虛擬漫游技術(shù)在礦政三維動(dòng)態(tài)管理中的應(yīng)用

摘要：目前，全景照片虛擬漫游技術(shù)現(xiàn)已在國(guó)家軍事、學(xué)生教學(xué)、科研和影視娛樂方面得到了廣泛應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)可以使用戶以自然的方式進(jìn)行與虛擬環(huán)境對(duì)象的交互工作，讓用戶體會(huì)到近似真實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)和感受，在貼近用戶增值服務(wù)和整合圖片資源方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。文章就全景照片虛擬漫游技術(shù)在礦政信息及三維動(dòng)態(tài)管理中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：全景圖；虛擬漫游技術(shù)；礦政信息；三維動(dòng)態(tài)管理；虛擬環(huán)境 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD178 文章編號(hào)：1009-2374（2016）19-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.072

現(xiàn)如今，信息技術(shù)日新月異，人們更希望通過聽覺、視覺和手勢(shì)等信息充分參與到信息處理的環(huán)境中，身臨其境地完成信息處理的過程，而不僅僅是對(duì)信息處理的結(jié)果進(jìn)行外部觀察，這便催生了全景照片虛擬漫游技術(shù)在信息處理方面的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)屬于新興產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)所屬的科技領(lǐng)域具有高難度、投資大的特點(diǎn)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在該行業(yè)沒有形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，相關(guān)運(yùn)營(yíng)企業(yè)普遍缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力?？茖W(xué)家和政府有關(guān)部門已經(jīng)加大了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)力度，投入了更多的資金和精力。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要組成部分，虛擬漫游技術(shù)在這股科技浪潮中蓬勃發(fā)展，該技術(shù)在礦政信息處理和三維動(dòng)態(tài)管理工作中正在逐步得到應(yīng)用。

1 全景照片虛擬漫游技術(shù)研究

1.1 全景模型研究

全景模型根據(jù)不同的全景圖投影展示方式，分為三種模式：圓柱模式、球面模式和立方體模式。這三種模式的不同點(diǎn)就是全景圖的投影方式，圓柱模式就是將拼接好的全景圖投影到圓柱體內(nèi)表面，球面模式就是將全景圖投影到球體內(nèi)表面，立方體模式就是將全景圖投影到立方體內(nèi)表面，在進(jìn)行模型展示時(shí)，全景圖像中的相應(yīng)部分根據(jù)視域的方向進(jìn)行反投影，即可得到視域處的視圖。

1.2 全景虛擬漫游交互技術(shù)

進(jìn)行全景虛擬漫游的前提就是要構(gòu)造出一個(gè)逼真的特定場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)空間，虛擬現(xiàn)實(shí)空間可以由真實(shí)空間構(gòu)成，也可以是實(shí)時(shí)仿真虛擬的假象空間，用戶在這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)空間中自然地漫游需要借助特定的裝備，在空間中可以對(duì)虛擬對(duì)象從各個(gè)角度進(jìn)行觀察，產(chǎn)生身臨其境的感覺，并可以進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)劃和操作。場(chǎng)景中存在熱點(diǎn)，熱點(diǎn)能夠和用戶在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互，熱點(diǎn)又分為靜態(tài)熱點(diǎn)和動(dòng)態(tài)熱點(diǎn)，靜態(tài)熱點(diǎn)一直靜止不動(dòng)，不能隨著全景圖像來回移動(dòng)，比較適合做一些特定操作的按鈕。動(dòng)態(tài)熱點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的切換，可以隨著交互者視角的改變而改變。在進(jìn)行大型復(fù)雜場(chǎng)景的瀏覽時(shí)，地圖導(dǎo)航可以向交互者提供直觀簡(jiǎn)明的全局地圖信息，并可以提示交互者當(dāng)前所在位置，可以使交互者獲得清晰的全景概念。

1.3 全景圖顯示技術(shù)

在進(jìn)行虛擬漫游過程中，能直接影響用戶體驗(yàn)的，就是根據(jù)參數(shù)生成的顯示在屏幕上的圖像，這個(gè)圖像是根據(jù)視角等參數(shù)動(dòng)態(tài)生成的，生成過程中的性能和效果是成像效果好壞的主要因素。為了保證交互者視覺的一致性，我們?cè)诮换ミ^程中采用了一系列技術(shù)來保證交互者視點(diǎn)轉(zhuǎn)移時(shí)場(chǎng)景的平滑過渡，這些技術(shù)包括視點(diǎn)空間緩沖預(yù)調(diào)、全景圖數(shù)據(jù)預(yù)調(diào)、視圖差值、視圖變形、圖像平滑過渡和場(chǎng)景透視感加強(qiáng)等，使交互者在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中產(chǎn)生實(shí)景空間的感覺。

1.4 動(dòng)畫貼圖技術(shù)

將全景圖作為背景，在交互者虛擬漫游場(chǎng)景中的某區(qū)域加載一段Flash動(dòng)畫或動(dòng)態(tài)視頻，將瀏覽者感興趣的信息提供出來，可以使虛擬漫游場(chǎng)景更加逼真。

2 應(yīng)用實(shí)例——西川礦業(yè)有限公司非重點(diǎn)礦山的數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 西川礦區(qū)情況簡(jiǎn)介

西川鐵礦位于寬城滿族自治縣峪耳崖鎮(zhèn)，西川村大野雞峪，地處東經(jīng)118°27′46″～118°29′03″，北緯40°29′57″～40°30′42″，中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ2）、燕山臺(tái)褶帶（Ⅱ23）、馬蘭峪復(fù)式背斜（Ⅲ27）核部的寬城凹褶束（Ⅳ224）東段。海拔高度為340～830m，境內(nèi)山巒起伏，山高坡陡，溝川較窄。礦區(qū)的地層主要為太古界遷西群上亞群拉馬溝組（Arl），出露于礦區(qū)大部分地區(qū)，走向北東65°左右，傾向北西，傾角為70°～80°，主要巖石類型有角閃斜長(zhǎng)片麻巖和石英角閃斜長(zhǎng)片麻巖。礦區(qū)片麻巖以單斜構(gòu)造形式產(chǎn)出，總體產(chǎn)狀北傾。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，僅有一些小裂隙，對(duì)礦體無影響。

西川礦業(yè)有限公司隸屬承德兆豐鋼鐵集團(tuán)公司，開采方式以平硐、斜井、豎井開拓為主的多中段地下開采方式，生產(chǎn)規(guī)模為4.5萬(wàn)噸/年，礦區(qū)面積為0.7542平方公里。礦山井下作業(yè)一般上午鑿巖掘進(jìn)，對(duì)巖石進(jìn)行裝載轉(zhuǎn)運(yùn)，下午、晚上爆破排煙。由于西川鐵礦7個(gè)中段通過天井進(jìn)行通氣排煙，排氣孔上下聯(lián)通，井下塵霾、油煙污濁，給井下測(cè)量、影像采集帶來很大的難度；礦道走向較復(fù)雜，有若干廢巷、采空區(qū)、斗川，巷道內(nèi)柴油機(jī)車“四不像”穿行其間，斗川溜井內(nèi)時(shí)有溜礦作業(yè)，對(duì)井下測(cè)量、全景影像數(shù)據(jù)采集影響較大；中段水平相隔50m，接近中午，時(shí)有放炮聲傳來，存在一定的安全隱患。

2.2 全景照片制作過程及相關(guān)要求

全景照片的拍攝采用尼康D90單反相機(jī)配合Nikon10.0mm魚眼（超廣角）鏡頭，使用全景云臺(tái)拍攝單站寬幅廣角數(shù)碼照片，然后再用造景師軟件進(jìn)行全景合成影像圖。

全景拍攝過程中執(zhí)行了如下要求：（1）全景拍攝采用尼康D90單反相機(jī)，該相機(jī)像素1230萬(wàn)，滿足全景拍攝像素要求；（2）尼康D90單反相機(jī)配備Nikon10.0mm魚眼鏡頭，該鏡頭等效焦距10mm，拍攝6張魚眼照片便可制作出有質(zhì)量保證的全景圖；（3）拍攝全景照片使用了專業(yè)360°全景云臺(tái)，該云臺(tái)是承載相機(jī)等拍攝設(shè)備的裝置，其關(guān)鍵作用在于將鏡頭節(jié)點(diǎn)固定在云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心上，能夠保證在旋轉(zhuǎn)相機(jī)拍攝的時(shí)候，每張相片在一點(diǎn)上拍攝，拼合的全景圖相當(dāng)完美；（4）為了保證全景拍攝的穩(wěn)定性，使用了專用三腳架；（5）為保證礦山數(shù)據(jù)虛擬瀏覽畫面流暢且不失真并保證全景照片無漏洞，設(shè)站間距不大于10m；（6）拍攝的單張相片清晰、光照充足；（7）全景相片的縫合沒有明顯的“裂隙”和明顯的色差；（8）多站的鏈接初始方向保持了一致，初始視角一致；（9）井下的主要地物沒有漏拍。

2.3 全景照片的發(fā)布及成像效果

應(yīng)用上海杰圖軟件，使用杰圖—造景師軟件拼合球形全景圖，再用杰圖—漫游大師軟件創(chuàng)建虛擬漫游效果，然后打包發(fā)布為Flash格式，用以在系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行瀏覽，全景影像成果獲得了無需親臨現(xiàn)場(chǎng)便有身臨其境的感受。

3 生成全景影像過程中的關(guān)鍵步驟

3.1 全景圖的生成

虛擬全景漫游場(chǎng)景的制作是我們?cè)谥谱魅皥D過程中遇到的第一個(gè)難題，全景圖如果制作不好，生成虛擬全景漫游場(chǎng)景的任務(wù)就幾乎可以宣告失敗。我們采用的是采集視點(diǎn)四周景物圖像的方式進(jìn)行全景圖的對(duì)應(yīng)，然后拼接成全景圖。

3.2 全景圖的實(shí)時(shí)顯示

為了給用戶提供最直接直觀的視覺感受，我們制作的全景虛擬漫游場(chǎng)景是實(shí)時(shí)繪制的，而且繪制實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，提高了用戶在體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景時(shí)的真實(shí)感。繪制的畫面沒有出現(xiàn)失真的情況，畫面過渡過程流暢且自然，提升了用戶體驗(yàn)。

3.3 動(dòng)態(tài)視頻和靜態(tài)虛擬模擬場(chǎng)景的融合

全景圖是靜態(tài)的，我們利用漫游子系統(tǒng)的處理，還原了礦區(qū)全景圖部分區(qū)域的三維信息，并在指定區(qū)域添加了視頻動(dòng)畫，增加了場(chǎng)景的表達(dá)能力，讓用戶體驗(yàn)到了更加真實(shí)的模擬場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

在本次西山礦區(qū)礦政信息及三維動(dòng)態(tài)管理過程中，我們充分利用了全景照片虛擬漫游技術(shù)，實(shí)實(shí)在在地體會(huì)到了這項(xiàng)技術(shù)在用戶體驗(yàn)和信息處理方面的優(yōu)勢(shì)，真切地感受到了科技發(fā)展帶給各行各業(yè)進(jìn)行工作的便利，希望有關(guān)部門能大力推廣這項(xiàng)技術(shù)在其他項(xiàng)目上的應(yīng)用，讓先進(jìn)的科學(xué)成果為社會(huì)進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張浩，鄭隆威，陸亞琴.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字博物

館開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)，

2010，（12）.

[2]黃顯兵.基于全景技術(shù)的景觀在線漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

[D].上海交通大學(xué)，2012.

[3]郝旗.基于普通圖像的全景漫游系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].蘭州交通大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)起（1969-），男，河北人，河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心國(guó)土測(cè)繪隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)，工程師，研究方向：測(cè)繪工程。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）