【摘要】随着全景图形图像模拟技术的发展,其在教育领域有着巨大的应用前景。文章阐述了利用全景图形图像化模拟技术渗透至教学中的整个相关流程,并创建与现实社会类似的环境,从而解决了学习媒体的情景化及自然交互性的要求。
【关键词】全景图形图像;系统;环境;模拟
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)06―0108―03
一 引言
随着计算机信息技术飞速发展,计算机图形学、三维立体技术、虚拟现实技术等信息尖端技术也逐渐融入到我们学习生活中。如能将图形图像的相关技术渗透至教育中,渗透于教育技术中,其必形成一个新的发展时机,从而解决不少不易实行的抽象问题,例如认知地形位置,实验操作危险等,使其具体化,对教学、认知都能有着很好的成效。现三维立体的图形图像化虚拟学习环境能够为学生提供生动、逼真的学习环境,如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。让人亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动地去交互与被动地灌输,有本质的差别。
二 全景图形图像化技术
全景图是基于图像的水平360度及上下文空间的图形组织环境,它是一种全新的图像信息组织模式,可以表达完整的周围环境信息,相当于观察者从一个固定视点向四周转一圈所能看到的景象。[1]通常利用两种方式来得到全景图。第一种方式是利用特殊摄像设备(如全景照相机,带鱼眼镜头的相机等),这种方式只需1-3张照片即可,容易处理,但价格昂贵。第二种方式是使用普通照相机、数码相机等,从同一视点不同视角采集到的一组图像序列作为基础数据,经过图像拼接融合处理后生成全景图。
为此,全景图形图像的融合拼接的合理性是个关键点。而今,通过每个视点形成的节点来链接组织空间,用maya,3Dmax等三维软件,将各个照片的图形图像三维立体化处理,并使用适当的脚本语言将三维模型调入到各项场景中,将传统的静态图转变成为动态图形,可以一定程度上解决图形图像的融合拼接问题。
三 全景图形图像化模拟系统的设计与实现
1 系统的设计
(1)软硬件设备
制作全景示例场景使用的图像的采集设备有尼康D80型数码相机(快门1″光圈F /22 ISO200)、全景云台、三脚架等;[2]还有以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备;使用的软件: Photoshop 、Flash、3DSmax、maya、Flux Studio等。
(2)功能编辑器
1)文本编辑器;2)图像编辑器;3)音频编辑器;4)视频编辑器;5)动画编辑器;6)全景电影播放器;7)多媒体集成器。[3]
(3)系统结构框图
系统结构框图如图1所示。
2 系统的实现
(1)图像质量调整技术
数码相机拍摄的图片和扫描仪扫描的照片,都存在着不同程度的图像质量欠缺,如图像的色偏问题、变焦不准造成的图像模糊问题、图像偏暗或偏亮的问题等。
实现彩色图像质量的自动调整,很大程度上依赖于对图像质量评估的实现。目前,对图像质量有两个完全不同的衡量标准,其本质区别在于有没有一个原始图像作为衡量的参照物。至于不存在可供参照的原始图像的情况,比较的方法就不适用了,只能模糊地用视觉效果来概括。图像质量的评价往往取决于色彩、亮度、清晰度等多种要素,至今仍没有一个精确的量化模型。[4]
所以,在得到相应的照片后,对其应该先做出虚拟场景进行处理,其中不乏用到2D处理软件等等。最终,调整的目标就是要达到图像的亮度、对比度、色彩的饱和度及色调的整体改善。而且对于一幅视觉效果已经较好的图像,调整操作不会降低其质量。调整的原则是经过每一步的调整后,已经被调整的各个因素的量化值均等于或优于调整前图像质量的量化值。
(2)全景图形图像的数据组织
全景图像数据的组织如图2所示。
(3)全景图形图像的3D虚拟现实实现
1)制作合适的3D模型
利用maya或3Dmax等软件创建相应的图形图像模型,并同全景照片相整合。
2)过渡图形图像的整合
在经过调整后的3D图形图像后,其中同场景的过渡图像也应相应。
3)背景音乐及动画的创建
通过嵌入式脚本语言加入相适应的音乐,可以更好得提高浸入性。同时,全景图形图像的具体动作也要作出合适的创建。
4)虚拟道具同全景图形图像的融合
将虚拟装备同场景合理的融合,实现全景图形图像同数据手套,虚拟头盔等工具的嵌入。
5)系统的整体拼装
将所有涉及系统的有关信息和模型全部拼装实现一体化。
四 全景图形图像化系统在教学中应用
(1)知识的模拟学习
知识模拟学习是指学生利用全景图形图像系统来模拟现场来学习各种知识,在现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点。例如,在学习地理知识时,通过相应的系统,利用数据头盔等将学生带到大草原去领略那里的自然风光,甚至可以触摸模拟出来的羊群,而且可以使抽象的理论概念直观化、形象化,方便学生对抽象概念的理解。
(2)探索式模拟学习
全景图形图像的虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行模拟,通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果,而且可以体验其中的过程。例如,学生可以通过全景图形图像技术来体验火山爆发的场景,而且也可以在生物教学中体验物种成长的整个过程。利用全景图形图像技术进行更深刻的融入学习,探索学习,有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。
(3)自我模拟实验
利用全景图形图像化模拟技术,还可以建立各种虚拟实验室。如在“实验室”里,学生可以自由地做各种实验。在虚拟物理实验室里,学生可以做自由落体、惯性等实验。在虚拟的化学实验室里,可以利用各种化学药品做各种不同的化学反应,观察燃烧、爆炸等反应现象。[5]
(4)技能场景的模拟训练
利用全景图形图像模拟技术,可以做各种各样的技能训练。例如汽车学员可以通过模拟头盔来实现汽车模拟练习,飞行实习生可以通过场景来模拟各种恶劣天气下的高空模拟飞行,来自我评断。
五 全景图形图像化系统在地理教学中应用实例
1 实现过程简述
以为了达到认知北京地形,创建相应的地理地图认知全景图形图像化3D系统实例。系统的设计及实现的相关流程严格按照前面的设计思路实施。首先利用相关的相机收集到如下的类似图3素材,进行一番处理。
然后利用maya等3D软件设计出相应3D模型如图4。同样,创建出相应的街道情景,融合出来得到相应3D场景模型。创建数据库表如下表1,再模型,动画和虚拟工具整合,然后利用虚拟现实编程工具实现整个功能
2 实例功能及效果简述
本实例实现了现实地图的虚拟形象化,生动地体现其地图位置导向功能。学生通过虚拟头盔等装置浸入虚拟北京游览。这个全景图形图像虚拟系统可以很快的认识北京地形及位置,实现了异地认知。而且系统中还简单地涉及到地图的二维图和卫星图(如图5 所示),更能方便用户的使用和认识全市地形。
参考文献
[1] 赵启文.基于图像的全景图实现技术的研究[J].辽宁交通科技,2005,(5):84.
[2] 曾涛,戴余良,程刚,王长湖,王新路.非跳跃式全景漫游算法及在X3D下的实现[J].系统仿真技术,2008,4(4):269.
[3] 王铁铮,张菁,尹太宏.全景虚拟现实在网络课件中的应用[J].应用科技,2005,32(5):38.
[4] 李哲,姚芳.虚拟大区域场景的建立与浏览研究[J].长春工业大学学报(自然科学版),2008,29(2):192-193.
[5] 何正国,张毓福.基于VRML的交互式虚拟现实多媒体教室的研究及实现[J]. 2006,18(6):37.