虚拟现实技术是指利用计算机硬件与软件资源的集成技术, 提供一种实时的、三维的虚拟环境( Virtual Environment) , 使用者完全可以进入虚拟环境中, 观看并操纵计算机产生的虚拟世界, 听到逼真的声音, 在虚拟环境中交互操作, 有真实感觉, 可以讲话, 并且能够嗅到气味 。它涉及到计算机 、传感与测量技术 、仿真技术和微电子技术等相关技术。虚拟现实系统作为一种崭新的人机交互界面形式, 能为用户提供现场感和多感觉通道, 并依据不同的应用目的, 探寻一种最佳的人机交互方式。究其根本, 它有 3 个最基本的特征, 既3I, 它们是 Immersion( 沉浸) 、Interaction( 交互) 和 Imagination( 构想)[ 1] 。3 I 的基本特征强调人在虚拟现实技术中的主导作用 。从过去人只能从计算机系统的外部去观测计算机的处理结果, 到人能够沉浸到计算机系统所制造的环境之中 ;从过去人只能通过键盘 、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用, 到人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用;从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发而加深对事物的认识, 到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化对概念的认识和萌发新意 。虚拟现实技术系统, 正是通过3I才能真正实现虚拟世界对真实世界的替代, 从而达到一种境界的虚拟。这样不仅可以使用户沉浸于虚拟现实环境中, 还可以查询、浏览以及分析虚拟现实中的物体, 如地形、地物 、资源环境状况等, 辅助用户进行分析 、评价 、规划或决策。虚拟现实技术应用范围非常广泛, 几乎渗透到社会生活的各个方面, 如娱乐业 、医疗 、汽车与飞机制造、建筑设计 、军事、航天、教育等领域。根据三维场景生成的过程划分, 可以将虚拟现实技术分为基于图像的虚拟现实技术和基于矢量建模( 或称几何建模) 的虚拟现实技术两种 。基于图像建立起来的虚拟现实环境反映的景观真实感强, 基于矢量建模方法建立起来的虚拟环境, 需要大量的计算机矢量建模过程, 对计算机系统的速度性能有很高的要求。近年来还发展了矢量建模与图像纹理粘贴技术,可谓二者的融合, 但对虚拟环境建立所需的硬件性能要求更高。本文从虚拟旅游的特点和现状出发, 着重探讨如何应用基于实景图像的虚拟现实技术来实现虚拟旅游 。 

1 旅游电子商务 、虚拟旅游及其特点

旅游是涉及人多 、面广、业务量大、信息处理性强的行业, 而因特网具有范围广、费用低、使用方便等众多优点, 通过 Internet 进行旅游信息管理并以电子办公方式处理旅游业务, 称之为旅游电子商务。目前这方面的研究与应用已很普及, 并出现了众多 Internet 上的旅游信息查询与预订系统, 但所提供的信息没有从旅游者对旅游景观美学取向上的需求去考虑 。因此, 现有的旅游信息提供主要体现在商务信息的支持上, 缺少景观信息或仅有少量静态的风光照片,很难让人们对旅游景点有一个整体的、比较真切的认识 。如果通过互联网或其他载体, 将旅游景观动态地呈现在人们面前, 让旅游爱好者根据自己的意愿, 来选择游览路线、速度及视点, 足不出户就可以遍览遥在万里之外的风光美景, 这便是虚拟旅游。

要实现这一美好愿望, 必须解决两个问题。首先解决的是空间信息的提供 。传统的方法是使用旅游地图 。传统地图的特点是空间信息平面化 、地理信息符号化、地图内容的凝固化和静止。打破传统地图的凝固性和静止性的是电子地图 。电子地图技术是集地理信息系统( GIS) 技术、数字制图技术 、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术为一体的综合技术。它是一种以可视化的数字地图为背景, 用文本 、照片、图表、声音 、动画 、视频等多媒体为表现手段, 展示城市 、企业 、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品, 有“大众 GIS”之称 。可以存贮于计算机外存, 以只读光盘 、网络等形式传播, 通过桌面计算机或触摸屏计算机等提供大众使用。它具有大容量 、交互式的查询 、分析功能。电子地图产品比传统地图产品信息容量大, 生产周期短, 信息更新快, 具有数据查询和分析功能等特点。其次是解决实际景观向虚拟空间移植并再现。旅游观光过程实际上是一个动态的过程, 空间信息的传统地图表示法及旅游景点的有限数量的静态照片的展示, 在旅游电子商务应用过程中存在重大缺陷, 既不能再现真实景观, 亦不能完成动态过程 。旅游地图的平面信息和符号化的地理信息, 对许多旅游爱好者来说, 于抽象, 缺乏视觉上的美感和吸引力 。记录和表现景观的主要方法和手段还应该基于图像, 如何实现景观和地图的互动是主要难题 。

2 基于实景图像的虚拟现实技术

根据上述分析, 要在网络空间构建旅游环境, 现有的虚拟现实系统还远不能满足要求 。首先是网络的传输速度不能满足大数据量的交换;其次是虚拟现实技术所使用的设备正处于发展阶段, 远未到普及的程度。因此, 笔者在研究中采用基于实景图像的虚拟现实技术, 即直接利用照相机或摄像机拍摄得到的实景图像 ( Real World Images) 来构造视点空间 ( View Point Space) 的虚拟景观。该方法具有快速 、简单、逼真的优点, 正在越来越多地应用于旅游景点 、虚拟场馆介绍以及远地空间再现等方面, 非常适合于实现虚拟旅游 。所谓视点空间指用户在一个观察点所观察到的球空间, 它由不同焦距的全景图像按其焦距关系构成, 反映了观察者在虚拟环境中一观察点所能观察到的不同细节程度的场景空间 。观察者可以在视点空间进行360°环视 、俯视 、仰视以及焦距变换等多种方式的观察, 所能观察到的景观全集被定义为一幅全景图。对视点空间进行空间关联形成虚拟旅游系统 。基于实景图像的虚拟现实技术基本原理是:假定在一室内空间进行观察, 室内空间一般有六个表面, 如果获取了这六个表面的许多不同距离, 不同方位的实景照片并将他们按照相互的关系有机连接起来就可以在视觉上形成该房间整个空间的整体认识, 这就是全景图像的概念 。在观察时可以任意地转动观看, 也可以改变视点, 或是走近仔细观看, 由于这些照片是相互连接的, 所以只要照片有足够的精度, 就可以获得空间的感觉。同样无论是在野外, 还是在复杂如迷宫的博物馆, 通过建立以实景为基础的全景图像, 就可以对周围进行观察, 如果辅以声音, 就可以获得较好的随意观察、交互访问的效果 。 3 基于实景图像的虚拟现实技术与相关技术比较

与三维虚拟模型比较, 基于实景图像的虚拟现实技术跟三维矢量建模虚拟现实技术全然不同, 前者反映的是一种客观存在, 往往以自然景观为主。而后者则是人的一种主观想象, 是通过创作或设计想象出来的, 以人工环境为主;体现在技术上, 前者是图像处理的范畴, 而后者则是计算机图形学的范畴, 但二者可以有机地结合, 以满足特殊的应用。一般的漫游环境中的视觉效果通常是由人工设计出来的, 允许与实际情况不完全吻合 ;而虚拟景观漫游中的视觉效果则要求尽可能与实际的视觉效果相一致, 给人以身临其境的视觉满足感。构建这样一个具有身临其境的沉浸感 、完善的交互能力的旅游环境, 常规的想法是利用计算机图形技术, 对真实环境进行抽象从而建立其三维矢量模型, 实时漫游过程中根据观察者的位置、光照、消隐信息由计算机绘制相应的视景。其场景是由计算机根据一定的光照模型绘制的, 色彩层次没有实际的自然景观丰富, 带有明显的人工痕迹。这种基于计算机图形学的虚拟现实系统存在极大的局限性:一是复杂空间的建模过程相当烦琐 、工作量大;二是不能将实时交互与高质量图形环境结合起来, 场景难以达到完全逼真;三是对计算机软硬件要求较高, 很难满足虚拟旅游的需要。

与视频技术比较, 通过录像得到的录像带虽然也是三维实景的一种再现方式, 但拍摄录像只能实现这项技术的部分效果 。首先, 录像拍摄到的图像路线是固定的, 用户通过录像带观察此三维实景的视点和观察角度都体现为摄制者本人的摄制点和摄制角度, 显然这种方式大大限制了观察者的自由, 使用者只能被动地看录像, 无法自由调整观察路线。而基于静态虚拟技术的实景再现技术支持任意路线的观察, 其视点和视角是任意可变的, 视点可推进, 也可拉远,可上升, 也可降低, 视角和转动的速度完全由用户自己控制, 这跟用户观察实景的过程是完全一致的。其次是录像的数据量极其庞大, 无法在计算机上 、特别是在网络上得到应用。比如:五分钟的录像并不算长, 但它的数据量是 5 ×60 ×24 =2880 幅图像( 所有的录像或者电影1 秒钟需要有 24 幅图像, 才能使得整个画面看起来是连续的) , 而在基于实景图像的虚拟现实技术里, 只需 1 幅图像便可生成所有景观。

4.结论

基于实景图像虚拟现实技术开发虚拟旅游系统适合于两种方式 :其一, 可针对现有旅游景观 进行虚拟旅游, 通过这种方式的虚拟旅游, 不仅可以起到对旅游景点宣传 、扩大影响力和吸引游 客的作用, 而且还能够在一定程度上满足没有条件到达旅游景点的游客的游览和审美的需求, 如 泰山虚拟旅游 、八达岭长城虚拟旅游、珠穆朗马峰峰顶游以及异国风情游等;其二, 可针对现在已 经不存在的旅游景观或是即将不复存在的旅游景观而展开虚拟旅游, 这可以再现已不存在的 旅游景观, 或是即将不复存在的旅游景观, 具有景观珍藏的意义 , 如对于原三峡风景区的虚拟旅 游、某些著名古建筑重建或装修前原貌观光等 。基于实景图像的虚拟现实技术所构建起来的虚拟旅游系统, 避开了复杂的场景建模与绘制, 实现了自然风景的虚拟观光旅游。就技术本身而言, 它在工作量 、网络带宽、计算机硬件等各方面降低了要求, 从而为虚拟现实技术的实际应用创 造了条件, 结合时下发展起来的旅游电子商务业, 其应用前景十分广阔。