李岳　蔡靖　宗一鳴　宋歌

摘要：應(yīng)用虛擬全景技術(shù)開發(fā)工程實(shí)踐教學(xué)平臺，通過高精度影像采集、全景合成與視角重構(gòu)，將以往難以親身到達(dá)的飛行區(qū)跑道周邊環(huán)境在教室計(jì)算機(jī)終端屏幕重構(gòu)展示，為學(xué)生提供身臨其境般的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使學(xué)生能夠?qū)Φ烂娌『π纬膳c修復(fù)過程有系統(tǒng)完整地認(rèn)識。該教學(xué)平臺以智能手機(jī)作為運(yùn)行終端，可直觀動(dòng)態(tài)顯示全景影像，有效提升課堂展示效果，強(qiáng)化課堂交流和互動(dòng)參與。演示方式貼近學(xué)生使用習(xí)慣，教學(xué)內(nèi)容分享傳播更加便捷，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)和工程能力提升。

關(guān)鍵詞：虛擬全景技術(shù)；教學(xué)平臺；工程實(shí)踐

中圖分類號：TU3-4；G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0173-04

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才的重要基礎(chǔ)，要求學(xué)生對工程現(xiàn)場環(huán)境和施工技術(shù)有深入了解。然而，受教學(xué)大綱和經(jīng)費(fèi)條件的限制，目前仍以課堂教學(xué)為主，內(nèi)容枯燥形式單一，造成理論學(xué)習(xí)與應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生畢業(yè)后難以快速適應(yīng)工程現(xiàn)場要求。

虛擬全景技術(shù)（Virtual Panoramic）的快速發(fā)展為創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)提供了一種新的表現(xiàn)方式。該技術(shù)以目標(biāo)場景下某一高度為觀察者中心，通過多角度靜態(tài)影像拼接，構(gòu)建環(huán)視360°和垂直方向360°的全視覺效果[1]。與傳統(tǒng)平面照片相比，虛擬全景不受單次拍照焦距與視角限制，圖像信息量更加豐富，適合表現(xiàn)大空間工程現(xiàn)場環(huán)境[2]。利用上述特點(diǎn)，可將一些高危險(xiǎn)性的工程現(xiàn)場全貌，或是學(xué)生難以親身前往的施工作業(yè)區(qū)域（如機(jī)場跑道修復(fù)、盾構(gòu)隧道開挖等）在教室內(nèi)進(jìn)行實(shí)景重現(xiàn)，使學(xué)生仿佛置身其中，進(jìn)而開展實(shí)踐教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

據(jù)此，筆者開發(fā)了基于虛擬全景技術(shù)的工程實(shí)踐教學(xué)平臺，將其應(yīng)用于道路與場道工程課程教學(xué)。在圖像拼接與變形控制、觀察視角與方位重構(gòu)、演示方式與硬件終端等方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新。以低成本實(shí)現(xiàn)真實(shí)的工程現(xiàn)場體驗(yàn)和交互感受，全景展現(xiàn)機(jī)場跑道病害形成與損傷修復(fù)過程，以豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

一、工程實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

目前常用的全景制作軟件，主要是根據(jù)相鄰圖片重疊區(qū)域判定相對位置，進(jìn)行全景畫面的縫合拼貼[3-4]。由于缺乏圖像變形控制措施，難以準(zhǔn)確還原拍攝視角與觀察方位，影響了全景畫面精度和空間體驗(yàn)效果[5]。在虛擬全景體驗(yàn)方面，現(xiàn)有技術(shù)主要依托桌面臺式計(jì)算機(jī)平臺，體驗(yàn)者需要通過滑動(dòng)鼠標(biāo)或鍵盤操作調(diào)整觀察角度。由于顯示器位置固定，使用感受類似在平面內(nèi)拖動(dòng)一張大幅照片，限制了全景影像立體展示效果的發(fā)揮[6]。

針對上述問題，以智能手機(jī)作為運(yùn)行終端，開發(fā)工程實(shí)踐教學(xué)平臺客戶端程序。實(shí)時(shí)采集和分析手機(jī)內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)觀測坐標(biāo)記錄和觀察視角重構(gòu)功能；借助手機(jī)屏幕動(dòng)態(tài)查看全景影像，與教室投影設(shè)備畫面共享，改進(jìn)傳統(tǒng)虛擬全景制作流程與操作方式。通過編制Java程序模塊完善客戶端功能，滿足課堂教學(xué)提問、分組討論和結(jié)果展示等環(huán)節(jié)需要。

實(shí)踐教學(xué)平臺客戶端開發(fā)流程如圖1。

二、實(shí)踐教學(xué)平臺功能與實(shí)施

（一）道面信息采集

分析機(jī)場道面運(yùn)行狀況與病害分布規(guī)律，選取有代表性的觀測點(diǎn)進(jìn)行圖像采集。采集內(nèi)容包括修復(fù)前的道面損傷圖像和修復(fù)后的工作情況，以及施工過程視頻資料。使用的器材包括可變焦數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)和三腳架。圖像采集過程中，保持三腳架對齊觀測點(diǎn)且與地面垂直，數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)并列固定于三角架頂部云臺上，拍攝過程中保持兩者相對位置不變。選取35 mm作為拍攝焦距，此時(shí)照片視角約為63°，與人眼視角最為接近，如圖2。

以60°為界限對全景投影球面進(jìn)行劃分，計(jì)算球面坐標(biāo)系下各幀照片拍攝方位和俯仰角參數(shù)。按照順時(shí)針和自上而下的順序，調(diào)節(jié)云臺螺桿逐幀旋轉(zhuǎn)拍攝全景影像原始素材，每幀圖像多出的3°視角用途在下一小節(jié)說明。

通過客戶端程序讀取手機(jī)陀螺儀和重力傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（拍攝方位等同于相機(jī)），保證觀測視角與理論計(jì)算結(jié)果一致，提高全景圖像采集精度。借助手機(jī)GPS坐標(biāo)信息和飛行區(qū)CAD平面圖，確定當(dāng)前觀測點(diǎn)位置。

（二）全景影像合成

將計(jì)算球面坐標(biāo)系下各幀畫面拍攝方位與照片素材一一對應(yīng)，完善觀察視角基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用Adobe公司的Photoshop圖像軟件對各幀照片的亮度、飽和度與對比度指標(biāo)進(jìn)行微調(diào)，減緩迎光面與背光面光照角度和光照強(qiáng)度差異，獲得曝光水平均勻連續(xù)的圖像素材。運(yùn)用PhotoStich軟件對圖片素材進(jìn)行排序合成（Arrangement and Merge），相鄰兩幀畫面之間1.5°視角重疊范圍可滿足搭接匹配需要，最后通過軟件自帶瀏覽器對編輯完成后的球面全景效果進(jìn)行檢查和修正，如圖3。

（三）全景展示與教學(xué)應(yīng)用

虛擬全景體驗(yàn)可在智能手機(jī)上完成，使用者通過轉(zhuǎn)身和抬手等姿態(tài)變化，影響手機(jī)內(nèi)置陀螺儀和重力傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，客戶端程序自動(dòng)計(jì)算和判定手機(jī)屏幕在當(dāng)前球面坐標(biāo)系下的觀察方位，進(jìn)而刷新顯示內(nèi)容，使用者可 “透過”屏幕直觀動(dòng)態(tài)地查看飛行區(qū)道面全景圖像。借助觸控拖拽和雙指縮放等操作，還可實(shí)現(xiàn)對特定角度的細(xì)部觀察，從而獲得理想的現(xiàn)場體驗(yàn)。

當(dāng)應(yīng)用于課堂實(shí)踐教學(xué)時(shí)，將手機(jī)Micro USB連接投影設(shè)備VGA接口，使學(xué)生能夠通過大屏幕實(shí)時(shí)觀看教師操作過程和全景影像，學(xué)生體驗(yàn)感受對教師形成正向反饋，構(gòu)成完整的互動(dòng)教學(xué)流程，如圖4。

以某機(jī)場滑行道水泥混凝土道面病害分析與修復(fù)問題為例，應(yīng)用虛擬全景技術(shù)平臺開展實(shí)踐教學(xué)，如圖5所示。具體流程如下：

（1）首先通過客戶端程序調(diào)取滑行道觀察點(diǎn)全景影像資料，教師講解周邊基本環(huán)境，組織學(xué)生觀察滑行道兩側(cè)道面損傷類型、病害程度與分布。

（2）結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于道面板最不利受荷位置規(guī)定，分析滑行道上飛機(jī)輪載作用特征，以5～6人分組討論道面病害成因，教師匯總各組意見并點(diǎn)評。

（3）分組研究病害對策，探討短期修復(fù)施工方法，組織學(xué)生觀看視頻及圖像資料，了解實(shí)際施工設(shè)備與工藝。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)施工效果，提出長期根本性的解決方案，最終完成道面維護(hù)與修復(fù)實(shí)踐。

三、工程實(shí)踐教學(xué)平臺特色分析

（一）完善優(yōu)化全景影像采集方法

傳統(tǒng)工程現(xiàn)場照片采集容易受到相機(jī)鏡頭性能限制，單次拍攝視角狹窄，多幅圖像連續(xù)拼接精度與視角定位難以得到準(zhǔn)確控制。

對此，建立了投影視角球面坐標(biāo)系統(tǒng)，對全景投影面進(jìn)行分段劃分，精確計(jì)算圖像采集焦距和拍攝方位，改進(jìn)全景影像變形控制水平與還原效果，實(shí)現(xiàn)對飛行區(qū)道面環(huán)境的真實(shí)再現(xiàn)。通過該方法采集的全景影像貼近人類肉眼觀察視角，可滿足實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用需要，為學(xué)生提供豐富的工程環(huán)境信息。

（二）創(chuàng)新虛擬全景體驗(yàn)與展示平臺

與目前熱門的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）相比，虛擬全景影像無需實(shí)時(shí)生成復(fù)雜的三維數(shù)字場景，大大降低了對硬件設(shè)備圖像性能的要求。

與另一類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）技術(shù)相比，虛擬全景體驗(yàn)無需昂貴的專用眼鏡設(shè)備，以目前較為普及的智能手機(jī)作為教學(xué)應(yīng)用和展示平臺，擺脫了傳統(tǒng)固定臺式計(jì)算機(jī)演示手段的限制，充分發(fā)揮了智能終端硬件優(yōu)勢，提高了全景體驗(yàn)的互動(dòng)參與水平。虛擬全景體驗(yàn)綜合硬件投入和技術(shù)開發(fā)難度更低，更適合在實(shí)踐類課程教學(xué)中推廣。

（三）豐富教學(xué)手段、方便知識共享

發(fā)揮虛擬全景靜態(tài)畫面和施工視頻動(dòng)態(tài)表現(xiàn)優(yōu)勢，整合多種教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生建立工程結(jié)構(gòu)損傷與外部荷載作用的相關(guān)性，提高分析和解決實(shí)際工程問題的能力。所開發(fā)的客戶端程序可滿足個(gè)人學(xué)習(xí)體驗(yàn)和課堂集體教學(xué)需要，教學(xué)內(nèi)容的分享和傳播更加方便，教學(xué)方式貼近學(xué)生生活習(xí)慣和學(xué)習(xí)需要，學(xué)生自主參與性和學(xué)習(xí)興趣明顯提高。

四、結(jié)語

基于虛擬全景技術(shù)開發(fā)的工程實(shí)踐教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)教學(xué)環(huán)境下對工程現(xiàn)場環(huán)境的全景體驗(yàn)，提升了課堂互動(dòng)和參與水平，使學(xué)生能夠?qū)C(jī)場道面病害形成和修復(fù)過程形成系統(tǒng)認(rèn)識，促進(jìn)自主能動(dòng)性和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力。

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