（机械设计及理论专业论文）vps系统全景图生成平台的研究.pdf

西安建疏科技天学硕士学位论文 v 憋系统全景图生成平台的硬究 专业：趣专薮投计及建娩 磺生；篇云飞 撂导教爆：蔓永乎教授 攘要 基于全景图像的渲染技术是实现大学数字博物馆虚拟漫游前商效方法之一。 本文构造了一个全景图的生成平台。通过该平台，可以将采集的局部图像经过投影、拼接 和平滑优等步骤生成一桶全景图像。开发环境是在一台w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下的p c 机， p e n t i u mi v ，2 5 6 m 内存，使用v i s u a l c + + 6 0 及m i c r o s o f t 的基于w i n d o w s 平台的o p e n g l 扩展 库。 由于局部图像分别是在不同的方向上拍搬的，它们的投影平面存在一定的灾角，为了维持 实际场豢中的空间约束关系，保证实际场景中的视觉致性，必须将拍照得到的反映各自投影 平面的备局部图像映射到某一曲面上。圆柱面全景图投影具有图像获取简单、图像数据存储和 访问方便以及适应性广泛等优点，本文的设计中，选用圆柱面全景图投影，并编写程序 p a n o i m g p r o j ，以实现全景图柱面投影。 在局部离散图像投影后，为了得捶0 相同视点但不同视角的图像视点空间集，应进行图像拼 接。在慕于颓积的图像瓯配算法中，普遍存程拼接速度缓慢的问题，而在保证拼接质量的前提 下，提高拼接速度对于构造全景空间有重大意义。本文结合全景图像拼接特点，首次就模扳尺 寸、搜索范围和搜索方式进行研究，提出种新的基于模板匹配的优化算法，可以明显提高全 景图像的拼接速度，并以此为理论基础，编写图像拼接程序p a n a l m g m o s a i c 。 图像拼接时，如果只是简单地把两个图像叠加起来，拼接而成的图像会造成明显的拼接痕 迹，而不是无缝拼接。本文研究了相邻图像样本拼接的几何位置情况，提出一i 基于像素的按 权慎叠加的新方法，有效解决了平滑问麒。 本论文得到园家教育部“大学数字博物馆建设工程”项目的资助。 关键调：虚拟现实基于图像渲染技术全景图圆柱面投影图像攒接 论文类型：应用研究 瓣安建筑科技天学硕士学位论文 a n a p p r o a c h o f t h ep l a t f o r mt oc r e a t ep a n o r a m i c i m a g e s i nv i r t u a lp a n o r a m i c s p a c es y s t e m s p e e i a l l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g n a n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：s n y u n f e i i n s t r u c t o r p r o f w a n gy o n g p i n g a 8 s l r a g i t h et e c h n i q u eo fp a n o r a m i ci 辩8 9 盼k i s o dr e v e r i n gi so n eo fw a y sw h i c he 粥r e a l i z ev i n u a t n a v i g a t i o no f u n i v e m i t ya i g i u am u s e u m e f f e c t i v e l y 。 t h i s p a p e r e o n s l m c t sa p l a t f o r m o f c r e a t i n gp a n o r a t 蝤# i m a g e sb y s u c h s t e p s 嬲i m a g ec o l l e c t i o n , p m j e c t , m a t c h i n g a n d i m a g e s m o o t h n e s s t h e p l a t f o r mw a se x p l o i t e d i na c o m p u t e r w i t ht h eq 端础g s y s t e m w i n d o w s 2 0 0 0 , m e m o r y o f 2 5 6 m a n d c p u o f p e n f i t r a i v i a g t h e t o o l s a r e s o f t w a r e o f v k s u a l c 抖6 0 a n d o p e n g l e x t e n s i o n l i b r a r y b a s e d o r w i n d o w s p l a t f o r m b e c a u s e p a r 蛀a l p i c t u r e w a g s h o t f r o m d i f f e r e n t d i r e c t i o n , t h e i r p r o j e c t i o n p l a n e h a s a n g l e i n e v i t a b l y t o m a i n t a i n s p a e i a l c o m s t r a m t r d a t i o n s h i p o f a c t u a l s c e n e a n d k e e p v i s u a l c o n s i s t e n c y ，e a c h p a r t i a l 强协g e w t a l c hd e 豁n e si t sp r o j e c t i o np l a n em u s tb e p m j e c t e d t oo n e 霸疆e e 。c y l i n d r i c 瘟p a n o r a m i cp r o j e c th a s s u c ha d v a n t a g e sa sg e t t i n gi m a g ee a s ；i i y , s t o 娃n gi m a g ed a t am a da c c e s s i n gi tc o n v e n i e n t l ya n dw i d e a p p l i c a b i l i t y 融t h i sp l i t l ) e r , c y l i n d r i c a lp a n o r a m i ci m a g e s v - l a ss e l e c t e dt op r o j e c ta n dap r o g r a mc a l l e d p a n o l m g p r o jw a sd e i g n e d i no r d e rt or e a l i z e c y l i n d e rp r o j e c t i o no f p a n o r a m i ci m a g e s 。 a f t e rp 酬d a ld i s c r e t ei n l a y sw a sp m j e c t 礁i n l a g em o s a i cm u s tb e t a k e ni no r d e rt og a i ns p a c i a ls e t o f v i e w p o i n t , w h i c h t h e p i c t u r e h a st h es a m e v i e w p o i n tb u t d i f f e r e n tv i e w a n g l e i nt e m p l a t em a t c h i n g a l g o r i t h mb a s e do i l 黜o f 薅龇t h ep r o b l e m t h a tt h es p e e d o f m a t c h i n g i ss l o w l yw a se x i s t e d 。u n d e r t h ec o n d i t i o no f m a t c h i n g q u a l i t y ，r a i s i n gm a t c h i n gs p e e d i ss i g n i f i c a n ti nc o n s l r a c f i n gp a n o r a m i c 印a 。e c o n s i d e r i n gf e a t u r eo f p a n o r a m i ci m a g em o s a i c ，d i m e n s i o no f t e m p l a t e ，s e a r c h i n gr a n g ea n dm e a r i so f s e a r c h i n g 愀r e s e a r c h e d i nt h l sp a p 娌a n dan e w t y p eo f o p t 融盘! a 蛀n na l g o r i t h mw a sp r e s e n t e d b a s e d o i lt e m p l a t em a t c h i n g t h i sa l g o r i t h mc a l lg r e a t l yr a i s et h e 删o f p a n o r a m i c i m a g e s o n t h eb a s i so f t h e a l g o r i t h m , ap r o g r a mo f i m a g e m o s a i cw a s d e s i g n e d w i t ht h en e m e o f p a n a l m g m o s a i c w h e n m a k i n gi l b 魏g em o s a i c , t h e r ee ) d s 堪v e r yo b v i o u sm o s a i c t r a c ei fs u p e r p o s h 毽t w op i c t u r e s s i m p l ya sar e s u l t 。a n di ti s n ts e a l e s sm o s a i c s o m eg e o m e t r i c a lc o n d i t i o no f n e i g h b o rs a m p l i n go f 西安建筑科技大学硕士学饿论文 妇穗g em o s a i c 燃r e s e a w 盎e d i nt h i sp a p an e w s u p e r p o s h n g m e t h o d w a s p r e s e n t e d b a s e do nav a l u e o f p i x e lp o w e r ，w h i c h c a n r e s o l v ee f f e c t i v e l yi m a g e s m o o t t m e s s ， t 1 i sp a p e rw a ss p o n s o m db yp r o j e c to fu n i v e r s i t yd i 西t a lm u s e u mc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n go f n a t i o n a lm i n i s t r yo f e d u c a t i o n 。 k e y w o r d s ：v i r h l a lr e a l i t y , i m a g e - b a s e dr e n d e r i n g ，p a n o r a m i ci m a g e s , c y l i n d r i c a lp r o j e c t , i m a g e m e s a i e t h e s i s t y p e ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：石五色 关于论文使用授权的说明 日期：瑚田6 ，专 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：石五色导师签名： 注：请将此页附在论文首页。 日期：64 - 6 5 n 小吖l l 乙 、p乞 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 零课题蔻瓣家教弯帮痿旗蜓“大学数字簿物键建设工程”顼警中瓣鸯关场景数字纯与盛熬 场景漫游系统的专题研究。瀚内外实现博物馆数字化的主流技术是虚拟现实模型语畜、三维数 字化和虚拟垒娥空间等虚拟现实技术。本课题采用虚拟众景空间技术来实现。 l + l 课题背豢 数字博物馆已在国外广泛应用。目前，美国博物馆绝大多数都加入国际互联网，日本也有 j 琏百座博物馆在国际互联网上有了自己的难页，欧洲一然博物馆也陆续上网。在我网也有很多 家v | 毒物馆上嬲，一些省级以上懿褥物壤盔蓬联鼹上有t 爨己静主页，键内容大多比较 窭单，仅 仅是原有小羹书面介绍的翻版，除了短愆凡行文字及陈列展览简贫以外，还有几个分剐代表培 藏特色的按镪，每个按钮所连接的只有几件典型藏品的正面图像展示。确切地说，遮叫“博物 健上网”，逐不是真正意义上的数字博物馆。 数字薄秘键是一个毂藏晶数字式竞窀肫、操作电濂纯、弦l 览案鬣他、基量煎多媒体数据藩 恩存储、资源充分共享、稠络式结构的多媒体信息集成应用系统汹3 。数字博物馆系统主要分 为四部分，即；虚拟博物馆、实物数字化、虚拟游览、幼态浏览及信感检索等。数字化博物馆 孩心羲是一个共享帮憝鬻薅钧键基磷数攥，并结合鬻澎、图像、狡鼷等静态器翅杰售惫来表 达结果的信息系统。通过计算机及互联网络使得浏览者得到有内在联系的、视觉上遥真的、交 互式的、动态的“参观”效果。可以认为数字化博物馆是分布式的、以知识为基础的工作环 凌，适合广泛熬曩户豹，戳纛羧懿教室、避魏键、燕惑及演撵室等形式出现懿在线教弯巍文纯 源。 2 0 0 2 年1 1 月，国家教育部面向“2 1 世纪教育振必行动计划”、“现代远程激育网上公 共资源建设”扁动了“大渗数字薄物馆建设工程”项强。该顼垦楚出凄瞎郏组织，依惩卡，唾 大学的重要酶物馆馆藏和学器 背景，着黧建设了圈类数字博物镶释一个软件平台，即：地球科 学类数字博物馆、生物类数字博物馆、人文类数字博物馆、科学技术凑数字博物馆以及大学数 字博物馆软l 牛平台。大学数字溥物馆的中心目的是资源按享，提供现代化的信息服务和信息保 存、绦护魏觳特有资源弱知识产权匏保护；主要任务楚信怠共享、戮究l 骚务、基供耱普往熬懿 识和提供丰富的展出方式。 我校所承担的是“西安建筑科技大学建筑数字博物馆”项目。本课题受到该项目的资助， 对荬孛戆一个方覆遗嚣专熬蚕秀突：全景黼生残平台戆磷究。 西安建筑科披大学硕士学位论文 l 。2 国内外弱裁状提 哥前，国内外实现博物馆数字纯酌主流技术是虚越现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 。 虚拟现实鼹十分时髦的字眼，是一项涉及计算机图形学、人机交互、人工智能等学科的综 合技术，它的翳的是用计算机来生成一个逼真的三维感觉世界，给观众以如同真实世界的体 验。虚接现实技术姨密现经过十几年豹发疑已经逐多惫避了天稍豹罄鬻生活，无谂怒在游戏、 广告宣传还是在建筑设计、翠事仿真等领域都显示出强大能力。随着计算机软、硬件技术的发 展，利用虚拟现实技术进行篾杂场景的虚拟漫游已成为可能，利用这一技术我们可以足不出户 游览嚣。景薤羹亟，可| 噩漫游纛镞薄耱键。 虚拟现实技术是一项投资大，具有黼难度的科技领域。在我国，融被列入“九溉”攻关计 划，国家8 6 3 计划，国家自然科学基金会资助范围。弦v r 技术中，明前存在许多肖待解决与 突酸楚运蘧熬绳褰豫系缓瓣交互眭，遂爽性季沆浸慧。纛蘩丽境漫游是虚拟琨宴波震数基本 功能之一。构造一个虚拟环境漫游系统，就是利用高性能的计算机软、硬件甸建使参与者具有 身临其境的沉浸感和良好的人机交互能力，有助于启发构思的信息环境，进而达到参与者在虚 耋 琢境孛获取垒b 识、形成檄念的最终垦撂。 主要研究领域及其现状为： ( 1 ) 虚拟现实模型语裔“i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，v r m l ) 应用 虚拟现实建模语言是近年来在计算机图形学领域非常热门的砚究内容之一，猩实现虚拟现 实方瑟，蠢羲特臻静贡献。w 溉是一耱三维遥墅帮浚染的图形摇述语言。嚣辩，嘲。是在 i n t e r n e t 上建立3 d 多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。应用肌，用户可在三维虚拟现 嶷场景中实时漫游，可前进、后退、左转、右转、向上、向下平移，也可固定视点，上、下、 左、袁交纯筏线或嚣稼熹不劾，跌上、下、左、矗霾令方囊围绕嚣慧遴短褒寨。澎 ，爱户在 漫游过程中可和三维场景中的展品产生交互动作，选择不同视煮进行在线浏览等。 由于具有广泛地皮用前景，备三维图形软件厂商纷纷推出两种工具：舭制作工具 窝敦l 菱工具。摹终工具霜予生成v r 池文譬，s g i 、3 d 漱x 、c o r e l 等软搏罄可强农藏褒弱图形 环境下直缓输出w r l 文件，也支持v 黜姻7 。浏览器瑙采浏览v 魁文件，b l a x x u ni n t e r a c t i v e i n c 的b l a x x u nc o n t a c t3 d 、s g i 公司的c o s m op l a y e r 、p a r a l l e l g r a p h i c s 公司的c o r t o n a 以及 s n o y 公司的c 瑚m m i t yp l a c e 等浏览器都是其中优秀的代表。这些工具软件的推出和不龋完善 必将促进球托的进步籁稳激化。 ( 2 ) 三维( 3 d ) 数字化 季q 用图像的三维重建和三维扫描技术藿构高分辨率的三维虚拟炎物，是现在廉拟现实领域 魏磅究热纛之一。诲多莺终的磅究撬擒，蘩美藿s t a n f o r d 大学诗雾搬系懿鹜形学突验室、i 掰 的t h o m a sj w a t s o n 研究所等围绕着三维数字化博物馆已经开展了大量的研究工作。其中美 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 国s t a n f o r d 大学利用这一技术开展的“数字米开朗基罗”项目，计划将文艺复兴时期的这位 意大利著名雕塑家的作品实现数字化。分辨率可与普通相机媲美的数字相机可将捕捉到的图像 直接在网上传输。对于窄带应用上，v i e w p o i n t 所提供的技术也是最好的解决方案之一。使用 的是独有的压缩技术，把复杂的3 d 信息压缩成很小的数字格式，同时也保证浏览器插件可以 很快的将这些压缩的信息重新解释出来。在3 d 贴图上，使用j p e g 的压缩格式，保证文件的贴 图不会使3 d 文件加大。传送给用户的方式像f l a s h 、q u i c k t i m e 、r e a l m e d i a 等流行媒体一样， 使用了流式播放方式，这就使得用户不需要下载完所有的文件即可看到v i e w p o i n t 的内容。 ( 3 ) 虚拟全景空间( v i s u a lp a n o r a m i cs p a c e ，v p s ) 虚拟全景空间也是现在虚拟现实领域的研究热点之一，是当前i n t e r n e t 网上应用最广 泛、视觉效果最为理想的虚拟环境生成与漫游系统。八十年代，m i t 媒体实验是开发的a s p e n m o v i em a p 项目，九十年代，q u i c kt i m ev r 与i p i xv i e w e r 等系统都是虚拟全景空间的优秀代 表。 近年来，虚拟环境漫游的研究十分活跃，其中u cb e r k e l e y 漫游工作室在建筑漫游方面的 工作具有代表性。1 9 9 6 年，他们对b e r k e l e y 大学计算机系新楼s o d ah a l l 进行了事前漫游， 及时发现并修正了建筑设计中存在的缺陷。s o d ah a l 模型由1 4 1 8 8 0 7 个多边形构成，占据 2 1 5 m 硬盘空间，使用了4 0 6 种材质及5 8 种纹理。由于研究小组开发了高效的漫游引擎，实现 了s o d ah a l l 在s g ip o w e rs e r i e s 3 2 0 平台上的实时漫游。国内一些院校和科研单位陆续开展 了v r 技术的研究。如浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、c a d c g 国家重点实验 室开发的桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；北京航天航空大学计算机系的集成的分布式虚拟环 境d v e n e t ( d i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n tn e t w o r k ) ；清华大学对虚拟现实和临场感方面的 研究，以及西安交通大学，国防科技大学，中科院软件所等单位也进行着不同领域，不同方面 的研究。但是各研发者实行技术封锁，各自为阵，且尚有许多未臻完善的方面。 1 - 3 研究任务及意义 数字博物馆的软件系统主要由以下几部分组成：场景展示与虚拟场景漫游子系统、博物馆 信息管理系统与博物馆网站。其中博物馆信息管理系统以数据库系统为核心，提供博物馆相关 多媒体信息主要是展品信息的录入、检索、修改以及输出、系统安全管理，为场景展示与虚拟 场景漫游子系统以及博物馆网站提供数据支持。博物馆网站是该系统的主要展示方式，大多 数虚拟参观者通过网站对数字博物馆进行访问。博物馆以数据库为后台驱动，确保网站内容的 及时性与准确性，同时提供网站内容采编系统，为非专业人员维护网站提供方便。场景展示与 虚拟场景漫游子系统是数字博物馆系统中的核心之一，利用在数字化过程取得的模型数据，通 过虚拟现实与人机交互技术，提供对博物馆环境、展品的全方位展示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 就数字博物馆而言，如何借助三维、全景摄影、摄像、3 书图形等现代化手段，让用户通 过互联网，不受时间、空间限制随心所欲地从不同角度欣赏观察真实世界的特色建筑、馆藏； 而且，使用户有强烈的沉浸感仿佛展品就在眼前；有友好的交互性增加用户的选择 性，变“给你看什么就看什么”为“我想看什么就看什么”，从而最大限度地满足个性需 求。这是实现此项目的关键和难点之一。课题“v p s 系统全景图生成平台的研究”就是针对这 一问题提出的。另外，要考虑数字博物馆的如下特点： ( 1 ) 虚拟环境漫游的对象是现实世界，如名胜古迹或特色建筑，漫游时身临其境的沉浸 感，良好的人机交互性和数据传输的实时性非常重要。因此要求虚拟环境漫游的视觉效果尽可 能与实际的视觉效果相一致，在数据传输延时较小。 ( 2 ) 虚拟环境漫游有两类漫游行为：环境漫游和实体漫游。前一类是针对实体内部景观 的漫游；后一类是针对实体外部景观的漫游。因此针对这两类的特点，首先应分别考虑各自的 实现方法；其次要综合考虑在实现其功能方面运动的连续性，以求得到平滑的视觉效果。 本课题的初衷在于针对国内外现状( 许多文献内容要么是粗线条式的，或零碎片段式，要 么算法受到专利保护) ，借鉴国内外虚拟全景空间系统的经验，总结各种虚拟现实技术，开发 出自主知识产权的v p s 系统，并且力求提出新的算法，以完成目标物的全景图像的投影、拼 接。本课题的完成可以解决“西安建筑科技大学建筑数字博物馆”项目中建筑物展示与虚拟场 景漫游等图形、图像处理工作的核心问题。 1 4 小结 本章首先对课题的背景概述，其次简要介绍了国内外实现博物馆数字化的主流技7 r 一虚 拟现实技术各主要研究领域的现状；最后，根据课题承担的任务及特点，提出实现途径。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 虚拟现实及实现途径 虚攒瑷实、诗纂攫裁遥、毒墨学诗篓蜀疆证是嚣蘸毒 箨班銎形矮域三大热f 1 话题嘲。痘接现 实技术的实现途径有基于图形渲染、基于黼像的三维耋构和基于图像满染等技术。本课题采用 i b r 技术中的撩于全景图像的方法。 2 。l虚拟凌实 2 ，1 _ 1 含义 虚拟现实一词，是由美国v p l 公司的创始人j a r o nl a n i e r 在1 9 8 9 年首先提出的。最初是 $ 朗头蕊显承灞和砖感手套等一系歹l 毅蘩交互设各构造斑熬秘诗箕枫软硬转臻壤，人妇通过 这些设施以岛然的技能向计算机输送各种命令，并得到计算视对用户的视觉、听觉及触觉等多 种感观的反馈啪。现在，虚拟现实的内涵述包括一切与之有关的具脊自然模拟逼真体验的技术 与方法。它婺奄4 建一个酬默狂观环境又超越客蕊时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人枧巧 境，遣藏是个由多维詹惑所构藏静胃搽级鹣空闻。它筵一静夭- 裁。交互工其，这孛工具静创 造或设计是基于人与周围真实世界的交曩，它的最重要的目标是真实的体验和方便自然的人机 交互。能够达要0 或部分达墅b 这一目标的系统称为虚拟现实系统( v r 祭统) “。 鑫嚣鬣实系统对交互馥、实嚣洼鸯鞍离要求，宅楚入工智麓、诗辩疆圈澎学、a 辊接叠 支 术、多媒体技术、网络技术、并行计算技术等多种技术的集成。一个真正意义上实现了虚拟现 实的系统应舆备以下3 个簧索： ( 1 ) 蓄炎悫笈绘震户黯立薅豹虚羧凌器； ( 2 ) 成给用户第一人称的感觉和实时任意活动的自由； ( 3 ) 用户能通过一些控制装置和手段实时操纵和改变所处的虎拟境界。 2 。l 。2 霪羧瓣实蔽寒的耱髹” 虚拟现安技术具有以下四个重要特征： ( 1 ) 多感知性( m u l t i s e n s o r y ) 所谓多感如就是说除了一般计算枧技术鞭具有的视觉感知之井，还有听觉感熟、力觉惑 知、触觉感知、运动惑翔，甚至有味觉戆知、嗅觉感知等。理想豹纛拟现实技术斑该其有翡 人所具有的艨知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术仅限于视 赏、听觉、力觉、触觉、邀动感知等几萃申，无论从感知范围还是从感知的精确程度都无法与人 稳篦。 ( 2 ) 存在感( p r e s e n c e ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难 以分辨真假的程度，甚至比真的还“真”。 ( 3 ) 交互性( i n t e r a c t i o n ) 是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度( 包括实时眭) 。 ( 4 ) 自主性( a u t o n o m y ) 是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。 可用系统的存在感p ( p r e s e n c e ) 、交互性i ( i n t e r a c t i o n ) 、自主陛a ( a u t o n o m y ) 来w o ? w 系统的性能( 如图2 1 ) ，其中p 、i 和a 的值越大，表示v r 系统的性能越好。显然，p 、i 、a 的值同时取最大值时，v r 系统的性能达到极限，即理想的v r 系统。 存 图2 1v r 系统的性能评价 2 i 3 主要应用 虚拟现实在科学计算可视化、c d c a m 、机械、建筑、医学、远程教育、电子商务、交互 式娱乐、艺术等领域都有着广泛的应用前景，利用它可以创建多媒体通信、分布式虚拟现实、 设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区等全新的应用系统。 值得指出的是，汽车、建筑等的设计仍大量需要虚拟现实的支撑，这也是虚拟现实的传统 应用领域之一。设计师往往需要通过虚拟现实技术观察设计效果，包括外观效果、动力性能、 使用方便性以及用户需求。 2 1 4 主要研究方向。 根据近年来关于虚拟现实研究前沿的学术会议和专题讨论，虚拟现实技术目前及未来的主 要研究方向包括5 个领域。 ( i ) 感知研究领域：视觉图像质量的改善；空间声音；非语言听觉：开发用于人 类触觉系统基础科学研究或虚拟现实触觉设备的计算机控制机械装置。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 人机界面：独立于应用的交互技术和方法的研究；建立软件技术交换机构以支持 代码共享、重用和软件投资；开发通用的软件维护工具。 ( 3 ) 软件支撑环境：开发满足虚拟现实建模要求的新一代造型工具；开发同时支持现 有和新的模型的软件工具：支持在虚拟现实内建模的软件工具的开发；虚拟现实语言模型 的研究；限时计算与绘图的软件工具的开发；多用户虚拟现实的支撑软件的研制。 ( 4 ) 硬件系统：惯性跟踪系统：外部空间中，大工作体的跟踪技术；支持人类触觉 的机械学的研究；开发交互力反应设备，以及相关区域的力分配设备；视觉显示设备在分 辨率、亮度和显示速度等方面的改进；能够降低延时的显示技术：改进听觉模型技术； 语音输入作为用户界面的研究。 ( 5 ) 人类因素：确定有效使用三维输入输出的方法；用户界面中有效地集成声音和语 音；虚拟现实地认知研究。 2 1 5 实现途径 ( 1 ) 基于图形渲染技术； ( 2 ) 基于图像的三维重构： ( 3 ) 基于图像的渲染技术。 2 2基于图形渲染技术 2 2 1 含义 基于图形渲染技术( g r a p h i c s - b a s e dr e n d e r i n g ，g b r ) 是以计算机图形学为重要理论基础， 其实质上是对场景中对象的光线交互过程的仿真：首先对真实世界进行抽像，建立其三维几何 模型，一般用多边形表示；然后给定观察点和观察方向，利用计算机由模型实现多边形处理、 着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程，把用户脑海中的构想有效地转化为用户能观察 的视觉图像，再结合传感技术、用户交互技术，使得计算机构造出一个用户看得见、摸得着、 感受得到并能沉浸其中的虚拟环境。 2 2 2 实现方法 ( 1 ) 利用虚拟现实建模语言实现虚拟漫游 虚拟现实建模语言( v r m l ) 是近年来在计算机图形学领域非常热门的研究内容之一，在实现 虚拟现实方面，有着特殊的贡献。因此，有必要做一个简要介绍。 孙也是一种用于描述三维造型与交互环境的简单的文本语言。同时，m 儿是在i n t e r n e t 上建立3 d 多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。它是一种以a s c i i 码进行编码( 文件长度 小，利于传输) 的动画生成语言，它具有良好的平台无关性以及低带宽传输性，不需要像传统 三维模型那样需要很长时间的渲染( r e n d e r i n g ) ，在浏览器上可以实时的生成三维场景( 可以便 用专用的v r m l 浏览器如：c o s m op l a y e r ；在i e 或n e t s c a p e 中加人插件也可) 。同时，它也提 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 供了诸多与c 、c + + 、j a v a 等编程语言的接口。通过这些接口，用户可以方便地与三维场景 进行交互控制。v f 姐。的图形渲染是实时的，这是它与动画制作软件的最大区别。这种实时性 导致了在虚拟场景中的人机可交互性。由于以上的特性，它特别适合进行分布式仿真系统的开 发( 当然，底层还必须有仿真程序和通讯程序支持) 。 图2 2 显示了濉在图形技术发展中的地位咖1 。 第一代图形技术 ( 8 0 年代) 3 d 工作站 o p e n g l c + + 、d e l p h 纹理、光照模型 第二代图形技术 ( 9 0 年代) 工作站 p h i g s 、p e x c 、p a s c a l l 实体造型 第三代图形技术 ( 2 0 0 0 年) 光栅终端、微机 c o r e f o r t r a n 线框造型 图2 2 三维图形技术的发展 第四代图形技术 ( 2 0 0 0 年后) 网络计算 v r m l 、j a v a 3 d 场景模型 行为、立体声 v r m l 的优点是平台无关性：p c 或s g i ，都可以浏览v r m l 世界；基于w e b ，能够建立 三维可视化服务器；能够快速建模：支持p r o t o 等灵活的编程方式；大量的可用资源：越 来越多的i n t e r n e t 站点含有与v r m l 有关的内容；v r 儿程序所占的磁盘空间非常小，便于网 络间的相互传输。缺点：着色不如o p e n g l 快：没有底层控制；有限的界面。 表2 1 目前v 瑚。浏览器可以输出的和不可输出的元素 可以输出的元素 不可输出的元素 几何图形光滑组 隐藏对象( 输出选项)隐藏面 变换动画 坐标插值动画 及同还明继承连接 项 动态摄像机 光颜色体光 标准材质和多重次物体其它类型材质 目 材质 环境光、漫反射光、高光 贴图( 漫反射通道) 光亮度 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 利用3 ds t u d i om a x 与v 踟。结合实现虚拟漫游 利用3 ds t u d i om a x 软件中v r m l 语言输出功能可以实现以鼠标导航的三维场景虚拟空 间。3 ds t u d i om a x 软件中v r m l 选项是可以用来建立可被网络浏览器浏览的三维场景文件，同 时可以为场景中的三维物体指定活动控件和触发器。 具体步骤： s t e p l ：创建三维模型； s t e p 2 ：设置场景，目的是将建立完成的场景三维模型如何真实地表现出来，主要的工作 是建立适当的光环境、模拟摄像机和模拟背景等； s t e p 3 ：设计材质，注意在v r 场景中，不要过多的使用反射、折射效果，应将重点放在空 间的总体构成和构件形体特色方面； s t e p 4 ：动画，即模拟人在建筑空间内外行走所观察到的动画效果，一般是将摄像机固定 于一条行走路线上，高度近似为人眼高度，视野近似为人眼的视野，然后依据计算出的行走速 度进行运动； s t e p 5 ：创建与使用v r m l 文件，在3 ds t u d i om a x 软件中通过”f i l e ”下拉菜单的”e x p o r t ” 选项，并选择删9 7 的w r l 格式输出即可。 图2 3 是利用3 d sm a x 4 构造了某一建筑的三维原始模型，选择3 d sm a x 4 中h e l p e r s 面板 的v r m l 9 7 模块，并选择f i l e e x p o r t v m l 9 7 ( w r l ) ，输出w r l 格式文件后，在w e b 上的插件 c o s m op l a y e r 2 中浏览的结果。 图2 3 用c o s m op l a y e r 2 浏览三维模型 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 利用三维扫描技术构建三维模型 三维扫描技术的基本过程包括将物理物体的形状和表面特征加以数字化，并将多个部分模 型融合成一个完整的模型以及为模型贴上相应的材质，构建出高分辨率的虚拟物体。三维扫描 技术可直接获取三维数据信息并进行模型的重建，与传统的二维扫描相比，能够最大限度地避 免扫描过程中引起的信息丢失。该技术可大致分成如下两类：( d 接触式技术：该技术必须手工 或使用工具对物体进行接触。常用的工具有尺子、铅锤以及具有复杂关节的探头等。非接触 式技术：该技术利用存在的能量或向物体投射一束能量( 超声波或各种光波) ，利用特殊的照 相机甚至是直接用眼睛捕捉反射回来的能量，以达到测量的目的。该技术又可进一步细分为两 类：被动式和主动式。被动式技术从物体的深度图像所提供的信息中得到坐标，例如i i 孙i r ( 基于图像的建模和绘制) ；主动式技术包括激光扫描技术和结构光扫描技术，这种技术能够 快速地获取坐标信息，因而被广泛应用在空间、工业、人体测量、建筑业等各个领域之中。加 拿大i n s p e c k 公司成功推出了i n s p e c k3 d - b f 三维扫描仪，使利用三维扫描技术构建三维模型 达到商业化。 2 2 3 特点 这种方法最大特点和优点就是以经典计算机图形学为理论基础，在计算资源允许的情况 下，完全可以生成足够精度的逼真的三维场景。而且，三维场景的模型是与视点无关的，一旦 模型建立，自然支持任意自由度和任意方向上的漫游。但缺点也是显而易见的：复杂场景的 几何建模十分繁琐；显示速度与场景的复杂程度相关，若场景中几何面片的数量骤增，显示 效率会随之急剧下降，不能保证实时性；加速绘制需要专门昂贵的硬件支持。 2 2 4 实现课题要求的可能性 在虚拟现实环境中，人们仿佛置身于一个完全真实的环境空间中，使得建筑设计能够突破 “平面、立面、剖面”的刻板模式，进入一个更直观、更生动的层面。但是由于v r 技术发展 时间短，在技术和应用上还有许多问题，这些不足主要体现在软硬件设备要求较高，价格昂贵 以及建筑设计技术与v r 技术的融合问题等。由此可见，对于虚拟建筑环境实时漫游的实现来 说，这并不是一种理想的方法。 2 3 基于图像的三维重构 对于一个复杂场景由人工交互方法构造几何模型是一件繁琐且工作量大的事情，基于3 d 重构的绘制技术使用实拍图像，用尽量少的交互量，充分利用纹理特性来重建场景，力求达到 既省力又真实的效果，是很有应用前景的一种技术。 s i g g r a p h 9 6 上p e d e v e v e c t 等人也提出了通过照片重构建筑物的几何模型及进行绘 制。这种方法的理论基础是照像测量法( p h o t o g r s n m e t i r c ) ，包括来自计算机视觉研究领域的 光学校准和从连续运动图像重构造三维模型等一系列技术。该方法包含两部分内容，即三维模 l n 西安建筑科技大学硕士学位论文 燮重掏帮基予熬枚模型的绘制。在模型重毒句阶段，系绞识剐出原始蹙像中建筑物的大致轮癣， 由用户确定菜轮癣在不同原始图像中酌对应关系，系统根据照像测餐法，通过纥粜求解自动 建立起建筑物的基本三维几何，即由若干模型体元所组成的参数化层次模型。在绘制阶段，利 用基于视向的纹理映射将各服始图像中的逑当部分映射至4 重构的模型上。重构的模溅仅由简单 瀚凡楚薅缝藏，是对实舔建麓物静蘧路邋叛。为了减少浃瓣嚣产残熬误差，该方法雩 入了立露 成像技术，利用几何模型狂另一方向上生成一幅参考画俩，与该方向上实际拍摄的硒面加以比 较，通过透视荧系就可以求出特定点偏离几何模型的位移量。 与瑟嚣辩，￥z a k a i 等撬鑫了一令奁舔强势态窝缘上送行三缝建摸麴方法。摹l 弼已翔豹三 维简单几何形状和它们在图像上的位置，反求摄像机参数，通过几何参数完成静态图像上的造 测。此造型可以编辑，原有的图解成为附潜在几何上的纹理，相应地场景的阴影等光照效果可 淤随着造型豹改变露变证。l i e b o w i t z 警报据建筑奶场爨孛显嚣易撼戆平嚣、垂爨、共嚣等一 系列限制条件，给出了少量照片( 一或两张) 中重擒3 d 场景方法。姚夕 ，h o n e 给融了解析的 求解由图像的灰度信息来确定物体形状的特征曲线展开法以及i k e u c h i 提出了在外缘约束和平 港约束下，从一幅图像中褥列锈体形状瓣基于亮度的形状恢复“3 。健这些方法并没有达至4 实 愆纯程度。 2 4 基子网像渲染技术 2 。4 。l 含义 基于图像渲染技术( i m a g e - b a s e dr e n d e r i n g ，i b r ) 是以环境中擒样出豹离散鞠像组成基 础数据，而不是用三维模溅来创造一个场景，通过处域与组织这些图像数据得到环境的连续描 述，以完成绘露4 工作。它謦4 用二维的图像信息来表达、绘制场景，以达到比较好的真实感和实 霹洼。 基于图像渲染方法强调从己有的图像信息中获取未知的信息，嶷际上是利用了图像之间的 相关性。从冀法实现方式采番，可以分为两种：一种怒基于特征表承的方法，要用户或程序来 獾定一些瓣癍瓣特 歪，瓢褥诗算塞点与赢之囊懿瓣袋关系，在辗豢一定瑟交换焱粪来递牙变 换；第二种方法着眼点在于图像本身就保存了位置，观察距离和观察方向等信息，从而从给定 的视点中真按计算出对应该视点的图像。 i b r 技零毽摆三部分：场景貔曩榉，虚按繇凌表示，场景采样转豫费盛搭黪壤褒示靛建模 技术。场景的采样有两种方法：计算机绘制和相机拍摄。虚拟环境的表示可分为髓类：全景 图、光场数据库、深度图像和多投影中心图。它们与虚拟现实技术中虚拟观察( 俯仰视、环 视) 褪虚拟漫游方式密切耀关，简述如下： ( 1 ) 全爨图( p m a o r s m i ei m a g e ) 是戳视点为中心，将场景中采集的图像映射到全景图上， 包括圆柱面、球面和立方体面全景图，适合于定点环视和俯、仰视。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 光场数据库( l i g h tf i e l d ) 是对场景进行密集采样，然后对采集的图像集按一定的检 索方式组织起来。 ( 3 ) 深度图( d e p t hi m g e ) 是指图像带有深度信息。当新视点在采样视点附近且视向相似 时可用3 i ) - w a r p 操作，快速生成新视图。 ( 4 ) 多中心投影图( m u l t ic e n t e ro fp r o j e c ti m a g e ) 是由一组条( s t r i p e ) 图像序列组成的 图像。每个像素带有深度信息，且每条图带有相机的参数。该表示方法可以控制采样密度，对 复杂且需仔细观察景物可密集拍摄，反之可疏松采样。 以下介绍基于全光函数的全景图像的发展过程及实现方法。 2 4 2 基于全光函数的方法 i b r 是新近发展起来的3 d 技术，区