来源：第三维度
    作者：余胜泉 古素梅
    单位：北京师范大学现代教育技术研究所
 
    【摘要】 基于静态图像的虚拟现实技术是一种提供初步VR体验的虚拟现实技术，其最鲜明的特点就是开发、研制成本低廉，使用过程简单方便，并不需要专用的诸如头戴镜、数据手套等昂贵的设备，仅需要一台多媒体电脑就可以了。由于这样的特点，使得以往需要复杂昂贵的专门设备支持的虚拟现实技术在现实生活中以及教育领域中的广泛应用成为可能。本文QTVR为例，介绍了基于静态图像的虚拟现实技术的工作原理、基本特色、开发系统的组成及其在教育领域中的典型应用。
 
    一、虚拟现实的基本概念

    虚拟现实是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界，随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。目前，虚拟现实内涵已经大大扩展，像“人工现实（Artificial Reality）”、 “虚拟环境”（Virtual Environment）、“赛伯空间”（Cyberspace）等，都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上，虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法，它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。

    二、基于静态图像的虚拟现实技术：QTVR

    1．什么是QTVR

    QuickTime VR（QTVR）是一种基于静态图象的、在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。它的基本特点是能够实现对一个物体或空间进行360度全景观察。利用它来创建虚拟场景，我们可以在一个大厅里环绕四周，以任意一个角度观察这个空间，也可以围绕某一个物体，在360度的范围观察它。

    假定我们在一室空间进行观擦，室内空间一般有六个表面，如果我们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这个房间整个空间的整体认识，这就是全景概念。在观察时，我们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，所以只要照片足够精细、连接得紧密正确，我们就可以获得空间的感觉。这就是QTVR工作的基本原理。QTVR的核心概念包括：

    全景图象（Panoramas)：全景图象是QTVR技术最具特色的概念。QTVR的全景图象实际上是空间中一个视点对周围环境的360度的视图。它可以理解为以节点为中心的具有一定高度的圆柱形的平面，平面外部的景物投影在这个平面上，即为全景图象。用户可以在全景图象中在360度的范围内任意切换视线，也可以在一个视线上改变视角，来取得接近或远离的效果。

    对象(Objects)：对象是和全景图象的概念相对比的概念。全景图象是从空间内的节点来看周围360度的景物所生成的视图，而对象则刚好相反，它是从分布在以一件物体（即物体）为中心的立体360度的球面上的众多视点来看一件物体，从而生成的对一个对象的全方位的图象信息。使用时，用户用鼠标来控制物体电影（object movie)的播放。点击电影播放窗口的中央，会显示一个图象，点击窗口的上部或下部，从而移动观察视点时，系统就会显示对应观察点图象。

    场景（Scenes)：场景指的是把一个或多个全景图象或对象电影通过热点这种手段连接后的全景图象和对象电影的有序集合体。在场景中，用户可以在很多全景图象或对象电影中漫游，可以从全景图象到全景图象、从全景图象到对象电影、从对象电影到对象电影、从对象电影到全景图象等多种方式来漫游。

    2．QTVR的基本特征

    纵观QTVR技术，它有四个基本特征：从三维造型的原理上看，它是一种基于图像的三维建模与动态显示技术；从功能特点上看，它有视线切换、 推拉镜头、超媒体链接三个基本功能；从性能上看，它不需要昂贵的硬件设备就可以产生相当程度的VR体验。

    1) 造型特点

    三维复杂模型的实时建模与动态显示是飞行模拟、实时动态仿真及虚拟现实等技术的基础。目前，三维复杂模型的实时建模与动态显示技术可以分为两类。一是基于几何模型的实时建模与动态显示；二是基于图像的实时建模与动态显示，QTVR就是采用基于图像的三维建模与动态显示技术。

    基于几何模型的实时建模与动态显示是计算机图形学中的传统方法。首先，在计算机中建立起三维几何模型，一般均用多边形表示。在给定观察点和观察方向以后，使用计算机的硬件功能，实现消隐、光照及投影这一绘制的全过程，从而产生几何模型的图像。这种基于几何模型的建模与实时动态显示技术的主要优点是观察点和观察方向可以随意改变，不受限制。但是，它也有两个缺点：一是复杂模型的造型过程比较繁琐、工作量大；二是每一个观察点或观察方向都需要进行复杂模型或场景的绘制计算。因此，需要具有较强计算能力和图形功能的工作站，而这有时是办不到的。

    在这样的背景下，人们开始考虑可否避开繁琐的造型过程和复杂的绘制计算，而直接用图像来实现复杂环境的实时建模与动态显示。QTVR就是一种利用图像镶嵌方式来实现复杂环境的实时建模与动态显示的技术。

    在建造QTVR的三维场景时，选定某一观察点设置摄像机。每旋转一定的角度，便摄入一幅图像，并将其存储在计算机中。在此基础上实现图像的拼接，即将物体空间中同一点在相邻图像中对应的象素点对准。对拼接好的图像实行切割及压缩存储，形成全景图。用户从存储介质中调出全景图即可形成对三维复杂场景的漫游。这种三维空间，只能在所设定的观察点的位置上对三维场景进行漫游。如果要换一个观察点，必须再重新摄取一组图像构成全景图，当改变观察点进行漫游时，便会出现图像突变的情况，也就是三维空间切换不是很平滑。

    这种基于图像镶嵌方法的优点是可由摄像机获取三维场景，不需要进行几何造型，对计算机的计算能力要求不高，但需较大的存储空间，可实现实时建模与动态显示。其缺点也是显然的，即场景本身必须是静态的，而且在漫游时，观察点及观察方向受到了严格的限制，这是因为不可能做到对于任意的观察点都拍摄一组图像存放在计算机中。

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