论虚拟现实导游教学实验室的建设流程与关键技术

陈能 庄惠阳

1 上海师范大学旅游学院 上海 200234 2 上海旅游高等专科学校 上海 201418

上海师范大学旅游学院（上海旅游高等专科学校）虚拟现实导游教学实验室竣工于2009年初。4年来，接纳课堂教学、外宾参观、影片观摩、学术讲座、培训会议达400场次，设备运行达1600多小时。虚拟现实导游教学实验室俨然成为学校所有实训基地的最大亮点。凡是光临实验室的观众都感兴趣于实验室从策划筹备到投入运行的秘诀。本文围绕实验室的兴建始末，阐述其建设流程与关键技术。

1 虚拟现实导游教学实验室的建设流程

1.1 考察阶段

建设虚拟现实导游教学实验室的初衷是借助虚拟现实技术完善辅助教学的功能，从而满足本校现场导游、导游外语等专业的教学需求。2005—2008年间，笔者考察国内多所院校的相关实验室，譬如北京商贸学校观光巴士虚拟教学实验室、北京商贸学校环幕立体旅游实训室、中央美术学院数字城市数字建筑实验室、北京商业学校虚拟旅游实训室等，全面了解实验室的策划与筹备事宜[1]。在策划与筹备方案上，预先提出实验室的各项功能，弥补考察前的认知漏洞与偏差，并对即将配置的硬件、软件、数据进行详细的描述。

1.2 竞标阶段

竞标阶段，除了比较硬件、软件、数据的总价，还比较关键技术与独立品牌。同样是180°（6通道）柱状环幕，采用偏振立体与采用光谱立体的总价之差可达100多万。倘若不去比较各家公司的关键技术与独立品牌，必定影响后期硬件、软件、数据的更新与维护。虚拟现实导游教学实验室的后期更新与维护时间，要比兴建时间长得多。那些没有全面独立品牌的公司，也许会在签合同之前夸海口、许金诺，一旦事成之后，就撒手不管。

竞标阶段，比较不同公司所提出的建设方案，如表1所示。偏振立体主要包括两种：基于偏振的被动立体（polarization）与基于光谱的被动立体（infitec）。前者通过改变光的偏振特性以分离影像，后者通过过滤输出光谱以分离影像。从建设成本角度考虑，偏振立体的软硬件设备造价较便宜，然而，超过3通道（1通道=30°）的偏振立体会发生边缘错位，必须进行融合。与光谱立体相比，偏振立体要求柱状环幕满足多方向光线的偏振特性。涂抹金属增亮颗粒的柱状环幕的增益较高，漫反射较强，从左侧或右侧观看柱状影像，亮度明显不一致。

建设方案受限于物理空间，即面积约300平方米的场地。通道数受限于弧度大小，即半径约7.6米的半圆周长。正常情况下，单个通道投影的屏幕长宽比为4:3，相邻两通道的投影交集面积为单个投影面积的25%。为了查看半径（r′）设计是否合理，计算时利用下述公式：设r′为弧度所构成的圆半径，根据L=(n/180)×Л×r=＞r′=180×L/(n×Л)。为了查看投影通道数（s）是否合理，计算时利用下述公式：根据 s×(4/3)×d+(s-1)×(1/3)×d=L=＞s=(d+3×L)/(5×d)；及根据 s×(16/9)×d+(s-1)×(4/9)×d=L=＞s=(4×d+9×L)/(20×d)。计算商榷后，最终确定为180°六通道偏振立体（polarization）。

表1 比较虚拟现实导游教学实验室的建设方案

竞标时，还确定了Tango高性能图形集群、Free Window多视窗无缝显示系统、VirSight Simulation System旅游实训仿真软件、CityMaker软件组合等配置。

1.3 精细阶段

竞标结束后，就进入精细阶段。“精细”意味着要对中标的公司提出细致的要求，并最终体现在合同与合同附件上。听取中标公司的《项目运行流程方案》之后，察觉出许多优点与缺点。一般而言，中标公司优先展示擅长的技术。可是，学习者需求、软件需求、数据需求不是单向的。中标公司擅长的技术可能不是所需的，譬如不必采用三维人物来扮演导游角色，因为应用骨骼动画极易分散学习者的注意力。从学习者需求出发，进行精细化分析，诸如系统分类。坚持合理的分类法，不断细化各个层次，有利于使系统可扩充、较完整。

精细阶段顾及COM组件和二次开发。COM组件开发环境建议采用VB、VC、VC++、Dephi等语言。COM组件独立于应用程序，适宜专门开发，即脱离原始硬件，进行场景与素材的开发。为了随时修改软件功能，事先不对COM组件加密，诸如附带序列号、U盘验证、版本注册等过多编码。经过一番商榷，最终精细而成的COM组件具备开放功能，并包含两大接口。1）与常用软件的接口，即VirSight软件与周边制作软件、格式文件的接口。VirSight支持导入3DS Max的max格式文件，支持导入AutoCAD的dxf格式文件，支持avi、mpeg、mp3、wav等视音频文件。2）GIS数据接口。遥感图像处理经常使用ERDAS专业软件。VirSight可导入ERDAS的img格式文件、遥感影像和dem格式文件，并支持GIS行业频繁使用的shp格式文件（Shapefile）。

精细阶段还顾及后期维护。因为设备长期运行，必然面临故障排除与维护。如何界定不同软、硬件的保修期和维修费用，最终以哪一标准来审核施工质量？由于简约合同存在的图文外的漏洞，如何规避因此而生的纠纷？如何使双方在解释不周的情况下，兑现纸面之外的口头承诺？如何规范硬件、软件、数据的审核标准？合同涉及三维场景的文字和图片，不够周详的部分是否以附件形式加以说明？这些都需要经过反复讨论加以定夺。

1.4 施工阶段

经过精细阶段的一番讨价还价后，双方将所需明确的责任与义务变成白纸黑字。签订合同后，需要施工以完成硬件设备安装与调试。施工图纸主要包括俯视图、强电图、弱电图、系统连接图、地面装修图、地下线路图，所有图形要标注关键参数、相互关系、选用设备、辅助材料等。

完整的系统集成、技术服务体系、项目组织和管理，是保证顺利施工的关键。项目的成败、进度的快慢、效果的优劣，除了与系统设计、设备选型直接关联，还与承建单位的技术实力、人员状况、组织管理、质量检测、合作协调、系统培训、保修维护息息相关，因此必须妥善加以规划。规划进度表一般包括前期的需求分析、系统结构设计、网络设备订货、布线系统施工，中期的网络设备安装调试、软件安装与数据加载，以及后期的系统测试与验收。遵照规划进度表，采取确实可行的措施，确保各项任务落到实处。

施工结束后，随即进行专业的系统培训，即系统培训硬件操作维护、使用注意事项、简单故障排除、软件操作与数据生成等内容。同时，对学校教师，特别是导游专业的教师进行基本操作培训，涵盖无线操作立体系统的便捷方式、系统加载多媒体课件与数据的方法。在培训时，进行学术科研与技术功能提升方面的交流，督促中标公司进一步完善系统。在售后服务方面，需要明确产品在保修期外的服务范围与期限。在单款产品的合同期限内，中标公司具有独立品牌的硬件设备与软件功能，可在期限内接受免费上门服务。因不可抗拒因素（战争、地震和火灾）而导致的问题，一般不在保修范围内。从项目验收之日起的3年内，原则上应当免费提供每半年一次的系统维护，对系统运行进行稳定性检测。

2 虚拟现实导游教学实验室的关键技术

2.1 硬件关键技术

硬件关键技术包括柱状环幕、图形集群、音响功放等设备。硬件配置不佳却试图获得极佳的演示效果，必然是奢望。

柱状环幕多数采用先进的涂层处理技术，从而保证成像颗粒与金属增亮颗粒等特殊粉粒以及附着粉粒与基层表面均匀融合。偏振立体投影下的柱状环幕，弧面精度较高，立体效果较强烈，且较适用于LCD、三片DLP投影机。此时的增益衰减仅为20%，所以肉眼从任何一个角度观看屏幕，都不会感受到屏幕亮度的变化。

数字投影仪存在DLP（数码光处理）和LCD（数字液晶）之别。DLP投影仪颗粒感较细，清晰度高，画面质量稳定，数字图像精确，对比度与亮度均非常出色。有些配备短焦镜头的摄像机采用XGA+DLP TM技术、DLPTM芯片、350WUHM双灯泡、5000流明标准亮度，为各种场合带来栩栩如生的影像播放效果。双灯系统和液体冷却系统，为投影机连续工作168小时提供可靠的保障。12台投影仪一旦达到无缝拼接，也为不同方位观看影像播放提供亮度统一、色彩均衡的保障。

集群是以高速网络联接来共同运行一个并行应用软件的一群计算机，与超级计算机的区别是诸多小型计算机胜任于搭建大型的、虚拟的超级计算机。集群用于搭建超级计算机已有多年历史，但真正以超级图形、影像为目的集群技术起步较晚。对虚拟现实导游教学实验室而言，高级仿真图形计算集群显得至关重要。由于投影系统由6组相邻的影像拼接而成，其计算任务就达到单组影像计算任务的6倍。近几年来，随着计算机软、硬件技术的高速发展，PC图形工作站与UNIX图形工作站的性能可相互抗衡。但是，用单台PC图形工作站处理庞大数据量的虚拟场景，依然遇到一大瓶颈，即要么降低场景表现精度和贴图数据量，要么忍受每秒2～5帧的运行速度。这也是传统的虚拟现实系统投资上百万美金、采用高端UNIX图形工作站（如SGI）的缘故。

在并行处理过程中，并非所有的计算任务都被均匀、有效、并行地分割。这说明通道间影像不同步，造成撕裂、不连续的现象。左、右眼画面不同步，势必产生视觉混乱。该问题应归咎于三大原因：1）影像乃是经过实时计算而来的，计算时间不一致，多通道影像显示也不相匹配；2）数据量过大，计算能力不足，影像播放时快时慢；3）多台计算机缺乏合理的同步机制。因此，配置高性能集群计算机，不仅避免了多通道影像不同步，而且同步多个显卡的扫描相位，实现多通道影像同步匹配，从而增强实验室的沉浸效果。

Tango高性能图形集群采用SameFrame技术，配置CPU Intel Intel Core Duo 6600双核、20 GB内存、nVidia 8800显卡、显存640 M×13、250 GB×10企业级硬盘，从而构成真正意义上的集群。图形集群不仅实现一个图形计算节点控制一个显示输出，更让多台图形计算节点共同计算控制一个显示输出，真正提高应用程序的运行性能。图形集群的运算性能拥有出色的计算机控制系统，并内置边缘融合功能，相当于单台PC机的5～6倍。在多数情况下，3平方公里范围的普通精度虚拟场景，能保证影像达到每秒25帧以上的播放速度。

边缘融合和几何校正问题是多数公司的硬伤。有些公司宣称的无缝衔接技术，其实只是覆盖边缘的简单重叠，所标榜的VR Blender只是相邻通道的简单拼接。检验的依据相当简单，就是观察相邻通道间的竖直长亮条。当左、右通道亮度一致时，明显地看到骤亮、错位与变形。简单重叠、拼接要求投影仪灯泡承受长时间运作，否则久而久之，柱状环幕表面就会出现骤然闪亮、骤然黯淡的重叠区域，即忽明忽暗的边缘融合线。要达到天衣无缝的边缘融合，必须做足软件研发的功夫，使左边投影仪的右侧重叠部分的亮度线性衰减，右边投影仪的左侧重叠部分的亮度线性增强，最终实现亮度均衡统一。

几何校正技术也是硬件技术的一大关键。对于异形屏幕，不仅需要经过专业的边缘融合处理，还需要经过特殊的处理，以避免投影变形。FreeWindow多视窗无缝显示系统采用内置边缘融合技术和几何校正技术，不仅将多组投影光线无缝拼接成一系列连续的影像，而且无需频繁切换，并兼顾多路视频、RGB电脑信号或网络信号的输入。在连续的多通道影像中，每路输入信号均以独立的窗口形式呈现。于是，可自由地定义每个窗口的尺寸、位置关系，调整窗口间的重叠、透明关系。FreeWindow提供强大的多信号处理和显示能力，有效地避免投影变形，并比普通单台投影拥有更宽大的显示视野。其采集信号包括视频采集接口（BNC）、视频信号输入（PAL/NTSC）、RGB采集输入接口（VGA）、RGB输入，从而支持4路以上的视频信号、RGB信号。另外，采用SameFrameTM多通道精确同步技术，使多通道影像实现精准显示。

2.2 软件关键技术

20世纪80年代以来，空间信息三维可视化技术逐渐成为业界研究的热点，并以惊人的速度迅速崛起。作为空间信息三维可视化技术之一，GIS（地理信息系统）具备空间模型分析、空间定位、属性查询、自动导航等功能。在传统二维GIS不足以满足各项需求的情形下，三维GIS应运而生，并成为GIS的一大发展方向。三维GIS与三维周边制作软件相结合，通过相关的链接扩展模块和接口，使传统的GIS二维数据转变为三维数据。经过30多年的发展，我国的GIS理论和技术日趋成熟。在美国首推Google Earth、Skyline、World Wind、Virtual Earth、ArcGIS Explorer等软件之后，我国也推出EV Globe、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS等软件[2-3]。目前，国产三维GIS软件已占据国内市场的半壁江山。三维GIS逐渐得到各行各业的认同，在城市规划、综合应急、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、海洋资源管理、石油设施管理、无线通信基站选址、环保监测、地下管线等领域备受青睐[4-6]。

采纳三维GIS从建设到应用的解决方案，国产三维GIS软件——CityMaker主要针对城市规划领域，提供覆盖规划设计、展示、评估、管理的全面服务。CityMaker是数字城市三维可视化软件组合，可显示城市面貌、规划图则、户籍信息、监控视频等三维数据，集成已有的专业系统，开展基于网络的三维专业应用。虚拟现实导游教学实验室采用CityMaker软件组合，实现鼠标、键盘迅速定位，或摇动杆自由操纵，让虚拟场景流畅地此起彼伏，从而获得最佳的运动速度和演示效果。CityMaker软件组合关系如图1所示，用其制作生成数字城市的庞大数据量，可以互联、共享各种数据，很方便地辅助课内外教学。制作建筑景观生成数字城市一般经历收集资料、创建模型、渲染烘焙、统一合成等步骤。创建模型时，一幢多层建筑对应于一个3DS Max模型文件。通过3DS Max插件，将建筑模型文件（max格式文件）转换成osg格式文件。osg格式文件包含模型、贴图、地形、图像，是Citymaker Builder能识别的模型数据之一。将多个osg格式文件导入Citymaker Builder的地形平面坐标系，进一步编辑地形图与景观模型，从而形成多组区域性模型组合的三维数据库。统一合成后，转换成gcm格式文件，就能借助ScenePush发布场景数据。将scd格式文件发布至Explorer，做到三维场景的在线浏览，实现空间分析功能、动态加载用户数据功能与功能模块功能。

图1 CityMaker软件组合关系图[7]

在CityMaker软件组合的支持下，以GIS为关键技术，数据制作者将空间数据进行采集、输入、管理、编辑、查询、分析、模拟和显示，并采用空间模型分析方法，适时提供多种空间和动态信息。迄今为止，制作完成并流畅运行外滩、人民广场、豫园、龙华等多个场景数据，不仅满足学习者的需求，还满足科研、观摩的需求。

[1]贾铁飞,郝影利.旅游教育与教学[M].北京:中国旅游出版社,2011:268-277.

[2]MacLean B, Tomazela D M, Shulman N, et al. Skyline: an open source document editor for creating and analyzing targeted proteomics experiments[J].Life Sciences & Mathematics & Physical Sciences,2010,26(7):966-968.

[3]Perrin L, Beauvais N, Puppo M. Procedural landscape modeling with geographic information: the IMAGIS approach[M].Switzerland：Elsevier Science B.V,2012:33-47.

[4]Verbree E, Maren G V, Germs R, et al. Interaction in virtual world views-linking 3D GIS with VR[J].International Journal of Geographical Information Science,1999,13(4):385-396.

[5]Zlatanova S, Rahman A A, Pilouk M. 3D GIS: current status and perspectives[J].Proceedings of the Joint Conference on Geo-spatial Theory, Processing and Applications, Ottawa,2002:8-12.

[6]张琬茜.三维GIS软件十九重唱[J].3S新闻刊,2009,22(11):17-27.

[7]杨继人.虚拟城市项目培训总结[DB/OL].http://www.xmghzlg.cn/news_detail.asp?n_id=630&type=6.