模型，模型根據開發者主觀意象而來，變化性較強，所開發的虛擬漫游系統意象性強。

4.2.3? 交互性

全景漫游系統和虛擬漫游系統所使用的終端設備大體相同，交互方法近乎一樣，從交互內容上來說，兩者交互所涉及的媒體包括聲音、圖片、文字、動畫等，總體上大同小異。但從交互形式上來說，虛擬漫游系統可實現與場景中某個對象的單獨交互，交互內容豐富，交互結構復雜，所以交互行為顯得更加真實生動。全景漫游系統難以實現復雜的交互行為，且場景中單獨對象無法實現與場景的分離，交互行為略顯簡單，交互體驗不如虛擬漫游系統。但由于虛擬漫游系統數據量大，實時渲染困難，交互響應時常出現停頓卡滯，影響交互體驗，而全景漫游系統由于數據量較小，交互響應較為流暢，交互體驗良好。

基于以上分析，將兩種漫游系統實現技術進行多維度比較分析，將結果呈現于表1中。由表1可見，兩種漫游系統技術路線各有優勢。

5? 結? 論

為了規避缺點，提升體驗效果，開發者嘗試將兩種技術路線進行結合，形成基于圖形和圖像混合建模的虛擬漫游系統[8]。基于圖形和圖像混合建模的虛擬漫游系統本質上是將全景圖形和建模技術進行結合，形成虛實混合的場景素材，再進行交互合成。隨著近年來Unity3D和Unreal4等游戲引擎逐漸進入虛擬漫游領域，很好地支持全景圖形和幾何建模相混合的場景素材，為新的全景漫游系統開發提供強大支撐。新的漫游系統技術將具備建模快捷、渲染快速、真實感強等諸多優勢，將會成為未來全景漫游系統開發新的技術方向。

參考文獻：

[1] 秦紅志，劉雪紅.基于Minecraft的虛擬漫游系統 [J].計算機系統應用，2019，28（12）：112-117.

[2] 李洪剛.淺析虛擬現實（VR）技術在房地產領域中的應用與發展 [J].中外建筑，2017（12）：148-150.

[3] 中視典數字科技.加拿大力推虛擬旅游 提升博物館宣傳 [EB/OL].（2010-08-18）.http：//www.vrp3d.com/article/overseasnews/410.html.

[4] 李淼.DOA架構下移動虛擬旅游服務模式與虛擬漫游技術研究 [D].成都：成都理工大學，2014.

[5] 央視網.慶祝新中國成立70周年大型成就展網上展館 [OL].[2020-01-16].http：//guoqing70.cctv.com.

[6] 武剛，余武.虛擬校園三維全景漫游系統探究與實現 [J].現代教育技術，2013，23（5）：122-126.

[7] 武迎淼.沉浸式虛擬校園漫游系統的技術研究與實現 [D].長沙：湖南大學，2018.

[8] 牟萍.虛擬校園建模、漫游技術研究及其實踐 [D].重慶：重慶師范大學，2006.

作者簡介：江宏（1991-），男，漢族，安徽安慶人，助教，碩士，研究方向：教育信息化、數字媒體應用;吳瑩瑩（1983-）， 女，漢族，安徽銅陵人，講師，碩士，研究方向：數字媒體應用技術。

收稿日期：2020-02-06

基金項目：安徽省質量工程大規模在線開放課程（MOOC）示范項目（2018mooc450）;安徽商貿職業技術學院三平臺兩基地項目（2018 ZDX04，2019ZDX07）