一种虚拟透明化办公系统的设计方法与流程

本发明涉及计算机图形技术和虚拟现实技术，特别涉及一种虚拟透明化办公系统的设计方法。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术由计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、传感技术、人工智能、多媒体技术等学科综合而成，可生成视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的三维虚拟环境，使参与者获得感知行为上的逼真体验。增强虚境技术在基于图像的建模与绘制框架下利用基于图像的建模与绘制方法描述复杂对象及加速场景绘制，可以解决虚拟现实研究中逼真绘制与实时显示间的矛盾。

随着经济的快速发展，各种写字楼、研究机构、大型公司纷纷加强安保方面的监控，在办公场所普遍安装有摄像头等监控设施。然而，当巡检维护人员等使用者需要查看办公系统或办公平台时，仅可通过监控摄像头实时传来的图像。并且该多个画面通过不同的显示器独立显示，难以得到全面且三维立体感丰富的视觉效果和视觉体验。另外，也难以在监控画面中实现交互操作，获得较好的交互操作体验。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种虚拟透明化办公系统的设计方法，该虚拟透明化办公系统可给参与者带来逼真的三维视觉体验，并且可实现交互操作。

本发明提供一种虚拟透明化办公系统的设计方法，其包括如下步骤：

a通过计算机图形学以及三维建模方法对办公场所建立三维虚拟模型；

b通过全景相机采集全景影像信息，并获取实时和/或离线的动态纹理；

c将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述全景影像信息的动态纹理，得到透明化办公系统；

d建立用户与所述透明化办公系统之间的交互方式，并实现办公场所的远程管理。

步骤a为通过AutoCAD和SketchUp的三维建模技术对办公场所建立三维虚拟模型。

步骤a具体包括以下步骤：

(a1)对办公场所的CAD图纸进行简约化处理；

(a2)将处理后的CAD图纸导入SketchUp软件中，进行线段拟合以及画线成面；

(a3)进一步进行拼装和整合得到虚拟建筑物；

(a4)通过几何建模技术对所述虚拟建筑物进行立体化建模，并增加景物信息使所述虚拟建筑物真实化，最后得到三维虚拟模型。

步骤b具体包括以下步骤：

(b1)通过布局计算将多个全景相机分布至办公场所的各个不同的位置，使多个全景相机的采集区域之间重叠面积最小化；

(b2)标定该多个全景相机，并在多个全景相机中采用嵌入式模块以实现全景视频编码和网络服务；

(b3)对该多个全景相机采集的全景图像进行实时并行压缩和拼接得到实时和/或可回放的全景影像信息，获取实时和/或可回放的动态纹理。

步骤c具体包括以下步骤：

(c1)将所述三维虚拟模型中的墙体进行三角型网格划分，得到包括多个三角分块的三角型网格模型；

(c2)获取全景影像信息与所述三角型网格模型的映射关系；

(c3)利用所述映射关系将所述动态纹理与所述三角型网格模型的空间顶点进行实时对应，并通过帧缓冲对象使全景影像信息的动态纹理实时载入至三维虚拟模型，将所述三角型网格模型中的表面纹理替换为所述动态纹理以实现动态纹理贴图。

所述步骤(c1)具体为：采用自由网格划分方式对所述三维虚拟模型中的 墙体进行三角型网格划分。

所述步骤(c2)具体包括：

首先将全景影像信息与所述三维虚拟模型中的长方体线框结构的中心点进行重合；

然后将所述三角型网格模型中的每一三角分块与所述三维虚拟模型中的长方体线框结构的中心点相连，得到分布于每一球体半径面的三角分块影像的坐标信息；

再将分布于每一球体半径面的三角分块影像的坐标信息与对应的三角型网格模型中的三角分块坐标信息进行对比，获取全景影像信息与所述三角型网格模型的映射关系。

所述步骤(c3)具体为：先通过一激光测距仪获取真实办公场所的对应空间位置信息的深度数据；然后结合所述深度数据以及映射关系将所述动态纹理以立体投影的方式映射至所述三维虚拟模型的墙体；最后将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述动态纹理以实现动态纹理贴图。

步骤d中建立用户与所述透明化办公系统之间的交互方式具体为通过鼠标和/或键盘实现互动。

在步骤c之后步骤d之前还包括一在所述透明化办公系统中增加定位信息、办公场所介绍、语音提示、可供用户操控的场景切换列表以及可供管理者远程管理的实时通话模式的步骤。

相较于现有技术，本设计方法具有以下优点：第一，先通过计算机图形学以及三维建模方法(即AutoCAD和SketchUp的三维建模技术)对办公场所建立三维虚拟模型，然后通过帧缓冲对象使动态纹理实时载入至三维虚拟模型，并将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述动态纹理，得到透明化办公系统。即将物理世界的全景影像信息无缝增强到三维场景中，使真实世界的演化规律在虚拟世界中可以直观地表现，克服现有技术采集和显示来源多样而造成的空间匹配合成难题；第二，相比较于传统的办公场所管理技术，本设计方法通过增强虚境技术可以将动态的离散分布的全景影像信息进行深度融合以动态的方式呈现在办公系统的三维虚拟模型上，满足巡检维护人员的便携访问，为巡检维护人员等使用者带来跨区域的远程管理和漫游式的监控体验，同时也可为办公管理者提供了一种新型的沉浸式调度指挥模式。

附图说明

图1是本发明所述虚拟透明化办公系统的设计方法的流程图。

图2为本发明所述全景影像信息融入三维虚拟模型的示意图。

图3为本发明第一实施例所述透明化办公系统界面的示意图。

图4为本发明第一实施例所述透明化办公系统的办公区域界面的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种虚拟透明化办公系统的设计方法，其包括如下步骤：

a通过计算机图形学以及三维建模方法对办公场所建立三维虚拟模型；

b通过全景相机采集全景影像信息，并得到实时和/或离线的动态纹理；

c将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述全景影像信息的动态纹理，得到透明化办公系统；

d建立用户与所述透明化办公系统之间的交互方式，并实现办公场所的远程管理。

在步骤a中，通过计算机图形学以及三维建模方法建立三维虚拟模型，来对真实的办公环境进行快速精确建模，为后续的增强虚境做精确的定位支持。所述三维建模方法为基于AutoCAD和SketchUp的三维建模技术。该三维建模方法可以通过用户交互设置和输入数值，很好地控制几何精度，其建模过程能够充分的表达设计师的思想，而且拥有画线成面，挤压成型的简单操作流程。运用SketchUp的建模技术将现实世界的真实办公楼层(现实物体对象的集合)转变为计算机中的虚拟世界的三维办公楼层的过程。具体包括以下步骤：

(a1)对办公场所的CAD图纸进行简约化处理；

(a2)将处理后的CAD图纸导入SketchUp软件中，进行线段拟合以及画 线成面；

(a3)进一步进行拼装和整合得到虚拟建筑物；

(a4)通过几何建模技术对所述虚拟建筑物进行立体化建模，并增加景物信息使所述虚拟建筑物真实化，最后得到三维虚拟模型。

在步骤(a1)中，对办公场所的CAD图纸进行处理，删除大量建模时不用的信息，尽量将模型控制在简单状态，方面模型的后续更改。

在步骤(a2)中，将处理后的CAD图纸导入SketchUp软件的过程中，由于导入的数据会存在标高不一致，可能出现立体线，层面不一致等情况，导致出现断线。为了解决此断线问题，本方法针对小规模建筑区域，可采用SketchUp中的Line工具将线段进行拟合；针对大规模区域，可结合CAD中图形信息，将闭合的多段线分层，分类批量直接构成面域。

在步骤(a3)中，待各部分初步建模完成，再对各部分进行拼装，把这几个部分整合起来，组成虚拟建筑物。通过线框化建模得到的该虚拟建筑物具有真实办公楼的简单框架模型。

在步骤(a4)中，在虚拟建筑物中，一般由多边形造型来表现三维物体，同时在处理上可采用多边形顶点的信息进行描述和存储。可通过几何建模技术对虚拟建筑物进行立体化建模，同时还可增加虚拟建筑物中的景物信息，以产生更加逼真的效果。另外，还可对阴影、透视角度、明暗关系等常规效果进行设置及调试，使三维虚拟模型更加真实化。

步骤b具体包括以下步骤：

(b1)通过布局计算将多个全景相机分布至办公场所的各个不同的位置，使多个全景相机的采集区域之间重叠面积最小化；

(b2)标定该多个全景相机，并在多个全景相机中采用嵌入式模块以实现全景视频编码和网络服务；

(b3)对该多个全景相机采集的全景图像进行实时并行压缩和拼接得到实时和/或可回放的全景影像信息以及动态纹理，获取实时和/或可回放的动态纹理。

在步骤(b1)中，可在真实世界的办公场所中走廊、办公房间、电梯口等多处安置拼接式的全景摄像机，保证一定区域范围内安置一个全景摄像机，使每个角落都能被覆盖。

在步骤(b3)中，该全景摄像机通过标定可在采集或回放时将采集到的全景图像进行实时拼接合成，得到连续实时的全景视频。该方式可保证后续工作量小，适合实现大范围无死角的全景监控。

在步骤c中，通过大范围三维场景的增强虚拟环境技术将全景影像信息的动态纹理实现无缝增强到三维虚拟模型中。增强虚拟环境(Augmented Virtual Environment，AVE)作为虚拟现实领域的一个重要分支，能够实现三维模型与动态图像的融合。增强虚拟环境技术主要包括场景的重建、传感器的跟踪、实时视频图像的获取、动态纹理投影等。本方法对于物理世界图像的三维场景动态演化的虚实融合，主要研究全景影像信息与三维虚拟模型的映射关系和视频动态贴图。请参阅图2，具体为：

(c1)将所述三维虚拟模型中的墙体进行三角型网格划分，得到包括多个三角分块的三角型网格模型；

(c2)获取全景影像信息与所述三角型网格模型的映射关系；

(c3)利用所述映射关系将所述动态纹理与所述三角型网格模型的空间顶点进行实时对应，并通过帧缓冲对象使全景影像信息的动态纹理实时载入至三维虚拟模型，将所述三角型网格模型中的表面纹理替换为所述动态纹理以实现动态纹理贴图。

步骤(c1)具体为：采用自由网格划分方式对所述三维虚拟模型中的墙体进行三角型网格划分。即，将三维虚拟模型投影重采样，得成一个规则的网格模型，然后对网格模型进行空洞修补和曲面细分，最终得到三维网格模型。采用自由网格划分方式在网格模型的面上(包括平面和曲面)自动生成三角形网格，完成对三维虚拟模型中的墙体的三角划分。

步骤(c2)具体包括：首先将全景影像信息与所述三维虚拟模型中的长方体线框结构的中心点进行重合；然后将所述三角型网格模型中的每一三角分块与所述三维虚拟模型中的长方体线框结构的中心点相连，得到分布于每一球体半径面的三角分块影像的坐标信息；再将分布于每一球体半径面的三角分块影像的坐标信息与对应的三角型网格模型中的三角分块坐标信息进行对比，获取全景影像信息与所述三角型网格模型的映射关系。

在步骤(c3)中，具体为：先通过一激光测距仪获取真实办公场所的对应空间位置信息的的深度数据；

然后结合所述深度数据以及映射关系将所述动态纹理以立体投影的方式映射至所述三维虚拟模型的墙体；

最后通过帧缓冲对象使全景影像信息的动态纹理实时载入至三维虚拟模型，将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述动态纹理以实现动态纹理贴图。

由于在三维场景中观察视点的任意性，运动的物体(如人)的模型可能存在被遮挡和变形的情形，因而若对静态场景进行简单的图像投影，难以正确的表达场景里存在的运动。因此为了更好地进行视频动态贴图，将激光测距仪和全景影像信息联合起来，将深度数据和彩色数据同时进行融合，得到具有纹理的模型。

通过映射一个动态纹理到物体上，就像将幻灯片投影到墙上一样，将动态纹理与空间顶点进行实时对应，因此可以得到良好的实时融合效，而且可以有效的避免纹理扭曲的现象。即使用动态纹理贴图的方式可实现视频融合的效果。

采用帧缓冲对象，一方面使全景影像信息的动态纹理以较快的速度实时载入至三维虚拟模型，另一方面，根据深度数据指导的网格裁剪的方法离线生成的投射网格，从而代替原有模型的表面纹理，省去了投影纹理映射的纹理坐标计算工作，提高具有真实纹理的场景渲染效率，同时避免了边界锯齿问题。

步骤d中建立用户与所述透明化办公系统之间的交互方式具体为通过鼠标和/或键盘实现互动。具体如下：

(1)鼠标交互：利用具有统一操作规范和标准的鼠标操作规则，通过使用鼠标的左键，右键进行单击和/或双击以及鼠标滑动和滑轮转动等手段来实现虚拟办公系统中设计的不同功能。通过上述不同的点击方式以及滑轮滑动方向，不仅可实现平台的基本操作，而且还能够与全景影像信息进行多种形式的互动，实现场景视角切换，场景切换等功能。

(2)键盘交互：利用特定的键盘按键规则，通过手指按动键盘上的特定按键，可以实现透明化办公系统中办公楼层的快速切换，使当前的建模楼层进行平滑过渡显示，同一楼层中的不同房间场景也能快速切换。

在步骤c之后步骤d之前还包括一在所述透明化办公系统中增加定位信息、办公场所介绍、语音提示、可供用户操控的场景切换列表以及可供管理者远程管理的实时通话模式的步骤。

相较于现有技术，本设计方法具有以下优点：第一，先通过计算机图形学以及三维建模方法(即AutoCAD和SketchUp的三维建模技术)对办公场所建立三维虚拟模型，然后通过帧缓冲对象使动态纹理实时载入至三维虚拟模型，并将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述动态纹理，得到透明化办公系统。即将物理世界的全景影像信息无缝增强到三维场景中，使真实世界的演化规律在虚拟世界中可以直观地表现，克服现有技术采集和显示来源多样而造成的空间匹配合成难题；第二，相比较于传统的办公场所管理技术，本设计方法通过增强虚境技术可以将动态的离散分布的全景影像信息进行深度融合以动态的方式呈现在办公系统的三维虚拟模型上，满足巡检维护人员的便携访问，为巡检维护人员等使用者带来跨区域的远程管理和漫游式的监控体验，同时也可为办公管理者提供了一种新型的沉浸式调度指挥模式。

下面结合具体实施例对本发明的虚拟透明化办公系统的设计方法进行说明：

实施例

所述虚拟透明化办公系统的设计方法为获得办公场所实时的办公场景而设计，具体以某一研究所办公楼为例。该设计方法包括如下步骤：

a通过计算机图形学以及三维建模方法对办公楼的每一楼层建立三维虚拟模型；

b通过大范围分布的固定式全景摄像机采集办公楼的各楼层中的全景影像信息，并得到实时和/或离线的动态纹理；

c将所述三维虚拟模型中的表面纹理替换为所述全景影像信息的动态纹理，得到透明化办公系统；

d在所述透明化办公系统中添加办公场景介绍信息；

e建立用户与所述透明化办公系统之间的交互方式，实现远程办公管理。

在步骤a中，对研究所的整栋办公楼的每一楼层进行三维快速建模，精确到每一办公房间以及走廊和电梯口。

在步骤b中，在研究所的办公楼的每一办公房间，以及走廊和电梯口成立全景摄像机的录制点，安装所述拼接式全景摄像机来拍摄所述全景影像信息，提供大范围分布的固定式的全景影像信息来源。

步骤c具体为：将全景相机获取的全景影像信息通过增强虚境技术、投影、以及动态纹理贴图方式在三维虚拟模型中进行准确投影。每一墙面融入带有深度信息的图像信息，展现逼真的3D效果。

在步骤d中，对融合全景影像信息的透明化办公系统中进一步增添其他丰富的数据信息(如办公场景介绍，语音解说，办公人员信息列表等)，以实现虚拟办公楼层解说的作用。

步骤e具体为：将透明化办公场所通过鼠标及键盘等手段来实现用户与系统的人工交互。

用户打开透明化办公系统后展现如图3所示透明化办公系统界面。通过鼠标滑轮的顺时针和逆时针的转动来实现当前模型的放大和所小；通过长按鼠标左键同时移动鼠标来实现场景的旋转和切换，通过双击鼠标来切入当前鼠标焦点所在的办公区域。

在进入某一办公区域后，当前场景展现如图4所示的办公区域的界面图，通过点击鼠标右键可显示一系列图标，供用户点击了解当前的办公场景不同的数据信息(如当前办公场景的文字介绍，办公内容的语音解说，办公人员的信息列表)，同时提供实时通话模式与当前办公区域的负责人进行在线交流。用户再次点击鼠标右键可隐藏附加内容的图标，以便用户无阻碍的观察当前办公区域的情况。

用户可以通过键盘操作对如图3所示的透明化办公系统界面进行更近一步的功能体验。如在右上角的楼层号中输入对应的楼层号，可以切换当前显示的楼层模型，在办公区域号中输入对应的办公区域号，可以切入所需展现的办公区域，方便指挥调度该区域人员的工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。