王曉紅（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

城市規(guī)劃與建筑虛擬現(xiàn)實(shí)多通道投影系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王曉紅（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

文章針對(duì)城市規(guī)劃與建筑中不能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目的，提出建立以沉浸式顯示和實(shí)時(shí)交互為主要功能的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與新一代數(shù)字媒體科技創(chuàng)新平臺(tái)，該平臺(tái)采用基于OpenGL工業(yè)級(jí)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件作為二次開發(fā)的高層API，重點(diǎn)論述了三維沉浸式顯示系統(tǒng)中多通道投影的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)地形建模的要求，為實(shí)際施工提供準(zhǔn)確的信息，可以達(dá)到最初的設(shè)計(jì)規(guī)劃目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸式顯示；OpenGL；多通道投影

1 概 述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可用于建筑視景與數(shù)字城市規(guī)劃、虛擬制造/設(shè)計(jì)/裝配及虛擬維修應(yīng)用、駕駛模擬仿真訓(xùn)練、文物古跡數(shù)字復(fù)原保護(hù)、人工智能及遠(yuǎn)程控制操作、地形地貌/地理信息系統(tǒng)（GIS）、生物工程（基因/遺傳/分子結(jié)構(gòu)研究）、虛擬地質(zhì)/礦產(chǎn)/石油勘探等領(lǐng)域的教學(xué)科研工作。我國(guó)城市化進(jìn)程正在加速，四川災(zāi)后建設(shè)任務(wù)繁重，建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)行業(yè)人才的需求量旺盛，對(duì)人才培養(yǎng)規(guī)格的要求越來越高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑與城市規(guī)劃教育領(lǐng)域便可提供這樣一個(gè)綜合型的高技術(shù)教學(xué)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室使建筑設(shè)計(jì)、城市設(shè)計(jì)等創(chuàng)作研究在參與、體驗(yàn)及交互的過程中進(jìn)行，是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的顛覆，建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，將有力地推進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體系、教學(xué)方法和教學(xué)手段的重大變革。虛擬現(xiàn)實(shí)方法還可成為分析研究地震破壞與災(zāi)后建設(shè)研究的重要技術(shù)手段。通過模擬地震發(fā)生場(chǎng)景，對(duì)自然環(huán)境要素與人工環(huán)境要素進(jìn)行參與式與體驗(yàn)式的分析研究；可參與災(zāi)后自然環(huán)境與人工環(huán)境的恢復(fù)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)研究。本文針對(duì)城市規(guī)劃和四川災(zāi)后重建，采用基于OpenGL工業(yè)級(jí)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件建立城市規(guī)劃與建筑虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更好地呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，為實(shí)際設(shè)計(jì)和建筑提供理論依據(jù)。

2 開發(fā)與渲染平臺(tái)

采用高性能的QUADRO PLEX系列專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)工作站作為圖像生成處理的硬件開發(fā)平臺(tái)。軟件平臺(tái)部分采用基于OpenGL工業(yè)級(jí)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件作為二次開發(fā)的高層API，用于建立三維圖形場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)和軟件開發(fā)環(huán)境。

3 三維沉浸式顯示系統(tǒng)

沉浸式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)通常采用頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示裝置等設(shè)備［1］，它封閉我們參與者的感覺器官、聽覺器官和視覺器官，為參與者提供一個(gè)全新的、身臨其境的虛擬空間，并利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備等。使得參與者產(chǎn)生一種完全投入并沉浸于其中的感覺，是一種較理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)［2］。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程圖

3.1 多通道投影系統(tǒng)幾何校正

所謂的多通道投影系統(tǒng)，就是由多個(gè)投影機(jī)拼接在一起，但這種拼接，不是簡(jiǎn)單的擺放，而是按照一定的空間位置有規(guī)律的排列，從而在頭盔式顯示器大屏幕上顯示出具有邏輯上一致的全景模擬圖像。但這種多通道投影有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決。

第一，圖像被投影到弧形幕或球幕上時(shí)會(huì)發(fā)生幾何變形（即非線性失真），因此需要對(duì)投影圖像進(jìn)行幾何校正［3］。

第二，多個(gè)投影機(jī)的投影圖像拼接在一起時(shí)，它們的邊緣部分會(huì)有一定程度的重疊，重疊區(qū)的亮度是非重疊區(qū)亮度的2倍，因此需要實(shí)現(xiàn)投影圖像間亮度的平丫冷過渡，即邊緣融合［4］。

OpenGL幾何校正

①幾何校正的基礎(chǔ)就是要求投影儀生成的正常圖像和幾種輔助調(diào)試的畫面能準(zhǔn)確投影到弧形幕或球幕上。

②幾何校正最為關(guān)鍵步驟是在弧形幕或球幕上生成能與我們?cè)趯?shí)際投影曲面有一模一樣的貼圖曲面。為了最大程度地減少因投影幕施工人為因素而造成變形的影響，并且方便后續(xù)的貼圖處理。在處理復(fù)雜的問題時(shí)候，我們往往將其簡(jiǎn)單化，采取片狀網(wǎng)格投影曲面的方式，把它們簡(jiǎn)化為N行和N列。假如投影曲面的某一處的曲率值與標(biāo)準(zhǔn)弧不同時(shí)，我們可以通過調(diào)整該處與之相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格外形的方法來使投影幕的外形與其適應(yīng)和一致。片狀網(wǎng)格與投影屏幕的擬合度成正比，如果片狀網(wǎng)格的行與列劃分得越精細(xì)、網(wǎng)格數(shù)量越多，那么幾何校正的效果就越好。還有一個(gè)影響失真的是投影儀與視點(diǎn)的空間幾何位置，如果他們不保持一致，也會(huì)產(chǎn)生失真。通過調(diào)整網(wǎng)格外形、投影儀與視點(diǎn)的空間幾何位置，才會(huì)使得重新生成的畫面不失真。

③對(duì)幀緩存的復(fù)制。作為貼圖，我們按照投影屏幕行列詳細(xì)劃分的份數(shù)，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化紋理處理，然后依次貼在與之相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格曲面上。在幀緩存的復(fù)制，圖像紋理化的處理、貼圖等操作過程時(shí)需要在一幀的時(shí)間之內(nèi)全部完成，所以這就需要我們?cè)谑д婵山邮艿姆秶畠?nèi)盡可能減少對(duì)片狀網(wǎng)格數(shù)的劃分?jǐn)?shù)量，保證在有限時(shí)間內(nèi)完成對(duì)幀緩存的復(fù)制。［5］

3.2 虛擬場(chǎng)景（Virtual scene）與真實(shí)數(shù)據(jù)融合

虛實(shí)配準(zhǔn)問題是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)場(chǎng)景或數(shù)據(jù)的正確匹配或有機(jī)結(jié)合是每個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)或沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都必須完成的一項(xiàng)重要任務(wù)［6］。在這個(gè)重要任務(wù)中，其核心就是圖像的邊緣融合。問題是怎么樣使投影重疊區(qū)之內(nèi) 2臺(tái)或者多臺(tái)投影儀的輸出亮度同單臺(tái)投影儀輸出的亮度一模一樣。

通過視景貼圖融合、適當(dāng)變換貼圖曲面邊緣亮度，可以得到圖像亮度在屏幕重疊區(qū)如何變化，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出是其按照二次曲線遞增或者衰減，并且其相鄰的圖形圖像邊緣亮度變化防止了圖像的失真，相互之間形成互補(bǔ)保證圖像清晰。文章采用的是典型的二次曲線，其亮度變化如圖2所示。由圖可以看出，右側(cè)投影亮度邊緣融合區(qū)域隨著距離從 0逐漸變化到1，左側(cè)投影亮度邊緣融合區(qū)域隨著距離從1變化到0。經(jīng)過這樣處理就完成了圖像的全部邊緣融合。

圖2 亮度變化曲線示意圖

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)場(chǎng)地的坐標(biāo)系與虛擬場(chǎng)景的坐標(biāo)系在坐標(biāo)軸的方向、坐標(biāo)原點(diǎn)的差別，還有就是他們的方向是右手系還是左手系都會(huì)有不同，所以為了實(shí)現(xiàn)虛實(shí)配準(zhǔn)，需要對(duì)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤處理，即就是坐標(biāo)變換。

當(dāng)頭部定位儀器戴在我們頭上時(shí)，相機(jī)此時(shí)位于頭頂并且朝著與地面方向垂直向上的，我們稱之為頭頂相機(jī)。在沉浸式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)中，我們的第一人稱相機(jī)是跟人眼位置和姿態(tài)都一樣的相機(jī)。所以，在沉浸式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)中來模擬人眼的時(shí)候，我們添加一個(gè)向前的相機(jī)，其實(shí)這個(gè)相機(jī)是完美虛構(gòu)的。按照視覺原理，可以標(biāo)定得到向前相機(jī)相對(duì)頭頂相機(jī)的位置變換矩陣。下面是4種坐標(biāo)系的定義，如圖3所示。

圖3 4種坐標(biāo)系的定義圖

下面，分四個(gè)步驟來進(jìn)行坐標(biāo)變換：

第一步，調(diào)用高性能高精度的攝像機(jī)跟蹤定位系統(tǒng)的接口，從中得到頭頂攝像機(jī)的準(zhǔn)確定位，也就是頭頂攝像機(jī)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地坐標(biāo)系下的姿態(tài)和位置。用矩陣表示為

第二步，由高性能高精度的攝像機(jī)跟蹤定位系統(tǒng)標(biāo)定的向前攝像機(jī)相對(duì)頭頂攝像機(jī)的坐標(biāo)變換矩陣通過計(jì)算可以得出向前攝像機(jī)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地坐標(biāo)系下的姿態(tài)和位置，可以表示為用下列公式表示：

第三步，由實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地坐標(biāo)系與虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系之間的換算關(guān)系，我們可以得到坐標(biāo)變換矩陣通過計(jì)算可以得出頭頂攝像機(jī)和向前攝像機(jī)在虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系下的姿態(tài)和位置，分別表示為和用下列公式表示：

第四步，使用軟件里的數(shù)據(jù)庫步函數(shù)設(shè)置向前和頭頂2個(gè)攝像機(jī)的姿態(tài)和位置。

4 結(jié) 論

在文獻(xiàn)［6-10］的基礎(chǔ)上，根據(jù)城市規(guī)劃與建筑虛擬現(xiàn)實(shí)建模的特點(diǎn)，提出了基于OpenGL工業(yè)級(jí)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件建模的方法，以三維沉浸式顯示系統(tǒng)詳細(xì)研究為重點(diǎn)，闡述了沉浸式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)中多通道投影的幾何校正和虛擬場(chǎng)景與真實(shí)數(shù)據(jù)融合的解決方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明技術(shù)路線可行，可以達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的要求。該方法對(duì)于構(gòu)建城市復(fù)雜地形建模具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］趙維，謝曉方.基于自由行走的沉浸式漫游裝置［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35（15）：265-269.

［2］Adams L.Visualization and Virtual Reality［M］.McGraw-Hill Publishing，1993.

［3］胡文聰.多投影增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009.

［4］何躍明.多投影大屏幕系統(tǒng)的自動(dòng)構(gòu)建方法［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［5］李新.水電站虛擬環(huán)境中的沉浸式人機(jī)交互技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2011.

［6］字建香.高精度定位跟蹤系統(tǒng)輔助下的沉浸式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)構(gòu)建［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2012.

［7］吳華興，康鳳舉，黃偉，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的飛機(jī)顯控系統(tǒng)軟件仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24（6）：1232-1235.

［8］朱翠蘭，董明曉，邱魯江，等.塔式起重機(jī)視景仿真系統(tǒng)場(chǎng)景建模與驅(qū)動(dòng)［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：284-288.

［9］徐剛，王春燕.基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)三維重建研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2012，162（4）：38-40.

［10］段紅霞.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程建設(shè)管理中的應(yīng)用［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（3）：35-38.

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A

1007-7359（2016）02-0245-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.087

王曉紅（1968-），女，四川綿陽人，高級(jí)工程師。