三维全景技术下的虚拟校园漫游系统设计方案

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　　摘  要： 为了提高校园漫游导览能力，提出基于三维全景技术下的虚拟校园漫游系统设计方案。系统的总体结构模块包括虚拟校园漫游的三维重建模块、信息处理终端模块、数据库模块、图像处理模块和人机交互模块等。采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具创建虚拟场景模型数据库，在三维虚拟场景的层次化结构模型中，进行虚拟校园漫游的三维全景重构。建立虚拟校园漫游的渲染模型，通过Creator多重渲染的方法实现虚拟校园漫游系统的三维全景设计，在Vega Prime中实现对虚拟校园漫游系统的软件开发设计。测试结果表明，设计的虚拟校园漫游系统具有很好的三维视景重建能力，图像的渲染能力较强，系统的稳定性较高。
　　关键词： 三维全景重构; 虚拟校园; 渲染模型; 漫游系统; 系统设计; 视景仿真
　　中图分类号： TN99?34; TP399                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）07?0169?04
　　Design scheme of virtual campus roaming system based on 3D panoramic technology
　　CHEN Chunwei， ZHENG Zhongyuan
　　（Hebei Institute of Communications， Shijiazhuang 050000， China）
　　Abstract： In order to improve the ability of campus roaming navigation， a design scheme of virtual campus roaming system based on three?dimensional panoramic technology is proposed. The overall structure module of the system includes virtual campus roaming′s 3D reconstruction module， information processing terminal module， database module， image processing module and human?computer interaction module. 3D Studio MAX and SoftImage simulation tools are used to create virtual scene model database. 3D panoramic reconstruction of virtual campus roaming is carried out in hierarchical structure model of 3D virtual scene. A rendering model of virtual campus roaming is established. The 3D panoramic design of the virtual campus roaming system is realized by Creator multi?rendering method. The software development and design of the virtual campus roaming system is realized in Vega Prime. The testing results show that the designed virtual campus roaming system has excellent 3D scene reconstruction ability， strong image rendering ability and high stability.
　　Keywords： 3D panorama reconstruction; virtual campus; rendering model; roaming system; system design; visual simulation
　　0  引  言
　　随着三维全景虚拟现实技术的发展，采用三维视景仿真技术进行场景仿真，提高三维场景的重构和虚拟漫游能力。在校园的漫游导览过程中，需要构建虚拟校园漫游系统，结合虚拟现实技术进行虚拟校园漫游和导览控制，建立虚拟校园漫游的目标场景，结合3D重构和视景仿真技术进行虚拟校園漫游设计，构建虚拟校园漫游的虚拟控制模型，提高虚拟校园漫游导览的人机交互能力[1]。
　　在进行虚拟校园漫游系统设计中，需要采用嵌入式的设计方法，将控制程序通过程序加载模块加载到虚拟校园漫游系统的信息处理中心，建立嵌入式的智能虚拟校园漫游系统[2]。结合.NET Framework应用程序进行虚拟校园漫游系统的用户交互体验设计，提高虚拟校园漫游系统的情景交互能力。本文提出基于三维全景技术下的虚拟校园漫游系统设计方案，首先，进行系统的总体结构设计和功能模块分析;然后在Lynx Prime中建立虚拟校园漫游系统的三维仿真场景，通过MPI视景仿真渲染工具Vega Prime进行系统的软件开发设计;最后，进行仿真测试分析，得出有效性结论。
　　1  系统的总体设计构架与开发环境描述
　　1.1  系统的总体设计构架 　　基于Multigen Creator建模工具进行虚拟校园漫游系统的嵌入式开发设计，建立虚拟校园漫游系统的视景仿真模型[3]。采用嵌入式的设计方案，结合多层次细节（LOD）控制实现虚拟校园漫游系统的场景控制和在线编译，建立虚拟校园漫游系统的远程控制终端模型;采用多线程结构重组的方法，进行虚拟校园漫游系统的交叉编译和程序加载，结合图像信息跟踪融合技术进行虚拟校园漫游系统的三维全景设计。基于Multigen Creator软件建立虚拟校园漫游系统的3D虚拟现实环境，将三维全景图像加载到系统的终端，系统的总体结构模块包括：虚拟校园漫游的三维重建模块、信息处理终端模块、数据库模块、图像处理模块和人机交互模块等。系统软件开发是建立在三维全景成像终端基础上[4]，通过对虚拟校园的三维虚拟重构，结合3D几何模型进行图形渲染，根据上述设计原理和总体设计构架，得到本文设计的虚拟校园漫游系统总体结构如图1所示。
　　根据图1所示的虚拟校园漫游系统总体构架，设计三维全景技术下的虚拟校园漫游系统。在ZigBee物联网环境下构建虚拟校园漫游系统的网络传输模块，采用远程集成控制的方法进行虚拟校园漫游系统的自动控制设计，建立虚拟校园漫游系統的多功能转换模块。采用ARM Cortex?M0处理器内核实现虚拟校园漫游系统的APP开发，在ZigBee物联网组网模式下，在操作系统层和应用软件层分别配置虚拟校园漫游系统的APP控制下，进行虚拟校园漫游系统的三层体系结构设计[5]，得到系统的三层体系结构如图2所示。
　　1.2  系统开发环境描述
　　采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具创建虚拟场景模型数据库。对虚拟校园漫游系统进行多层体系结构构架，虚拟校园漫游系统采用三层体系设计，分别为信息感知层、数据处理层和人机交互层。在网络传输层中，采用B/S客户端与服务器交互的方法，进行漫游系统的ZigBee组网技术和虚拟校园漫游控制的网络组网控制;在ISA/EISA/Micro Channel扩充总线下进行虚拟校园漫游系统的总线开发设计[6]。采用VIX总线控制技术实现虚拟校园漫游系统的总线集成控制，系统的控制平台主要由A/D信息采集模块和交叉编译模块构成，采用总线控制的方法进行虚拟校园漫游系统的总线调度和传输控制[7]。根据上述分析，得到的虚拟校园漫游系统软件开发环境如图3所示。
　　构建虚拟校园漫游系统的人机交互模块，在C/S构架体系下采用交叉编译的方式进行虚拟校园漫游系统的用户交互体验设计，采用嵌入式的ARM进行虚拟校园漫游系统的软件开发设计[8]。
　　2  系统软件开发与实现
　　2.1  虚拟校园漫游的三维全景图像处理
　　对虚拟校园漫游系统的软件开发设计包括算法设计和软件模块化设计两大部分。进行虚拟校园漫游的三维全景图像处理算法设计，建立虚拟校园漫游三维全景成像模型;采用图像特征识别的方法进行虚拟校园漫游三维全景信息采样和图像样本分析[9];结合对虚拟校园漫游三维全景渲染的方法进行图像处理，由于[A>0]，得到虚拟校园漫游三维全景的空间区域分布的迭代参数[βi]如下：
　　[βi=exp-xi-xj22σ21distxi，xj]    （1）
　　式中[xi]和[xj]分别为虚拟校园漫游三维全景图像在像素点[i，j]处的像素强度和边缘轮廓的长度。根据虚拟校园图像网格分布，进行虚拟校园漫游的图像渲染特征点匹配，以及虚拟校园漫游三维全景区域分布重组。用[distxi，xj]表示虚拟校园漫游三维全景标记特征点[xi]和[xj]之间的欧氏距离，采用边缘轮廓特征检测的方法对图像的边界分布参数[σ]进行自适应调节，构建虚拟校园漫游三维全景图像融合模型[10]。采用模型系数匹配的方法进行虚拟校园漫游三维全景的8邻域像素匹配，对采集的虚拟校园漫游三维全景图像进行分块融合检测，得到图像的三维纹理信息特征分量为：
　　[Pyw3xw3，θ，β∝Pyw3xw3，θyw3βi∝k=1Kαk12πσ2kexp-xi-μk22σ2k?    1Zβiexp-c?CVc（Y，βi）∝k=1KαkZβi2πσ2k?    exp-k=1Kxi-μk22σ2k+c?CVc（Y，βi）] （2）
　　在4×4子块的子空间分布区域进行虚拟校园漫游三维视景仿真和图像重构，提取虚拟校园漫游三维全景视觉特征量如下：
　　[di+1=2Fxi+1+12，yi+2= 2Δx（yi+2）-Δyxi，r+12-ΔxB，    di≤02Δx（yi+2）-Δyxi，r+1+12-ΔxB，    di>0] （3）
　　考虑校园漫游三维全景视觉特征分布的有限域，在有限论域[E]上进行差异度匹配，建立差异值特征匹配模型。采用分块融合检测的方法进行虚拟校园漫游三维全景图像空间区域映射[11]，输出为[F：E→R3]，设[T：E→PDS（2）]，对虚拟校园漫游三维全景视觉特征值进行信息重构，得到三维全景技术下的虚拟校园视觉空间重构输出为：
　　[Rx，y=x2+y2+dx+ey+f]  （4）
　　在最大值搜索区域内，提取虚拟校园漫游三维全景图像的活动轮廓模型[12]，得到灰阶不变矩满足：
　　[?R?x=2x+d=0?R?y=2y+e=0]  （5）
　　根据轮廓分布情况构建虚拟校园漫游三维全景图像的分块区域组合模型，得到虚拟校园漫游三维全景图像的特征分辨率为：
　　[IGSM=I（CN;DNsN）=i=1NI（Ci;Disi）=i=1N（h（Disi）-h（DiCi，si））=i=1N（h（giCi+Visi）-h（Vi））]        （6） 　　综上分析，在三维虚拟场景的层次化结构模型中进行虚拟校园漫游的三维全景重构，建立虚拟校园漫游的渲染模型，可实现虚拟校园漫游三维全景视觉特征识别和重建[13]。
　　2.2  系统软件模塊化设计
　　在图像处理算法设计的基础上，进行系统的软件开发设计。本文设计的虚拟校园漫游系统包括图像的三维重建模块、信息处理终端模块、数据库模块、图像处理模块和人机交互模块等。采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具创建虚拟场景模型数据库[14]，在数据库模块中，通过监控虚拟校园漫游数据库的活动，阅读数据库的快照日志，获得虚拟校园漫游数据库的状态信息。在事务更新日志表中进行虚拟校园漫游系统的任务队列匹配和调度，采用TinyOS通信机制进行虚拟校园漫游系统的组件式架构，在多跳通信应用程序下进行主动消息传输;采用无线传感技术进行虚拟校园漫游系统的数据库结构构造设计，建立串口消息包[15]。通过构建无线收发模块进行主动消息组件（Active Message）设计，得到虚拟校园漫游系统的TinyOS通信架构如图4所示。
　　根据图4的通信构架体系，通过Creator多重渲染的方法实现虚拟校园漫游系统的三维全景设计。在Vega Prime中实现对虚拟校园漫游系统的软件开发设计。通过关键字command和event完成虚拟校园漫游系统的组件接口设计和参数化的人机交互接口设计。虚拟校园漫游系统的软件主要由Linux内核的裁剪与编译组成，采用TCP服务器端获取数据包，用TCPComm.cpp与SFPacket.cpp实现原始数据流的读写。综上分析，得到软件类层次结构图如图5所示。
　　3  仿真测试分析
　　通过仿真实验测试本文设计的虚拟校园漫游系统的应用性能，测试中采用forward（ ）函数进行虚拟校园视景的帧转换控制。通过CLIENT COUNT触发SendDone事件实现虚拟校园漫游三维全景重建，并采用IT公司的MSP430F1611处理器作为核心处理器件，进行虚拟校园漫游的渲染和图像三维全景重构识别，测试系统的输出稳定性，得到的收敛性曲线如图6所示。
　　分析图7得知，采用本文方法进行虚拟校园漫游系统设计，系统响应性能较好，响应时间较短。
　　4  结  语
　　在校园的漫游导览过程中，需要构建虚拟校园漫游系统，本文结合虚拟现实技术进行虚拟校园漫游和导览控制，建立虚拟校园漫游的目标场景，结合3D重构和视景仿真技术进行虚拟校园漫游设计。本文提出的三维全景技术下的虚拟校园漫游系统设计方案，采用3D Studio MAX和SoftImage仿真工具创建虚拟场景模型数据库，在三维虚拟场景的层次化结构模型中进行虚拟校园漫游的三维全景重构，建立虚拟校园漫游的渲染模型。通过Creator多重渲染的方法实现虚拟校园漫游系统的三维全景设计，在Vega Prime中实现对虚拟校园漫游系统的软件开发设计。综上可知，本文方法进行虚拟校园漫游系统设计，降低了系统的时间开销，提高了系统的响应能力。
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