旅游景区虚拟现实核心技术研究

赵善利

摘 要：随着人们生活水平的提高，旅游已经逐渐成为国民提高生活质量的必然选择，人们旅游需求也随之增加，但受到旅游景区承载力、闲暇时间、可随意支配收入、路程、恶劣天气等主客观因素的影响，旅游活动的发生就会受到限制。所以虚拟旅游是新时代下旅游业成熟发展的一个必然趋势。本文在分析和总结虚拟现实、虚拟旅游的相关理论基础上，详细阐述设计、创建和实景区虚拟旅游系统的全过程。具体的包括：结合虚拟旅游的理论分析，对系统总体设计和细节设计进行理论性探讨和可行性分析。通过实地考察获取数据，结合3DMAX建模软件和MapGISK9基础平台搭建三维场景，借助MapGIS K9数据中心集成开发平台开发虚拟旅游系统，最终实现以虚拟景区导航地图功能和虚拟景区三维可视化功能为主的虚拟旅游系统。该系统为景区提供新的宣传手段和平台，同时也验证了基于MapGIS构建旅游景区虚拟现实系统的可行性，为进一步做更深入的研究奠定基础。

关键词：虚拟旅游；建模；旅游景区

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2016）36-0269-03

一、技术研究背景

（一）研究背景

现实旅游和虚拟旅游是旅游体验获得的两种方式，旅游的六大要素和旅游的先决条件着大多数潜在游客无法变成现实的游客，矛盾促使着旅游的发展，随着虚拟旅游研究的不断深入，虚拟旅游的优势逐渐突显。它具有着自主性、刺激性、公益性、多感知性、安全性等特点，不受时间、收入、路程、恶劣天气、旅游团体、旅游景区承载力的限制，随时可以通过虚拟旅游了解旅游目的地，激发旅游欲望。虚拟旅游的出现也缓解了一些社会问题，在旅游高峰期降低旅游客流量、保护景区的环境容量、提高旅游安全系数、丰富人们娱乐生活方式，让人们各种群体都能感受旅游，实现社会的真正和谐，虚拟旅游的研究具有社会性和必然性。

（二）研究目的

1.通过研究黄河风景名胜区虚拟旅游系统场景的构建，总结基于构建三维景区的理论方法体系和技术路线，分析这种方法的可行性程度和完善程度，并用实例验证构建的效果，为更好的构建三维景区做借鉴和指导。

2.通过研究黄河风景名胜区虚拟旅游系统的初步实现，用实例验证基于MapGIS组件式开发黄河风景名胜区虚拟旅游系统的可行性，将二维和三维在同一系统中实现，并可实时交互，为河南旅游景区虚拟现实系统的开发提供技术基础和可行性思路，为更深入研究更复杂强大的河南旅游景区虚拟旅游系统做铺垫，建立河南旅游景区成果的展示平台和宣传平台。

（三）研究意义

目前，虚拟旅游研究还尚不成熟。虚拟旅游研究是旅游体系中新兴重要的一个分支，是旅游时代和信息时代结合的产物。本文通过虚拟旅游系统的设计对虚拟旅游进行研究，从实践中为虚拟旅游的研究发展方向提供参考，如丰富旅游方式多样化、旅游景区营销理论等。虚拟旅游的理论研究和实践研究相辅相成，只有具备良好的虚拟旅游的理论基础，虚拟旅游的开发和应用才能更具有实践意义，也只有更深入地研究虚拟旅游的应用，才能不断地丰富虚拟旅游的理论体系，提升理论研究的价值。

一方面，由于虚拟旅游是多学科多产业相结合的综合应用成果，因而虚拟旅游不仅能带动河南旅游业的发展进步，同时也带动了相关行业的研究和发展。另一方面，研究成果以应用于教育领域、旅游规划、旅游景区电子导游系统、河南省导游考试系统等。例如建立虚拟旅游教学实验室，提高教学质量和教学效率，为河南省旅游业建设更好地输送优秀人才。

（四）国内虚拟旅游研究现状

国内虚拟旅游研究要迟于国外研究。随着互联网的发展和普及，虚拟旅游越来越受到关注，国内学者对于虚拟旅游的研究更是不甚相同。

我国的虚拟旅游产品的开发更多的倾向于文化遗产的保护性研究。例如，2008年由IBM公司同故宫博物院联手研发三年之久的“虚拟紫禁城”正式在互联网上展现，“虚拟紫禁城”借助于3D技术和虚拟现实技术将我国赋予代表性的皇家生活园林生动、精细的展现出来，系统共有6条游览路线，将清代的文物、人物、建筑物、生活情景进行了仿真模拟，比如欣赏一些皇家生活的场景、斗蚰蛐游戏，选择导游并与其交流。从1993年敦煌研究院就开始与国内外多家单位合作，探索“数字敦煌”，2009年，敦煌研究院拟投资2.6亿建虚拟莫高窟。此外，还有“虚拟圆明园”、“虚拟明孝陵”、“虚拟黄山”等虚拟旅游网站。

（五）研究内容

首先，本文分析和总结虚拟现实、虚拟旅游的相关理论基础。然后，将黄河风景名胜区作为研究区域，收集黄河风景名胜区的自然景观数据、人文景观数据、公园规划资料及三维空间数据等，对虚拟旅游系统进行详细的可行性分析和设计，借助基础平台以及数据中心集成开发平台开发虚拟现系统分析法运用系统分析法，对虚拟旅游系统的进行总体分析和设计，确定系统的目标和功能，然后通过实地调研收集数据，对比分析建模方法等，确定最适合的技术方法，最终实现黄河风景名胜区虚拟旅游系统的创建。借助三维平台和建模软件对物体进行分类建模，最终实现以虚拟景点地图导航功能和虚拟景点三维可视化功能为主的黄河风景名胜区虚拟旅游系统。

（六）研究方法

1.实地调查法。通过实地调查法采集数据，主要包括到试验区采集纹理数据、三维景观数据、人文资源数据、自然景观数据等，收录景点介绍材料、景区平面规划图等。此外，运用高像素数码相机采集景区建筑、景观园林等纹理数据，或者对景点进行度拍摄，以便于后期的景区的复原和三维场景的构建。

2.个案研究法。运用个案研究的方法，选择黄河风景名胜区作为研究对象和研究区域，通过对该旅游景区的构建虚拟旅游方法的研究，总结出适合河南构建虚拟旅游景区的理论方法体系和技术过程。

3.跨学科研究法。跨学科研究法也称为“交叉研究法”，虚拟旅游系统的研究涉及旅游学、地理学、图形学、计算机科学、技术、虚拟现实技术等学科，这些学科的综合应用的水平在一定程度上决定了虚拟旅游发展成熟的程度，因此采用跨学科研究法对虚拟旅游的研究非常必要。

4.系统分析法。运用系统分析法，对虚拟旅游系统的进行总体分析和设计，确定系统的目标和功能，然后通过实地调研收集数据，对比分析建模方法等，确定最适合的技术方法，最终实现黄河风景名胜区虚拟旅游系统的创建。

二、视频技术实现

通常人眼肉眼看到的真实场景是有深度和层次的立体场景，而我们所说的 3D游戏或电影，并非真正的 3D立体效果，因为使用2D屏幕并且电影拍摄时使用的摄像机也是用的单镜头，因此即时是使用 3D的技术制作出的电影，输出到屏幕显示也是平面的，这种3D我们称为平面 3D。做一个简单的实验，伸出一只手指，放在眼前任意位置，然后左右眼分别交替睁开与闭上，就会发现，左右眼看到的景象是不同，虽然差别细微，但还是可以清楚的分辨出来，而出现这种的原因就是视觉差（parallax）。而3D立体实现就是将这种视觉差维持在屏幕上连续出现，就是利用这种方式观众就能能够看到3D立体的场景。3D 效果的实现就是利用模拟人两只眼睛看到稍有不同的景象的视觉差而实现的。

（一）两种立体投影方案

手持式显示器、头盔式显示器、立体投影显示设备及立体显示是现在主流的3D投影显示设备。前三种方法虽然都能达到立体显示的效果，但是由于立体景象受到显示设备的限制，所以只能是很有限的人员能够参与其中。然而立体的投影设备却能将由计算机生成的立体场景通过三维投影仪投影到显示屏幕或者墙面上，用户需要通过佩戴立体效果眼镜的方式来对投影的三维立体场景进行观看，并能够允许多用户同时参与。目前，立体的显示方式，三维立体投影主要可分为被动的立体投影和主动立体投影两种。

被动立体投影的方式主要是使用驱动程序对左右眼图像的信息同时渲染，一般是通过双头输出的显卡来进行同步和输出。原理是：在保持计算机信息特性不发生变化下，先把图像在信号分转设备上输出，再连接具有立体功能的两台投影仪输出到屏幕上。能够输出左右眼图像，要求两台投影仪具有同性能、同配置、同品牌。如果是多通道的，则还需要有多台投影仪。在投射的左眼图像投影仪前面加偏正镜，在投射右眼的图像投影机前面也加偏振片，但是旋转角度为90度，用来产生在垂直方向的偏振图像。用户就可以通过戴上被动立体眼镜来获得逼真的立体效果。根据偏正的原理，两只眼分别只能看到各自图像的信息。这种方式，两个镜片不需要进行频繁的切换开关，因此不会产生不适或闪烁不良反应。

（二）双通道立体投影

我校已经具备3D影视播放厅，可以实现多人参与，良好的视觉效果，本课题研究围绕一种基于偏正眼镜的被动式双通道立体投影方案进行。

双通道立体投影用户机用来产生左右眼图像，再经过融合机融合处理，生成适用宽屏投影的影像对，然后再传输到立体转换器上，转换器将融合机融合的图像分解为两路信息用来投影显示。能够产生逼真的立体效果，使观察者有很强沉浸感。

三、系统的功能实现

此项目开发的播放引擎其中一个很重要的功能是漫游，在关键技术研究之外，本文还实现了方便的漫游器，使用者可以使用鼠标或者键盘来控制视点和方位，实现自由漫游。除此之外，实现了3D立体播放，天气的变化，运行环境屏幕分辨率的设置等功能。

（一）漫游功能的实现

在三维场景漫游程序中，场景漫游器实现的原理都是通过鼠标和键盘对视点的完美控制完成的。在场景图中提供了osgGA：：MatrixManipulator类对视点进行操作控制，该类是抽象的基类，它定义了一些最基本的函数体。使用户可以通过继承该类，并且重载相应的函数来响应事件（GUI），从而达到控制视点的位置、方向。

由于该类是继承自osgGA：： GUI EventHandler，因而它还具有捕获键盘鼠标的功能在 osgGA 库中，处理事件的类 osgGA：：GUIEventHandler 提供了窗口的 事件GUI接口。在编写程序时候，实现并继承了该类的子属类，用来实现自己定义的事件GUI处理。继承GUI事件类的时候，重新实现它的 handle（）虚函数就可以了。

（二）场景求交

在三维场景中，不论是模型操作还是最终的播放浏览，有很多地方都需要进行场景求交运算，比如模型的批量生成，模型选择，模型面选择，甚至还有碰撞检测等。场景图的函数库osgGA 提供 InterSector 类用做求交运算。osgUtil：：Intersector 是个虚函数类，它提供相应的相交测试接口，在相交测试的时候，要将该类的派生类的对象传递给 osgUtil：：interSection-Visitor 对象，并通过请求对象返回数据来获取求交运算的结果。

类osgUtil：：InterSector具有四个派生类 ，PlaneInterSector 是用来做检测平面度的相交运算的类，其中InterSectorGroup是用于多重求交，PolytopeIntersector是用来检测多个面体的相交运算的类，LineSegeMentInterSector则是用来检测三维场景图形与线段的相交状况的类。

（三）模块界面具体功能的实现及展示

主界面的框架使用vc++ 基于对话框的MFC编程实现，在主对话框上添加各个功能按钮实现播放引擎的各种功能，同时使用OSG的example的osgMFC事例实现MFC与OSG开源库的结合，实现了通过对话框来对场景模型的操作。

1.模型文件的加载。该播放引擎是基于对话框的MFC框架与OSG库结合，可以实现添加多个ive或者osg模型文件，然后有选择的实现场景模型的加载（可重新加载）并渲染出场景，关闭文件则实现当前场景的退出，如果要实现程序的退出可以直接单击退出按钮；添加文件的事件处理函数OnBnClickedAddfile（），调用系统的打开文件对话框（CFileDialog），定义文件过滤字符串保存播放器支持的文件类型，之后调用CFileDialog的GetNextPathName获得需要加载的文件的名，最后调用自己实现的模型加载函数LoadFile实现模型的加载。

2.雨雪效果的实现。要实现在场景中下雨和下雪这些天气的变化，就要利用到osg中粒子系统。基于osg中的粒子系统，在模型天气现象方面具有特别好的效果，粒子系统通过结合空间的扭曲能对粒子流产生阻力，风力重力等仿真影响，有效的再现三维场景中的雨雪等天气景象，产生逼真的视觉效果 。

在OSG中，我们可以利用其中专门的粒子工具，来实现我们想要的天气效果。为此特别定义了新的名字空间osgParticle，用来处理粒子系统的特效模拟，对经常使用的粒子系统OSG工作者都做了专门的类.我们可以在OSG预定义的粒子系统中，看到大部分的粒子系统模拟都是采用布告板（Billboard）与色彩融合（ColorFusion）技术产生粒子，它能够模拟粒子系统，产生逼真的视觉效果。

3.调整屏幕分辨率。播放引擎成功运行后，加载场景模型（ive或osg文件）之前，需要配置电脑屏幕的分辨率，以便让3D 投影仪在环形屏幕上合成具有3D 视觉效果的场景。程序中的调整屏幕分辨率按钮，可以自动设定所需要的屏幕分辨率2048*768。并在程序退出后恢复到原来的屏幕分辨率。

四、结论

本文着重研究了场景游览播放引擎中的几个关键技术，主要有漫游技术，包括手动漫游研究漫游器，求交器，使用场景图开发了交互和底层渲染。所取得的成果和做的工作总结如下：

（1）需求分析是各项工作向下开展的前提，因此在系统设计之初，要站在使用者的角度对系统的各项功能要求做出细致的思考分析。

（2）系统设计是继需求分析之后的又一重要阶段，在系统设计阶段，着重就在需求分析阶段所形成的需求，模块化、功能化、细化为系统所要实现的各个模块。

（3）三维模型是播放引擎的对象，为浏览和分析提供了基础数据。

（4）程序可以修改电脑的屏幕分辨率。

（5）实现了天气的模拟变化。

（6）实现了场景文件的单双屏播放模式的切换。

（7）使用被动式双通道立体投影方案，通过 OSG 实现了立体显示。

参考文献：

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