本發(fā)明涉及計算機圖形技術和虛擬現(xiàn)實技術，特別涉及一種虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法。

背景技術：

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術由計算機圖形學、計算機仿真技術、人機交互技術、傳感技術、人工智能、多媒體技術等學科綜合而成，可生成視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的三維虛擬環(huán)境，使參與者獲得感知行為上的逼真體驗。增強虛境技術在基于圖像的建模與繪制框架下利用基于圖像的建模與繪制方法描述復雜對象及加速場景繪制，可以解決虛擬現(xiàn)實研究中逼真繪制與實時顯示間的矛盾。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種寫字樓、研究機構、大型公司紛紛加強安保方面的監(jiān)控，在辦公場所普遍安裝有攝像頭等監(jiān)控設施。然而，當巡檢維護人員等使用者需要查看辦公系統(tǒng)或辦公平臺時，僅可通過監(jiān)控攝像頭實時傳來的圖像。并且該多個畫面通過不同的顯示器獨立顯示，難以得到全面且三維立體感豐富的視覺效果和視覺體驗。另外，也難以在監(jiān)控畫面中實現(xiàn)交互操作，獲得較好的交互操作體驗。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法，該虛擬透明化辦公系統(tǒng)可給參與者帶來逼真的三維視覺體驗，并且可實現(xiàn)交互操作。

本發(fā)明提供一種虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法，其包括如下步驟：

a通過計算機圖形學以及三維建模方法對辦公場所建立三維虛擬模型；

b通過全景相機采集全景影像信息，并獲取實時和/或離線的動態(tài)紋理；

c將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述全景影像信息的動態(tài)紋理，得到透明化辦公系統(tǒng)；

d建立用戶與所述透明化辦公系統(tǒng)之間的交互方式，并實現(xiàn)辦公場所的遠程管理。

步驟a為通過AutoCAD和SketchUp的三維建模技術對辦公場所建立三維虛擬模型。

步驟a具體包括以下步驟：

(a1)對辦公場所的CAD圖紙進行簡約化處理；

(a2)將處理后的CAD圖紙導入SketchUp軟件中，進行線段擬合以及畫線成面；

(a3)進一步進行拼裝和整合得到虛擬建筑物；

(a4)通過幾何建模技術對所述虛擬建筑物進行立體化建模，并增加景物信息使所述虛擬建筑物真實化，最后得到三維虛擬模型。

步驟b具體包括以下步驟：

(b1)通過布局計算將多個全景相機分布至辦公場所的各個不同的位置，使多個全景相機的采集區(qū)域之間重疊面積最小化；

(b2)標定該多個全景相機，并在多個全景相機中采用嵌入式模塊以實現(xiàn)全景視頻編碼和網(wǎng)絡服務；

(b3)對該多個全景相機采集的全景圖像進行實時并行壓縮和拼接得到實時和/或可回放的全景影像信息，獲取實時和/或可回放的動態(tài)紋理。

步驟c具體包括以下步驟：

(c1)將所述三維虛擬模型中的墻體進行三角型網(wǎng)格劃分，得到包括多個三角分塊的三角型網(wǎng)格模型；

(c2)獲取全景影像信息與所述三角型網(wǎng)格模型的映射關系；

(c3)利用所述映射關系將所述動態(tài)紋理與所述三角型網(wǎng)格模型的空間頂點進行實時對應，并通過幀緩沖對象使全景影像信息的動態(tài)紋理實時載入至三維虛擬模型，將所述三角型網(wǎng)格模型中的表面紋理替換為所述動態(tài)紋理以實現(xiàn)動態(tài)紋理貼圖。

所述步驟(c1)具體為：采用自由網(wǎng)格劃分方式對所述三維虛擬模型中的 墻體進行三角型網(wǎng)格劃分。

所述步驟(c2)具體包括：

首先將全景影像信息與所述三維虛擬模型中的長方體線框結構的中心點進行重合；

然后將所述三角型網(wǎng)格模型中的每一三角分塊與所述三維虛擬模型中的長方體線框結構的中心點相連，得到分布于每一球體半徑面的三角分塊影像的坐標信息；

再將分布于每一球體半徑面的三角分塊影像的坐標信息與對應的三角型網(wǎng)格模型中的三角分塊坐標信息進行對比，獲取全景影像信息與所述三角型網(wǎng)格模型的映射關系。

所述步驟(c3)具體為：先通過一激光測距儀獲取真實辦公場所的對應空間位置信息的深度數(shù)據(jù)；然后結合所述深度數(shù)據(jù)以及映射關系將所述動態(tài)紋理以立體投影的方式映射至所述三維虛擬模型的墻體；最后將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述動態(tài)紋理以實現(xiàn)動態(tài)紋理貼圖。

步驟d中建立用戶與所述透明化辦公系統(tǒng)之間的交互方式具體為通過鼠標和/或鍵盤實現(xiàn)互動。

在步驟c之后步驟d之前還包括一在所述透明化辦公系統(tǒng)中增加定位信息、辦公場所介紹、語音提示、可供用戶操控的場景切換列表以及可供管理者遠程管理的實時通話模式的步驟。

相較于現(xiàn)有技術，本設計方法具有以下優(yōu)點：第一，先通過計算機圖形學以及三維建模方法(即AutoCAD和SketchUp的三維建模技術)對辦公場所建立三維虛擬模型，然后通過幀緩沖對象使動態(tài)紋理實時載入至三維虛擬模型，并將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述動態(tài)紋理，得到透明化辦公系統(tǒng)。即將物理世界的全景影像信息無縫增強到三維場景中，使真實世界的演化規(guī)律在虛擬世界中可以直觀地表現(xiàn)，克服現(xiàn)有技術采集和顯示來源多樣而造成的空間匹配合成難題；第二，相比較于傳統(tǒng)的辦公場所管理技術，本設計方法通過增強虛境技術可以將動態(tài)的離散分布的全景影像信息進行深度融合以動態(tài)的方式呈現(xiàn)在辦公系統(tǒng)的三維虛擬模型上，滿足巡檢維護人員的便攜訪問，為巡檢維護人員等使用者帶來跨區(qū)域的遠程管理和漫游式的監(jiān)控體驗，同時也可為辦公管理者提供了一種新型的沉浸式調度指揮模式。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明所述全景影像信息融入三維虛擬模型的示意圖。

圖3為本發(fā)明第一實施例所述透明化辦公系統(tǒng)界面的示意圖。

圖4為本發(fā)明第一實施例所述透明化辦公系統(tǒng)的辦公區(qū)域界面的示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施方式中的附圖，對本發(fā)明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本發(fā)明一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒景l(fā)明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1，本發(fā)明提供了一種虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法，其包括如下步驟：

a通過計算機圖形學以及三維建模方法對辦公場所建立三維虛擬模型；

b通過全景相機采集全景影像信息，并得到實時和/或離線的動態(tài)紋理；

c將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述全景影像信息的動態(tài)紋理，得到透明化辦公系統(tǒng)；

d建立用戶與所述透明化辦公系統(tǒng)之間的交互方式，并實現(xiàn)辦公場所的遠程管理。

在步驟a中，通過計算機圖形學以及三維建模方法建立三維虛擬模型，來對真實的辦公環(huán)境進行快速精確建模，為后續(xù)的增強虛境做精確的定位支持。所述三維建模方法為基于AutoCAD和SketchUp的三維建模技術。該三維建模方法可以通過用戶交互設置和輸入數(shù)值，很好地控制幾何精度，其建模過程能夠充分的表達設計師的思想，而且擁有畫線成面，擠壓成型的簡單操作流程。運用SketchUp的建模技術將現(xiàn)實世界的真實辦公樓層(現(xiàn)實物體對象的集合)轉變?yōu)橛嬎銠C中的虛擬世界的三維辦公樓層的過程。具體包括以下步驟：

(a1)對辦公場所的CAD圖紙進行簡約化處理；

(a2)將處理后的CAD圖紙導入SketchUp軟件中，進行線段擬合以及畫 線成面；

(a3)進一步進行拼裝和整合得到虛擬建筑物；

(a4)通過幾何建模技術對所述虛擬建筑物進行立體化建模，并增加景物信息使所述虛擬建筑物真實化，最后得到三維虛擬模型。

在步驟(a1)中，對辦公場所的CAD圖紙進行處理，刪除大量建模時不用的信息，盡量將模型控制在簡單狀態(tài)，方面模型的后續(xù)更改。

在步驟(a2)中，將處理后的CAD圖紙導入SketchUp軟件的過程中，由于導入的數(shù)據(jù)會存在標高不一致，可能出現(xiàn)立體線，層面不一致等情況，導致出現(xiàn)斷線。為了解決此斷線問題，本方法針對小規(guī)模建筑區(qū)域，可采用SketchUp中的Line工具將線段進行擬合；針對大規(guī)模區(qū)域，可結合CAD中圖形信息，將閉合的多段線分層，分類批量直接構成面域。

在步驟(a3)中，待各部分初步建模完成，再對各部分進行拼裝，把這幾個部分整合起來，組成虛擬建筑物。通過線框化建模得到的該虛擬建筑物具有真實辦公樓的簡單框架模型。

在步驟(a4)中，在虛擬建筑物中，一般由多邊形造型來表現(xiàn)三維物體，同時在處理上可采用多邊形頂點的信息進行描述和存儲?？赏ㄟ^幾何建模技術對虛擬建筑物進行立體化建模，同時還可增加虛擬建筑物中的景物信息，以產生更加逼真的效果。另外，還可對陰影、透視角度、明暗關系等常規(guī)效果進行設置及調試，使三維虛擬模型更加真實化。

步驟b具體包括以下步驟：

(b1)通過布局計算將多個全景相機分布至辦公場所的各個不同的位置，使多個全景相機的采集區(qū)域之間重疊面積最小化；

(b2)標定該多個全景相機，并在多個全景相機中采用嵌入式模塊以實現(xiàn)全景視頻編碼和網(wǎng)絡服務；

(b3)對該多個全景相機采集的全景圖像進行實時并行壓縮和拼接得到實時和/或可回放的全景影像信息以及動態(tài)紋理，獲取實時和/或可回放的動態(tài)紋理。

在步驟(b1)中，可在真實世界的辦公場所中走廊、辦公房間、電梯口等多處安置拼接式的全景攝像機，保證一定區(qū)域范圍內安置一個全景攝像機，使每個角落都能被覆蓋。

在步驟(b3)中，該全景攝像機通過標定可在采集或回放時將采集到的全景圖像進行實時拼接合成，得到連續(xù)實時的全景視頻。該方式可保證后續(xù)工作量小，適合實現(xiàn)大范圍無死角的全景監(jiān)控。

在步驟c中，通過大范圍三維場景的增強虛擬環(huán)境技術將全景影像信息的動態(tài)紋理實現(xiàn)無縫增強到三維虛擬模型中。增強虛擬環(huán)境(Augmented Virtual Environment，AVE)作為虛擬現(xiàn)實領域的一個重要分支，能夠實現(xiàn)三維模型與動態(tài)圖像的融合。增強虛擬環(huán)境技術主要包括場景的重建、傳感器的跟蹤、實時視頻圖像的獲取、動態(tài)紋理投影等。本方法對于物理世界圖像的三維場景動態(tài)演化的虛實融合，主要研究全景影像信息與三維虛擬模型的映射關系和視頻動態(tài)貼圖。請參閱圖2，具體為：

(c1)將所述三維虛擬模型中的墻體進行三角型網(wǎng)格劃分，得到包括多個三角分塊的三角型網(wǎng)格模型；

(c2)獲取全景影像信息與所述三角型網(wǎng)格模型的映射關系；

(c3)利用所述映射關系將所述動態(tài)紋理與所述三角型網(wǎng)格模型的空間頂點進行實時對應，并通過幀緩沖對象使全景影像信息的動態(tài)紋理實時載入至三維虛擬模型，將所述三角型網(wǎng)格模型中的表面紋理替換為所述動態(tài)紋理以實現(xiàn)動態(tài)紋理貼圖。

步驟(c1)具體為：采用自由網(wǎng)格劃分方式對所述三維虛擬模型中的墻體進行三角型網(wǎng)格劃分。即，將三維虛擬模型投影重采樣，得成一個規(guī)則的網(wǎng)格模型，然后對網(wǎng)格模型進行空洞修補和曲面細分，最終得到三維網(wǎng)格模型。采用自由網(wǎng)格劃分方式在網(wǎng)格模型的面上(包括平面和曲面)自動生成三角形網(wǎng)格，完成對三維虛擬模型中的墻體的三角劃分。

步驟(c2)具體包括：首先將全景影像信息與所述三維虛擬模型中的長方體線框結構的中心點進行重合；然后將所述三角型網(wǎng)格模型中的每一三角分塊與所述三維虛擬模型中的長方體線框結構的中心點相連，得到分布于每一球體半徑面的三角分塊影像的坐標信息；再將分布于每一球體半徑面的三角分塊影像的坐標信息與對應的三角型網(wǎng)格模型中的三角分塊坐標信息進行對比，獲取全景影像信息與所述三角型網(wǎng)格模型的映射關系。

在步驟(c3)中，具體為：先通過一激光測距儀獲取真實辦公場所的對應空間位置信息的的深度數(shù)據(jù)；

然后結合所述深度數(shù)據(jù)以及映射關系將所述動態(tài)紋理以立體投影的方式映射至所述三維虛擬模型的墻體；

最后通過幀緩沖對象使全景影像信息的動態(tài)紋理實時載入至三維虛擬模型，將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述動態(tài)紋理以實現(xiàn)動態(tài)紋理貼圖。

由于在三維場景中觀察視點的任意性，運動的物體(如人)的模型可能存在被遮擋和變形的情形，因而若對靜態(tài)場景進行簡單的圖像投影，難以正確的表達場景里存在的運動。因此為了更好地進行視頻動態(tài)貼圖，將激光測距儀和全景影像信息聯(lián)合起來，將深度數(shù)據(jù)和彩色數(shù)據(jù)同時進行融合，得到具有紋理的模型。

通過映射一個動態(tài)紋理到物體上，就像將幻燈片投影到墻上一樣，將動態(tài)紋理與空間頂點進行實時對應，因此可以得到良好的實時融合效，而且可以有效的避免紋理扭曲的現(xiàn)象。即使用動態(tài)紋理貼圖的方式可實現(xiàn)視頻融合的效果。

采用幀緩沖對象，一方面使全景影像信息的動態(tài)紋理以較快的速度實時載入至三維虛擬模型，另一方面，根據(jù)深度數(shù)據(jù)指導的網(wǎng)格裁剪的方法離線生成的投射網(wǎng)格，從而代替原有模型的表面紋理，省去了投影紋理映射的紋理坐標計算工作，提高具有真實紋理的場景渲染效率，同時避免了邊界鋸齒問題。

步驟d中建立用戶與所述透明化辦公系統(tǒng)之間的交互方式具體為通過鼠標和/或鍵盤實現(xiàn)互動。具體如下：

(1)鼠標交互：利用具有統(tǒng)一操作規(guī)范和標準的鼠標操作規(guī)則，通過使用鼠標的左鍵，右鍵進行單擊和/或雙擊以及鼠標滑動和滑輪轉動等手段來實現(xiàn)虛擬辦公系統(tǒng)中設計的不同功能。通過上述不同的點擊方式以及滑輪滑動方向，不僅可實現(xiàn)平臺的基本操作，而且還能夠與全景影像信息進行多種形式的互動，實現(xiàn)場景視角切換，場景切換等功能。

(2)鍵盤交互：利用特定的鍵盤按鍵規(guī)則，通過手指按動鍵盤上的特定按鍵，可以實現(xiàn)透明化辦公系統(tǒng)中辦公樓層的快速切換，使當前的建模樓層進行平滑過渡顯示，同一樓層中的不同房間場景也能快速切換。

在步驟c之后步驟d之前還包括一在所述透明化辦公系統(tǒng)中增加定位信息、辦公場所介紹、語音提示、可供用戶操控的場景切換列表以及可供管理者遠程管理的實時通話模式的步驟。

相較于現(xiàn)有技術，本設計方法具有以下優(yōu)點：第一，先通過計算機圖形學以及三維建模方法(即AutoCAD和SketchUp的三維建模技術)對辦公場所建立三維虛擬模型，然后通過幀緩沖對象使動態(tài)紋理實時載入至三維虛擬模型，并將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述動態(tài)紋理，得到透明化辦公系統(tǒng)。即將物理世界的全景影像信息無縫增強到三維場景中，使真實世界的演化規(guī)律在虛擬世界中可以直觀地表現(xiàn)，克服現(xiàn)有技術采集和顯示來源多樣而造成的空間匹配合成難題；第二，相比較于傳統(tǒng)的辦公場所管理技術，本設計方法通過增強虛境技術可以將動態(tài)的離散分布的全景影像信息進行深度融合以動態(tài)的方式呈現(xiàn)在辦公系統(tǒng)的三維虛擬模型上，滿足巡檢維護人員的便攜訪問，為巡檢維護人員等使用者帶來跨區(qū)域的遠程管理和漫游式的監(jiān)控體驗，同時也可為辦公管理者提供了一種新型的沉浸式調度指揮模式。

下面結合具體實施例對本發(fā)明的虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法進行說明：

實施例

所述虛擬透明化辦公系統(tǒng)的設計方法為獲得辦公場所實時的辦公場景而設計，具體以某一研究所辦公樓為例。該設計方法包括如下步驟：

a通過計算機圖形學以及三維建模方法對辦公樓的每一樓層建立三維虛擬模型；

b通過大范圍分布的固定式全景攝像機采集辦公樓的各樓層中的全景影像信息，并得到實時和/或離線的動態(tài)紋理；

c將所述三維虛擬模型中的表面紋理替換為所述全景影像信息的動態(tài)紋理，得到透明化辦公系統(tǒng)；

d在所述透明化辦公系統(tǒng)中添加辦公場景介紹信息；

e建立用戶與所述透明化辦公系統(tǒng)之間的交互方式，實現(xiàn)遠程辦公管理。

在步驟a中，對研究所的整棟辦公樓的每一樓層進行三維快速建模，精確到每一辦公房間以及走廊和電梯口。

在步驟b中，在研究所的辦公樓的每一辦公房間，以及走廊和電梯口成立全景攝像機的錄制點，安裝所述拼接式全景攝像機來拍攝所述全景影像信息，提供大范圍分布的固定式的全景影像信息來源。

步驟c具體為：將全景相機獲取的全景影像信息通過增強虛境技術、投影、以及動態(tài)紋理貼圖方式在三維虛擬模型中進行準確投影。每一墻面融入帶有深度信息的圖像信息，展現(xiàn)逼真的3D效果。

在步驟d中，對融合全景影像信息的透明化辦公系統(tǒng)中進一步增添其他豐富的數(shù)據(jù)信息(如辦公場景介紹，語音解說，辦公人員信息列表等)，以實現(xiàn)虛擬辦公樓層解說的作用。

步驟e具體為：將透明化辦公場所通過鼠標及鍵盤等手段來實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的人工交互。

用戶打開透明化辦公系統(tǒng)后展現(xiàn)如圖3所示透明化辦公系統(tǒng)界面。通過鼠標滑輪的順時針和逆時針的轉動來實現(xiàn)當前模型的放大和所??；通過長按鼠標左鍵同時移動鼠標來實現(xiàn)場景的旋轉和切換，通過雙擊鼠標來切入當前鼠標焦點所在的辦公區(qū)域。

在進入某一辦公區(qū)域后，當前場景展現(xiàn)如圖4所示的辦公區(qū)域的界面圖，通過點擊鼠標右鍵可顯示一系列圖標，供用戶點擊了解當前的辦公場景不同的數(shù)據(jù)信息(如當前辦公場景的文字介紹，辦公內容的語音解說，辦公人員的信息列表)，同時提供實時通話模式與當前辦公區(qū)域的負責人進行在線交流。用戶再次點擊鼠標右鍵可隱藏附加內容的圖標，以便用戶無阻礙的觀察當前辦公區(qū)域的情況。

用戶可以通過鍵盤操作對如圖3所示的透明化辦公系統(tǒng)界面進行更近一步的功能體驗。如在右上角的樓層號中輸入對應的樓層號，可以切換當前顯示的樓層模型，在辦公區(qū)域號中輸入對應的辦公區(qū)域號，可以切入所需展現(xiàn)的辦公區(qū)域，方便指揮調度該區(qū)域人員的工作。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。