基于全景技术的虚拟印刷实训室的实现

于兴艳　卞琛

摘 要：三百六十度全景技术是虚拟仿真中场景实现方法方向十分重要的一种实现技术，本文采用基于全景图像拼接技术创建全景图的方法构建真实感侵入感强烈的体验式在线漫游虚拟印刷实训室，简洁快速得实现了在线虚拟印刷实训室的实景漫游，该系统在乌鲁木齐职业大学印刷专业实训室的建设中得到使用，对辅助印刷专业实训教学及其他专业实训教学均具有重要的实际意义和参考意义。

关键词：虚拟技术；全景漫游；图像拼接

中图分类号：TP39 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

1.1 全景技术概述

全景技术也称为全景摄影或者虚拟实景，是一种基于静态图像在计算机平台上实现虚拟现实的一种技术，它是使用相机环360度拍摄的一组或者多组照片通过无缝连接的方式拼接成一张全景图像，并通过计算机技术实现全方位互动式观看的真实场景还原展示方式[1]。该技术所有的数据源直接取景于真实场景，通过无缝拼合源图像实现360度全景展示，同时能够结合图片、音视频及文字等方式，通过多种浏览器或软件打开场景，实际使用只需操控鼠标或键盘即可便捷控制浏览虚拟场景的方向，如前进、后退、旋转观看场景任意角度等，用户能够在虚拟的环境中进行身临其境的交互观察和体验。

1.2 全景技术在虚拟现实领域的优缺点

与传统开发虚拟漫游系统的三维建模技术等难度较高的实现技术相比，全景技术的优势详见表1。

1.3 全景技术在教育领域虚拟展示的意义

作为一项新技术在教育教学领域的应用，虚拟现实技术为广大教师提供了一种全新的教学手段[2]。全景技术在教育领域的应用具有相当的广泛性，特别是科研方面、虚拟实验，虚拟仿真校园，虚拟教学等方面。全景技术能够为学生提供更为生动和逼真的学习环境，亲身体验相对于抽象的理论或文字更能加深巩固学生学习知识的过程。全景技术在教学方面的具备极大地优势。

（1）节约成本。出于设备采购、场地布置、运营经费等多方面因素限制，大学中很多专业的实验设备与仪器并不能直接购置用于学生教学，而利用虚拟现实系统，学生能够感受到逼真的实训场景，获得与真实实训同等的学习成效，极大的节约了教学及培训的成本。

（2）易于网络传播。虚拟现实技术打破了空间、时间的限制，学生足不出户便可以随时利用网络参与专业学习。

（3）利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，环境可以随时修改或根据需要不断增加新的设备仪器，教学实践能够随技术发展不断更新，极大的方便了专业教师教学资源的储备与更新。

本文以乌鲁木齐职业大学虚拟印刷实训室的建设为例，系统采用全景技术设计并实现，能够进行简单的实训室虚拟展示。通过虚拟印刷实训室环境供学生漫游，既实现了实训室与学生之间的互动交流，增强了在线漫游式的体验感，又可以充当能够移动的电子教学场所，利用交互式网站目录进行远程访问，学员能够以远距离的直观学习方式加速对专业背景的熟悉，与专业理论相互配合改善学习效果。最主要的是，通过研究全新的虚拟实训方式，打破原有枯燥教条的教学实训模式，为探索出一条低成本、高效率的实训之路提供了新的思路，全方位提升了实训室的虚拟教育服务功能。

2 虚拟印刷实训室的具体实现（Specific method of

virtual printing training room）

2.1 技术实现流程（图1）

图1 虚拟印刷室实训室技术实现流程

Fig.1 Virtual printing room training room

technology implementation process

2.2 虚拟印刷室实训室实现详细步骤

2.2.1 前期准备：获取数据源图像数据

根据数据源图像数据的获取方式将全景图的生成分为三类：全景相机、鱼眼镜头、普通数码相机，三者比较优缺点如表2所示。

本文主要采用第三种普通数码相机结合三脚架等仪器获取全景图像的方法，此方法成本较低，实现速度快，技术可行性高。

图像拍摄是全景系统制作过程中的非常关键的步骤，图像采集质量的好坏直接影响照片素材数据源在后期制作过程中能否顺利进行无缝拼接，所以必须按照一定的规则拍摄方可。详细拍摄方法如下：

①将相机固定在某点，一般使用三脚架固定，确保相机围绕一个中心点进行水平或垂直方向转动，也就是说保证拍摄转动角度后的图像均置于同一水平面，经济许可的情况下最好配置水平仪。相机大致位于场景的中心位置。

②依次按照旋转相机，每隔一定的角度拍摄一张图片，最终获取一组有序图像，由于相邻两张图像的重叠区域是保证图像无缝拼接定位的要素，必须确保相邻图像的旋转角度有部分重叠。受普通数码相机镜头限制，本系统拍摄中环绕水平一周大致拍摄了14张照片，保证了同一场景的相邻序列照片有10%—20%的重叠部分。系统第一次水平拍摄一周得到原图如图2所示。

图2 水平拍摄一周得到的数据源图像

Fig.2 The level of the source image data obtained

by shooting circle

③基于水平中间线垂直向上或向下30度—45度调整相机，继续环绕水平一周拍摄一组照片，确保新序列数据源图像与第一组水平角度拍摄的照片序列在垂直方向有10%—20%的重叠部分。

④所有拍摄点拍摄完毕后补拍天与地，便于后期合成完整场景。

至此获取所有数据源图像数据后就可以通过软件进行全景图的无缝拼接制作程序。

2.2.2 制作中期：图像合成与修图

由于拍摄场景光线条件不足、相机色彩或曝光度设置不合理等因素，往往容易导致获取的数据源图像数据效果较差，此时就需要对图像进行后期处理。例如可以利用Photoshop等制图软件调整图像画面的曲线、亮度和对比度等设置参数，修复场景中的不合理部分通过图像后期处理得到理想的数据源图像数据。

全景图的拼接原理基于三种模型，分别是球状投影、柱状投影与立方体投影，本系统主要利用柱状投影图像拼接技术将序列图像有序地拼接成一张首尾相接的图像。其中使用的柱状全景图合成原理为：在拼合时，以一张图像为参考图像，将待拼接图像根据特征点匹配关系计算出的单应矩阵进行图像变换，然后再将这两张图像拼接起来，经过后续处理可拼接成一张首尾相接的全景图[3]。采用此方法，图像的重叠区域能够达到相对精准的匹配，重叠区域自然过渡，实现方式简易，效果良好。

本系统基于柱状投影合成原理，在垂直方向的每一角度均生成一段子拼合图像序列，同时利用树状合成方式，将每段子序列图像继续拼合匹配，能够进一步减少图像拼接的误差，最终生成较完备的柱状球型全景图，其最直观的生成方式原理如图3所示。

图3 柱状全景图合成原理

Fig.3 Cylindrical panorama composite theory

本虚拟印刷实训室采用合成全景图的软件为图形拼接软件PTGui，详细操作步骤如下：

（1）打开PTGui软件，单击菜单中的“文件”--”导入”，将实验前期拍摄好的数据源图像全部导入至软件执行区域中。

（2）利用“检测”功能设置参数，由系统自动匹配相邻图像之间的关键点，计算出对应图像及边界图像之间的索引与距离（图4），进行全景图预拼合，如果部分图片的关键点不能匹配或得到的关键点过少导致不能无缝拼合，则需要在相邻图片中手动增加多处控制点（图5），多次实验直至相邻图片匹配精准为止。最后适当调整图像视觉效果与尺寸，单击“合成全景图”完成合成。

图4 相邻图像之间的索引与距离

Fig.4 Index and the distance between adjacent images

图5 手动添加控制点

Fig.5 Manually add control points

（3）最后通过执行文件导出命令，输出合成后的全景图像（图6）。至此，完成虚拟实训室全部数据源图像组的全景拼接工作。

图6 合成全景图

Fig.6 Synthesis panorama

（4）将准备好的全景图片通过全景制作软件pano2vr创建全景漫游程序。

在Pano2VR软件中，将由PTGUI中生成的全景图拖动到输入区内，系统将自动识别出当前全景图为矩形柱状全景类型图。在本步骤中，需要注意的地方是交互热点的创建。设置交互热点可以在不同场景的全景图中创建链接，使系统达到实现多地点场景切换的效果。只需单击交互热点中的“修改”按钮，在需要创建热点的区域双击鼠标左键，全景区域中就会添加新的热点，然后设置ID，在“标题”栏输入该热点的提示文字，在“URL”下拉列表框中选择需要跳转的场景，就能完成一个热点的设置，在全景系统中可以添加多处热点，此外，还可以调整“目标”参数，能够修改链接场景的角度，同时还可以设置不同的皮肤文件、导航与雷达。

全景系统支持生成swf、HTML5等格式的漫游系统，以生成swf格式的漫游系统为例，单击“输出”中的“增加”按钮，自动弹出flash输出设置对话框，在此可以调整像素值以提高系统质量，也可添加漫游的穿越过场效果、自动旋转、灵敏度、多边形热区等多种参数，进一步增强漫游体验效果，在返回主界面后单击“创建”按钮即可生成SWF漫游程序。

图7 swf版全景漫游系统

Fig.7 Swf wersion panoramic roaming system

如图7所示swf版全景虚拟实训室漫游主界面，系统已可以通过一系列的导航图标来控制漫游方向。在后期制作的过程中我们还可以采用插入语音解说、图片、文字介绍，以及flash动画等方式，使整个系统功能更加完善。

2.2.3 制作后期：完善漫游系统

为了方便虚拟印刷实训室系统进行网络方式的漫游，基于visual studio.net平台进行二次开发，进一步实现在线虚拟印刷实训室系统的浏览与发布功能，最终完成B/S模式系统的创建。

3 结论（Conclusion）

本文通过乌鲁木齐职业大学虚拟印刷实训室的制作实例，应用全景虚拟现实技术实现了虚拟印刷实训室系统，使学生能够方便快捷的通过网络在线漫游，以简洁明了的互动方式操控虚拟现实场景，更真实直观地了解印刷实训室布局和印刷仪器设备。该系统构建速度快，实现方式简单，为乌鲁木齐职业大学的印刷专业辅助实训教学提供了一种全新的方式，对我校虚拟现实技术与教育的结合起到了很好的推广、促进作用，也为其他专业的实训辅助教学提供了参考。

参考文献（References）

[1] 蔡田露，高俊强.360全景技术与应用分析[J].现代测绘，2012

（11）：28-30.

[2] 李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验

室科学，2014（3）：98-100.

[3] 马杰.360全景图像拼接技术研究[D].西南财经大学，2012.

作者简介：

于兴艳（1981-），女，硕士，讲师.研究领域：计算机软件开

发，多媒体技术.

卞 琛（1981-），男，博士生，讲师.研究领域：计算机软件

开发.