3．5．4 準(zhǔn)三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景匹配方法

對(duì)于虛擬教學(xué)場(chǎng)景是三維模型的情況，需要設(shè)計(jì)三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景匹配方法。三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景與二維場(chǎng)景不同，二維教學(xué)場(chǎng)景只是一個(gè)平面圖形，沒(méi)有深度信息，而三維虛擬場(chǎng)景中的景物具有深度信息，即具有Z方向的信息，具有一定的縱深感，更加能反映人眼看到真實(shí)物體的感受。支持前后景進(jìn)行帶深度信息的圖像融合系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生更加逼真的虛擬場(chǎng)景效果，可以稱為真三維虛擬融合系統(tǒng)。但由于計(jì)算量大，硬件要求高，真三維系統(tǒng)配置復(fù)雜，顯然對(duì)于教育數(shù)字媒體內(nèi)容來(lái)說(shuō)制作成本過(guò)高。因此，可以采用準(zhǔn)三維虛擬融合技術(shù)，即提供物體的部分遮擋功能，以模擬教師進(jìn)入虛擬教學(xué)場(chǎng)景的效果，但缺點(diǎn)是遮擋物體只能事先指定，無(wú)法實(shí)時(shí)生成，因此只能稱為準(zhǔn)三維系統(tǒng)。

教育數(shù)字媒體內(nèi)容制作系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了準(zhǔn)三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景匹配算法，仍然采用同時(shí)控制攝像機(jī)與虛擬背景的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)背景與前景的匹配，三維場(chǎng)景的匹配需要根據(jù)三維建模和渲染軟件的特點(diǎn)進(jìn)行三維虛擬場(chǎng)景的控制。

1．三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景渲染和控制

三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景渲染和控制可以采用三維渲染軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如前所述，在教育數(shù)字媒體內(nèi)容制作系統(tǒng)可以采用Multigen Vega或Vega Prime軟件來(lái)顯示和控制三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景模型。但Vega在虛擬場(chǎng)景切換中存在內(nèi)存泄漏問(wèn)題，即使關(guān)閉了Vega線程，也無(wú)法再次打開(kāi)場(chǎng)景，所以基于Vega的場(chǎng)景切換需要多個(gè)Vega程序同時(shí)運(yùn)行，并且相互間進(jìn)行進(jìn)程通信，以實(shí)現(xiàn)正常的場(chǎng)景切換。

常用進(jìn)程間通信包括文件映射、消息隊(duì)列和管道、INI文件通信等。其中INI文件（initialization file，又稱為初始化文件）是用來(lái)保存應(yīng)用程序設(shè)置和選項(xiàng)的一種特殊的ASCII文件，以“．ini”作為文件擴(kuò)展名。INI文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易掌握。因此，在準(zhǔn)三維虛擬場(chǎng)景匹配中可采用INI文件通信方式實(shí)現(xiàn)Vega場(chǎng)景控制進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)通信。

2．準(zhǔn)三維虛擬場(chǎng)景匹配算法

1）三維虛擬場(chǎng)景初始視點(diǎn)調(diào)整

三維虛擬場(chǎng)景與實(shí)際拍攝場(chǎng)景相比，可能存在著視點(diǎn)位置不對(duì)、場(chǎng)景大小不合適的問(wèn)題，因此，需要進(jìn)行相應(yīng)初始視點(diǎn)的調(diào)整。可以采用平移變換，例如，三維場(chǎng)景中點(diǎn)P（x，y，z）平移到P′（x′，y′，z′）的變換公式為：

其中，參數(shù)t_x、t_y、t_z用于指定x、y、z坐標(biāo)方向的平移量。

2）準(zhǔn)三維虛擬匹配下的虛擬背景運(yùn)動(dòng)控制

準(zhǔn)三維虛擬融合系統(tǒng)的特點(diǎn)之一就是攝像機(jī)的位置是固定不變的，所以對(duì)應(yīng)的虛擬攝影機(jī)的位置也是固定不變的。因此，準(zhǔn)三維虛擬場(chǎng)景的匹配主要是保證真實(shí)攝像機(jī)的搖移、俯仰及變焦時(shí)的真實(shí)視覺(jué)效果。因此，三維虛擬場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)的視點(diǎn)也是保持不變的，也就是視點(diǎn)不變的左右、上下旋轉(zhuǎn)及場(chǎng)景的縮放，可以利用常用的數(shù)學(xué)變換公式得到虛擬攝像機(jī)的位置。

當(dāng)攝像機(jī)作左右的搖移運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的三維旋轉(zhuǎn)變化為繞z軸的旋轉(zhuǎn)，可得出P（x，y，z）旋轉(zhuǎn)到P′（x′，y′，z′）的坐標(biāo)值：

當(dāng)攝像機(jī)作上下的俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的三維旋轉(zhuǎn)變化為繞x軸的旋轉(zhuǎn)，則可得到P（x，y，z）旋轉(zhuǎn)到P′（x′，y′，z′）的坐標(biāo)值：其中，旋轉(zhuǎn)角θ可由真實(shí)攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)攝像機(jī)成像的透視關(guān)系推導(dǎo)而來(lái)。

當(dāng)攝像機(jī)的焦距改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景也要進(jìn)行放大或縮小，可以得出變換公式：

其中，縮放參數(shù)s_x、s_y和s_z由攝像機(jī)的變焦速度得到。

3．準(zhǔn)三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景匹配模塊實(shí)現(xiàn)

準(zhǔn)三維虛擬教學(xué)場(chǎng)景匹配模塊部分界面如圖3－30所示。

圖3－30 準(zhǔn)三維場(chǎng)景匹配模塊部分界面

1）獲取INI文件路徑及三維場(chǎng)景初始參數(shù)

獲取作為進(jìn)程通信媒介的INI文件的路徑，并由此路徑讀入相應(yīng)三維場(chǎng)景的參數(shù)，其基本代碼實(shí)現(xiàn)如下。

GetModuleFileName（NULL，appPath，256）；//獲取產(chǎn)生此進(jìn)程的應(yīng)用程序的路徑

FilePath＝（CString）appPath；

int position＝FilePath．ReverseFind（＇＼＼＇）；

FilePath＝FilePath．Left（position＋1）；

FilePath＋＝ININame；

GetPrivateProfileString（"Vega"，"Name"，"town．a(chǎn)df"，s，20，F(xiàn)ilePath）；

2）計(jì)算和設(shè)置虛擬三維場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)參數(shù)

計(jì)算場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)速度，設(shè)置三維場(chǎng)景相應(yīng)的參數(shù)，可分為平移和旋轉(zhuǎn)兩種，其基本代碼實(shí)現(xiàn)如下。

rolept＝GetPrivateProfileInt（"Move"，"RolePT"，1，F(xiàn)ilePath）；

speed2match（）；

if（rolept＝＝1）

p＋＝vpt；

else if（rolept＝＝2）

z＋＝vpt；

3）設(shè)置INI文件參數(shù)

在主程序中，與Vega進(jìn)行進(jìn)程通信的部分代碼如下。

WritePrivateProfileString（"Move"，"IfMove"，"1"，User．pathv）；//將3D模型顯示的相關(guān)參數(shù)寫入INI文件

WritePrivateProfileString（"Move"，"Direction"，"1"，User．pathv）；

WritePrivateProfileString（"Move"，"IfMove"，"0"，User．pathv）；

程序運(yùn)行過(guò)程中的INI文件如圖3－31所示。

圖3－31 INI文件

此INI文件共有兩個(gè)字段———Vega和Move，在這兩個(gè)字段下又分別有多個(gè)變量，INI文件的讀寫就是分別給這些字段下的變量賦值及從這些變量中讀入值，進(jìn)行計(jì)算、分析、控制。

4）驅(qū)動(dòng)虛擬三維場(chǎng)景

準(zhǔn)三維虛擬場(chǎng)景匹配程序設(shè)置好INI文件參數(shù)（包含場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)參數(shù)）后，Vega場(chǎng)景控制程序就讀取此INI文件，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)將三維場(chǎng)景顯示在新的位置上。

4．場(chǎng)景匹配效果分析

圖3－32為三維場(chǎng)景與前景人物的匹配效果圖，其中（a）、（b）、（c）分別為原始圖像、右移圖像和放大圖像。圖中人物與講桌為實(shí)物，其余為虛擬三維場(chǎng)景。當(dāng)攝像機(jī)

圖3－32 準(zhǔn)三維匹配效果

向右搖移時(shí)，實(shí)景到了攝像機(jī)輸出圖像的左邊，虛擬三維場(chǎng)景中的物體也發(fā)生相應(yīng)的變化，例如左邊屏風(fēng)逐漸移出，右邊茶幾逐漸移入。在圖3－32（c）攝像機(jī)拍攝圖像放大情況下，虛擬三維場(chǎng)景也有相應(yīng)的放大效果。