一种基于VR思政教学的交互场景构建方法及系统与流程

本发明属于虚拟现实场景构建，尤其涉及一种基于vr思政教学的交互场景构建方法及系统。

背景技术：

1、传统的思政课堂缺乏信息化、多样性的教学形式。由于信息时代的到来，各种思潮的大量冲击，对人们的思想观念及生活方式产生了重大的影响，各种媒体及文化作品，也冲击着社会的传统价值观念，因此相对较为传统的，针对性、创意性不足的思想政治教育模式，已经很难适用于现代特色化思政课教育。

2、随着社会发展和技术进步，数字技术给人的生存方式带来了重大的改变，知识的呈现和传递出现了革命性的变化，不仅给传统的教学方式带来了巨大的冲击，也提供了教学方式方法革新的条件和契机；虚拟现实技术是数字时代的前沿技术，思想政治理论课虚拟仿真体验教学就是利用信息技术融入思政课教学活动的一种新的形式。

3、传统的虚拟现实的场景构建一般采用几何建模的方法，例如，通过autocad、3dstudio等建模软件对场景进行几何建模，并进一步基于几何体的材料、光照、纹理等数据进行渲染输出，在进行用户交互时，通过加入事件响应，从而实现虚拟场景的交互和漫游，然而，上述场景建模方法存在的最大缺点就是几何体的建模十分繁琐，一个完成度比较好的场景需要非常多的实体，建模起来非常麻烦，而且硬件要求较高，场景建模的成本高、速度慢。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种基于vr思政教学的交互场景构建方法及系统，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

3、第一方面，在本发明的一个实施例中，提供了一种基于vr思政教学的交互场景构建方法，该交互场景构建方法包括以下步骤：

4、步骤s101：利用旋转相机在目标机位获取多个序列图像，构成序列图像集；

5、步骤s102：从序列图像集中选择相邻的第一图像和第二图像，在第二图像的重合部分区域内选择一块矩形区域作为匹配区域，然后在第一图像的重合部分区域内选择一个同尺寸的矩形区域作为目标区域，比较两个区域内的像素值，利用相似度匹配算法计算反映匹配区域和目标区域内场景差别程度的差异值，移动第一图像中的目标区域的位置，计算出新的差异值，并与前一个目标区域的差异值进行比较，找到两个差异值中的较小值，重复上述步骤，搜索整个图像，得到最小差异值，基于最小差异值确定两张图像中存在的场景重叠区域；基于场景重叠区域的位置对相匹配的序列图像进行无缝拼接处理，生成目标机位的全景图；

6、步骤s103：获取全部机位的全景图，得到全景图集，利用全景图集构建思政教学虚拟场景。

7、在本发明的一些实施例中，步骤s101中，还包括对序列图像进行预处理的步骤，所述预处理的步骤包括：

8、利用dibr技术对序列图像进行深度映射和平滑处理，以实现对序列图像的降噪和减少图像空洞；其中，利用线性与反比例映射完成深度映射操作，线性映射表示为：

9、    （1）；

10、式（1）中，、分别表示在投影变换时的近剪切和远剪切，，用于还原实际深度值；

11、利用线性映射的反比例映射关系进行序列图像的深度映射：

12、    （2）；

13、利用二元高斯函数对序列图像进行深度平滑处理，以及使序列图像在旋转后保持对称性，二元高斯函数表示为：

14、    （3）；

15、式（3）中，表示序列图像的像素点，为高斯分布参变量；图像边缘高斯阈值用e表示；

16、设定与像素点对应的深度值用表示，通过二元高斯函数对像素点进行滤波平滑后，得到其对应的深度值：

17、  （4）；

18、式（4）中，用于表示平滑窗口数量；窗口长度内数据点用描述；、表示常数；

19、利用式（2）、式（4）实现图像的深度映射与平滑操作，能够有效降低图像中的噪声与空洞数量。

20、在本发明的一些实施例中，基于最小差异值确定两张图像中存在的场景重叠区域的步骤包括：

21、若最小差异值小于阈值，则认为两张图像出现最小差异值的目标区域和匹配区域具有相同场景，即两张图像存在场景重叠区域；否则，两张图像不存在场景重叠区域。

22、在本发明的一些实施例中，所述利用相似度匹配算法计算反映匹配区域和目标区域内场景差别程度的差异值的步骤包括：

23、计算匹配区域t和目标区域s的相似程度，其中：

24、     （5）；

25、将式（5）归一化为相似度匹配函数，计算差异值：

26、   （6）；

27、   （7）；

28、其中，，当匹配区域t和目标区域s越相似时，的值越大，的值越小，当差异值小于阈值时，则认为两张图像出现最小差异值的目标区域和匹配区域具有相同场景，即两张图像存在场景重叠区域；否则，两张图像不存在场景重叠区域。

29、在本发明的一些实施例中，基于场景重叠区域的位置对相匹配的序列图像进行无缝拼接处理的步骤包括：

30、提取场景重叠区域中相匹配的第一图像的像素块和第二图像的像素块；

31、两个像素块对应的标量函数分别为和：

32、     （8）；

33、其中，表示梯度算子；表示像素块边界；

34、计算第一像素块、第二像素块的拼接像素块：

35、   （9）；

36、其中，表示拉普拉斯算子，

37、采用差分解界定公式，去除拼接融合痕迹，实现无缝拼接处理：

38、   （10）；

39、其中，表示梯度场；n表示待拼接像素块的数量；表示令像素块对应标量函数变化场相同的指导场；z表示待拼接像素块的序数。

40、在本发明的一些实施例中，所述的基于vr思政教学的交互场景构建方法还包括：

41、步骤s201：将全景图集导入到untiy 3d中创建思政教学的虚拟漫游场景；

42、步骤s202：利用测速装置实时获取用户的行进速度数据，并将行进速度数据输入虚拟漫游场景中，虚拟漫游场景通过曲线计算方法拟合获得漫游路径；

43、步骤s203：利用行进速度数据驱动虚拟漫游场景的视点沿所述漫游路径运动，从而实现用户行进时的虚拟漫游。

44、在本发明的一些实施例中，所述虚拟漫游场景通过曲线计算方法拟合获得漫游路径的步骤包括：运用catmull-rom曲线插值算法，利用虚拟漫游场景中原有的漫游道路控制点，实时计算关键插值点，连接关键插值点后拟合获得虚拟漫游场景中的漫游路径。

45、在本发明的一些实施例中，catmull-rom曲线算法对获得的所有路径点进行曲线插值处理表示为：

46、   （11）；

47、式（11）中，表示路径点和路径点的插值点，、、、均为依次相邻的路径点，为路径点的序号，表示曲线张力参数；表示曲线插值的比率参数；

48、基于式（11）得到多个插值点，以折线方式依次连接各个插值点，将曲线路径的运动转为插值点的直线运动路径，获得最终的漫游路径。

49、第二方面，在本发明的另一个实施例中，还提供了一种基于vr思政教学的交互场景构建系统，该系统包括：

50、旋转相机，用于利用旋转相机在目标机位获取多个序列图像，构成序列图像集；

51、图像处理器，用于基于相似度匹配算法对存在场景重叠区域的序列图像进行匹配，基于场景重叠区域的位置对相匹配的序列图像进行无缝拼接处理，生成目标机位的全景图；

52、vr显示设备，用于获取全部机位的全景图，得到全景图集，利用全景图集构建思政教学虚拟场景。

53、第三方面，在本发明的又一个实施例中，还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所提供的基于vr思政教学的交互场景构建方法。

54、综上所述，本发明基于vr思政教学的交互场景构建方法及系统的有益效果是：

55、第一，本发明的交互场景构建方法，利用旋转相机在目标机位获取多个序列图像，构成序列图像集；基于相似度匹配算法对序列图像集中存在场景重叠区域的序列图像进行匹配，基于场景重叠区域的位置对相匹配的序列图像进行无缝拼接处理，生成目标机位的全景图；进而获取全部机位的全景图，得到用于构建思政教学虚拟场景的全景图集，使得构建的思政教学虚拟场景的场景显示品质更佳；

56、第二，本发明利用相似度匹配算法对序列图像集中存在场景重叠区域的序列图像进行匹配，能够准确快速地从拍摄的图像素材中提取到所需的图像，大大提高了全景图的获取速度，缩短了教学虚拟场景的整体构建周期；

57、第三，本发明在对全景图的拼接过程中，能够快速找到场景重叠区域，并根据找到的最佳拼接位置完成全景图的无缝拼接融合，保证了全景图的品质，使虚拟场景在实现显示的过程中不失真、不割裂；

58、第四，本发明可以根据用户的行进速度，在虚拟场景中沿漫游路径的视点进行沉浸式浏览，不论身在教室还是异地远程，学员都能通过5g或高速互联网进入线上的虚拟漫游场景，让教室随时穿越到任何时空，完成沉浸式的互动教学。