安卓操作系统开发虚拟漫游系统

摘要

　　随着计算机图形、数字成像、计算机仿真、人工智能等技术的日益成熟，立体影像技术与虚拟现实技术迅速发展并深入至人们生活与工作的各个领域，而二者的结合也越来越紧密。同时由于移动信息技术及相关产业的飞速发展，个人移动终端已逐渐成为体验立体影像技术与虚拟现实技术的新兴平台。而面向移动终端利用诸如立体影像技术与虚拟现实技术等多种技术类型进行产品设计与开发的技术手段也可称为移动虚拟现实技术，目前移动虚拟现实技术已经成为一个跨平台、多学科、高热度的技术研究领域。

　　本文的研究选题是将立体影像技术与虚拟漫游技术相融合并使二者在安卓移动终端得以实现，这恰好符合移动虚拟现实技术的上述特点。本文详细分析了立体影像技术、虚拟漫游技术、移动虚拟现实技术的国内外研究现状、相关技术原理与技术类型，以理论知识为依据与实践开发相结合，设计并完成了“基于立体影像技术的虚拟漫游系统在安卓移动端的实现”的课题。在软件端利用 Cinema4D 三维可视化制作平台进行场景模型元素设计工作；利用 Unity3D 三维交互引擎进行虚拟漫游系统的场景建设与交互功能的实现；利用 Google Cardboard SDKfor Unity3D 软件开发包将立体影像技术引入虚拟漫游系统，使其拥有立体显示与头部跟踪功能。在硬件端将安卓移动设备与相应移动虚拟现实设备相匹配，同时加以蓝牙手柄辅助操控。软硬件相结合实现全方位、多角度、移动化、立体化、任意时间与空间的虚拟现实的真实效果，达到了预期的目的。

　　关键词：立体影像；虚拟漫游；安卓；Unity3D

Abstract

　　With the development of technologies such as Computer graphics, Digital imaging, Computer simulation, Artificial intelligence，Stereoscopic technology and Virtual reality has been developing into every corner of people’s life and working area in a great speed, and the combination of them has been becoming more and more tighter. Also because of the fast growth of mobile information technology and relative industries, personal mobile server has been becoming the new experimental platform of stereoscopic technology and virtual reality. Thus the product designing and developing method using technologies such as stereoscopic technology and virtual reality based on mobile platform is called mobile virtual reality. Mobile virtual reality has been becoming a multi-platform, multi-subject and highend technology research area.

　　This paper is mainly focused on the combination of stereoscopic technology and virtual reality based on Android platform, which perfectly fits the characteristics of mobile virtual reality as mentioned above. This paper did a very detailed analysis about the domestic and abroad research situation of stereoscopic technology, virtual reality and mobile virtual reality. With the knowing of technical concept and the combination of theoretical knowledge and practical operation, designing and completing “THE IMPLEMENTATION OF VIRTUALWALK THROUGH SYSTEM ON ANDROID PLATFORM BASED ON STEREOSCOPIC TECHNOLOGY”. On the software side, using cinema 4D as a designing tool of scene models. Completing virtual walk through system scene construction, interactive functions, stereo display and head track functions by unity3D platform google cardboard sdk for unity3D. On the hardware side, combing android device with mobile virtual reality device, assisted by Bluetooth joystick. With software and hardware cooperation, regardless of time and location factor, implementing a comprehensive and mobilized stereoscopic virtual reality experience.

　　Keywords: Stereoscopic Technology; Virtual Walk Through; Android; Unity3D

　　在科学技术飞速发展的今日，立体影像技术与虚拟现实技术在各个领域的应用已经相当广泛，极大丰富了人们生活、工作、学习、娱乐等方面的选择空间。而伴随着移动信息技术的日趋成熟与智能移动设备的大范围普及，立体影像技术与虚拟现实技术在移动终端的结合也越来越紧密。从1838年C Wheatstone发明第一台立体图片观赏器开始，立体影像技术已经发展了一百多年的时间[1]。近几年来，为了缓解人眼的视觉疲劳，立体影像技术在硬件设计与计算图像处理设计上都有一些进展[2]。

　　正常成年人的双目瞳距大约在5.0cm至7.0cm之间，这使得人们双眼看到的内容有着细微的差别，再通过视觉神经中枢的融合反射产生具有深度感，层次感的立体画面，这种现象称为双目视差原理。

　　分色技术将左右眼的图像分别以不同的颜色加以显示，观看者佩戴具有相应颜色滤光片的眼镜，分别提取左右眼画面从而看到立体影像。分色技术原理简单、成本最低。不过在实际应用中分色技术经常出现亮度低、失真、重影、串扰等现象，还易引起观看者视觉疲劳，因此随着其他立体影像技术的不断壮大而逐渐淡出了主流市场。

　　分光技术是利用偏光滤镜只允许指定方向光信息通过而达到立体显示的目的。其中投影仪系统是将两台配有不同方向偏振镜片的投影仪内的画面分别投射到屏幕上，观众也通过佩戴相应方向的偏振眼镜而接受方位的影像。2005 年，IReike 等人靠在投影仪前加上可旋转的偏振片实现了单投影系统，有效降低相关成本及图像校准的要求[3]。平板显示器系统[4]主要由台湾工研院完善，通过将显示区域多次划分并按照奇偶数不同来显示左右眼图像的方式实现影像的立体显示。分时技术是通过提高画面刷新率将图像按帧一分为二，形成对应左右眼的两组画面并进行高速切换，在人眼视觉暂留特性的参与下合成连续的画面。2012年，HK Hong 还针对分时技术中图像变形、串扰等不足提出了修改数据的方法[5]以增强其技术完整性。

　　光栅式立体影像技术是让显示器自动分辨左右眼图像并分别传送给相对应眼睛，其中又可细分为狭缝光栅立体影像技术和柱状透镜立体影像技术。狭缝光栅式立体影像技术利用光栅的遮挡作用，在显示屏表面设置栅栏状光学屏障来控制光线行进方向，以此将左右眼的视差图像分开。在理想的观察区域内，左右眼只会看到相应方位的影像因而产生立体感。柱状透镜式立体影像技术是在显示器表面设置垂直排列的圆柱状凸透镜薄膜，屏幕中左右眼画面以纵向方式交错排列。通过凸透镜控制光线行进方向，从而使对应的影像传递到观众左右眼当中。为解决单个或同种光栅同向叠加只能提供水平方向视差图的问题，王琼华等人提出了狭缝光栅和柱状透镜光栅叠加的方法[6]，使得两种不同光栅相互重叠，可以有效显示全视差图像。JY Son 等人也提出了叠加交叉透镜阵列的方式[7]，实现了较好的显示效果。

　　全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维信息的技术。近年来，数字全息技术愈发普及，其利用电荷耦合器（CCD）代替传统全息技术中的感光胶片，并以数字计算的方式再现立体图像。为了使得显示效果更为出众，HSHERIF 等人提出了利用空间角分复用技术[8]来解决全息影像技术分辨率方面的问题；D JOYEUX 等人提出利用光学设备进行滤波处理[9]以改善全息影像出现的斑点；Y Li[10]等人提出了多视角投影合成法来完善图像再现的过程；M PATURZO[11]等人提出了 RGB 分离法已解决色彩失真的问题。

　　随着数字计算机数据处理技术与数据存储能力的提高，体显示立体影像技术也在迅速发展。在国外，德国研制了 Felix3D 系统，美国 LightSpaceTechnologies 公司开发了 DepthCube 系统；在国内，中国科学院自动化研究所、北京理工大学、浙江大学、南京航空航天大学等也先后研制出了不同原理的体显示立体影像系统[12]。

　　Felix3D 系统[13]是一种典型的旋转扫描式立体显示系统，通过在高速旋转的显示器上投射激光亮点来营造空间像素，而多个空间像素相结合就可以构成一个立体物体。LightSpace Technologies 公司推出的 DepthCube 系统[14]是固态体积式立体显示系统。显示体由 20 个聚合物分散型液晶材料制成的液晶屏叠加而成，基于漫反射原理，通过在这 20 个屏上快速地切换显示三维物体的图像切片从而产生立体感。

　　虚拟漫游技术是虚拟现实技术的一个重要分支，而基于虚拟漫游技术设计与开发的虚拟漫游系统则包括一个或多个融合了逼真视觉、听觉、触觉等多感官信息的富体验虚拟场景，系统通过提供键盘、鼠标、电子头盔、数据手套等虚拟现实硬件设备使得用户能够与这些虚拟场景进行交互[15]。

　　基于几何建模的虚拟漫游技术是以计算机图形学为基础，利用几何建模技术完全构建出一个基于现实世界场景或完全假想的虚拟漫游场景。其中包括场景模型的构建、光照模型的创建、纹理贴图的绘制、元素材质的匹配、虚拟摄像机的建立、漫游路线的设定等多个技术环节。基于几何建模实现的虚拟漫游系统在场景大小、场景元素方位、交互属性等参数上均可以根据用户需求做相应反馈，交互性强。同时场景中的几何模型比较细腻，视觉效果更逼真。不过基于几何建模的虚拟漫游技术在场景构建过程中需要大量建立场景模型，过程相对复杂，工作量较大。而随着场景规模的扩大和复杂度的升高，流畅运行虚拟漫游程序所需要的计算量也会相应增大，这对于运行程序的硬件端性能要求也会逐步升高。当然，可以运用像 LOD（多层次细节）等技术手段为需要的场景元素生成不同的细节层次，以便在不同的显示参数下匹配不同的细节层次进行展示，从而大大减少漫游程序所需的计算量[16]。基于几何建模的虚拟漫游技术的重点是要在高品质图像表现力与流畅的人机交互功能之间寻找可靠的平衡点，既能保证满意的视觉效果，又可以拥有符合用户需求的交互体验。

　　虚拟漫游系统部分模块实现：

Unity3D 工程创建

工程结构

场景整体框架

添加环境元素

完成模型元素的组合

增加光照模型

天空材质

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 研究背景
　　　　　　1.1.1 立体影像技术概述
　　　　　　1.1.2 虚拟漫游技术概述
　　　　　　1.1.3 移动虚拟现实技术概述
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 立体影像技术国内外研究现状
　　　　　　1.2.2 虚拟漫游技术国内外研究现状
　　　　　　1.2.3 移动虚拟现实技术国内外研究现状
　　　　1.3 研究意义
　　　　1.4 研究内容
　　　　1.5 论文结构
　　第 2 章 立体式移动虚拟漫游系统的需求分析
　　　　2.1 系统需求概述
　　　　2.2 功能性需求分析
　　　　　　2.2.1 立体显示功能
　　　　　　2.2.2 头部跟踪功能
　　　　　　2.2.3 场景漫游功能
　　　　　　2.2.4 场景交互功能
　　　　2.3 非功能性需求分析
　　　　　　2.3.1 流畅度需求
　　　　　　2.3.2 体验舒适度需求
　　　　　　2.3.3 便携度需求
　　　　2.4 运行环境需求分析
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 立体式移动虚拟漫游系统的设计
　　　　3.1 立体式移动虚拟漫游系统的设计
　　　　　　3.1.1 立体式移动虚拟漫游系统的设计思路
　　　　　　3.1.2 立体式移动虚拟漫游系统的设计原则
　　　　3.2 设计平台的选择
　　　　3.3 立体式移动虚拟漫游系统的界面设计
　　　　3.4 立体式移动虚拟漫游系统的场景设计
　　　　　　3.4.1 模型构建规范
　　　　　　3.4.2 关键模型的设计
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 立体式移动虚拟漫游系统的实现
　　　　4.1 立体式移动虚拟漫游系统实现的关键技术
　　　　　　4.1.1 场景实现的关键技术
　　　　　　4.1.2 功能实现的关键技术
　　　　4.2 虚拟漫游场景的实现
　　　　　　4.2.1 新工程的建立
　　　　　　4.2.2 模型元素的导入
　　　　　　4.2.3 漫游场景的搭建
　　　　4.3 操作界面的实现
　　　　4.4 立体显示功能的实现
　　　　　　4.4.1 Cardboard SDK 软件开发包概述
　　　　　　4.4.2 立体摄像机组的建立
　　　　4.5 头部跟踪功能的实现
　　　　4.6 场景漫游功能的实现
　　　　　　4.6.1 移动功能的实现
　　　　　　4.6.2 碰撞检测功能的实现
　　　　4.7 场景交互功能的实现
　　　　　　4.7.1 交互区域的限定
　　　　　　4.7.2 注视事件的追踪
　　　　　　4.7.3 交互功能的实现
　　　　4.8 本章小结
　　第 5 章 立体式移动虚拟漫游系统的发布与测试
　　　　5.1 立体式移动虚拟漫游系统的发布
　　　　5.2 立体式移动虚拟漫游系统的测试
　　　　5.3 本章小结
　　结 论
　　参 考 文 献
　　致谢

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