Процесс создания виртуальных экскурсий по учебному заведению с эффектом присутствия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процесс создания виртуальных экскурсий по учебному заведению с эффектом присутствия



Оглавление

• Введение
• 1. Обзор и анализ виртуальных интерактивных экскурсий
• 1.1 Текущая ситуация в сфере виртуальных гидов
• 1.2 Детальное описание технологий реализации виртуального гида
• 1.3 Обзор аналогичных технологических решений
• 1.4 Выбор наилучших технологий и решений
• 2. Выбор методов реализации виртуального гида
• 2.1 Существующие методы разработки виртуального гида
• 2.2 Детальное описание программных и технических средств разработки виртуального гида
• 2.3 Анализ и выбор наилучших программных и технических средств разработки виртуального гида
• 3. Теоретическая часть работы
• 3.1 MVC
• 3.2 Основные модули программы
• 3.3 Описание форматов конфигурационных файлов
• 3.4 Загрузка 3d моделей. Формат obj
• 3.5 Геометрические задачи и алгоритмы их решения
• 4. Практическая часть и тестирование
• 4.1 Моделирование карты здания МИЭМ НИУ ВШЭ
• 4.2 Фотосъёмка и обработка фотографий
• Заключение
• Список использованных источников



• Введение

Актуальность

Широкое использование современных интернет технологий позволяет создавать новые интересные решения в различных сферах деятельности человека. Одним из примеров такого решения является создание виртуальных интерактивных экскурсий.

Виртуальная экскурсия позволяет человеку ознакомиться с интересующим его местом, не выходя из дома, в любое время, имея в распоряжении лишь современный компьютер и доступ в интернет.

– виртуальные экскурсии имеют ряд важных преимуществ перед традиционными аналогами;

– широкий спектр областей использования виртуальных экскурсий в качестве инструмента ознакомления, обучения, развлечения и бизнеса;

– нет ограничений по количеству просмотров, времени и длительности посещения, а также по числу посетителей;

– доступность разработки;

– возможность оперативного обновления и добавления информации;

– достижение эффекта присутствия презентуемого пространства;

– высокая степень детализации;

– обширные возможности создания пояснительной информации к панорамам;

– возможность использования звукового контента;

– высокая информативность и визуальная

– возможность использования в качестве рекламной площадки

– не требуются услуги гида для проведения;

– проведение виртуальной экскурсии не блокирует реальное пространство;

Виртуальные туры и экскурсии приобретают всё большую популярность. Их широкое распространение связано с появлением высокоскоростного интернета и доступностью подключения к нему.

При этом ограничивающим фактором в развитии виртуальных путешествий является высокие системные требования: компьютер должен соответствовать современным стандартам, поскольку даже со скоростным интернетом старые устройства не обладают достаточным запасом производительности.

Виртуальными турами заинтересовались многие известные музеи. А компания Google запустила масштабный проект, аккумулирующий виртуальные экскурсии по основным музеям и галереям мира. Название проекта - Art Project.

Виртуальные туры основаны на фотопанорамах, отличающихся от обычных фотографий интерактивным характером просмотра, а значит, зритель сам может управлять процессом просмотра.

Цель

Создание детального виртуального гида по зданию МИЭМ НИУ ВШЭ в Строгино (Таллинская, 34) с возможностью посещения аудиторных помещений

и, в дальнейшем, использование системы при работе с абитуриентами для проведения интерактивных виртуальных экскурсий.

Задачи

В процессе работы над проектом предстоит решить следующие задачи:

– проанализировать технологии реализации виртуального гида

– провести обзор, анализ и выбор существующих программных решений для визуализации 3d объектов и панорамных снимков 360 градусов;

– провести обзор, анализ и выбор существующих технологий и технических средств создания панорамных снимков 360 градусов;

– на основе анализа предложить свой метод реализации виртуальной обзорной экскурсии;

– осуществить съёмку здания МИЭМ и аудиторных помещений в формате 360 градусов, обработать снимки и подготовить их к импорту в программную среду;

– провести моделирование здания МИЭМ по чертежам;

– спроектировать и запрограммировать план снимков для 3d модели карты каждого этажа;

– запрограммировать перемещения пользователя между снимками, а также с помощью выбора точки на 3d модели здания;

– запрограммировать функции создания и размещения информационных текстовых и графических блоков, с возможностью их привязки и позиционирования на снимках;

– разработать и запрограммировать элементы управления и навигации;

– собрать модули проекта;

– провести тестирование модулей проекта.

Объект исследования

Объектом разработки является процесс создания виртуальных экскурсий по учебному заведению с эффектом присутствия.

Предмет исследования

Предметом исследования являются:

– индивидуальные особенности программного обеспечения для создания виртуальных путешествий;

– специфические особенности технологии разработки виртуальных путешествий, реализующих эффект присутствия;

– программные решения демонстрации 3d моделей и панорамных снимков средствами web браузера;

– технические средства создания панорамной съёмки;

– фотографии, используемые для создания панорам;

Методы исследования

В данной работе используются следующие методы исследования:

- изучение и обобщение специальной литературы, интернет ресурсов о создании и функционировании виртуального гида;

- обзор и анализ существующих программных и технических средств, используемых для реализации виртуального гида;

- сравнение и выбор оптимальных программных и технических средств, применяемых для реализации данного проекта;

- фотографирование внутренних помещений здания для создания панорамных снимков;

- моделирование архитектуры и основных этапов проекта;

- тестирование разрабатываемого продукта на каждом этапе создания проекта.

- Информационные источники

Практическая значимость

Ожидается, что виртуальная экскурсия по институту поможет выпускникам и абитуриентам осмотреть институт до того, как они отправятся туда. У пользователей появится возможность ознакомиться с внутренним устройством здания института и узнать расположение основных помещений, таких как деканат, приёмная, аудитории кабинеты, столовой и т.д., для этого всего лишь нужно просмотреть экскурсию.

Ожидаемый результат

Стабильная система, работающая в формате web ресурса, которая позволит пользователям лучше ознакомиться со зданием МИЭМ НИУ ВШЭ. Ожидается, что виртуальная экскурсия позволит пользователям:

– изучить детальный план всех этажей здания;

– получить информацию о расположение основных помещений института;

– посмотреть панорамы наиболее значимых площадей на этажах здания;

– прочитать пояснительную информацию об интересных объектах, отмеченных на панораме.

Личный вклад

Голова Е.Р.:

– Обзор и анализ существующих технологий создания панорамных снимков 360 градусов;

– Выбор и освоение технических средств создания панорамных снимков

– Осуществление съёмки здания МИЭМ и аудиторных помещений в формате 360 градусов;

– Обработка снимков и подготовка к импорту в программную среду;

– Создание и программирование карты снимков, привязка к 3d модели;

– Программирование функций создания и размещения информационных текстовых и графических блоков, с возможностью привязки и позиционирования на снимках;

– Проведение тестов.

Кащеев К.А.:

– Обзор и анализ существующих программных решений для визуализации 3d объектов и панорамных снимков 360 градусов;

– Выбор и детальное изучение программных решений для визуализации 3d объектов и панорамных снимков 360 градусов;

– Программирование и адаптация сторонних программных решений для просмотра панорамных снимков;

– Программирование и адаптация сторонних программных решений для просмотра 3d моделей;

– Моделирование здания МИЭМ по чертежам;

– Разработка и программирование элементов управления и навигации;

– Сборка модулей проекта;

– Тестирование



• 1. Обзор и анализ виртуальных интерактивных экскурсий
• 1.1 Текущая ситуация в сфере виртуальных гидов
• Виртуальные интерактивные экскурсии становятся более популярными и распространёнными в современном мире. Данный вид симуляции позволяет привлечь внимание новых пользователей к разрабатываемым продуктам. В данной работе проводится обзор и анализ существующих моделей интерактивных туров по зданиям вузов страны. На основе полученных данных и составленной статистики преимуществ и недостатков таких систем разрабатывается наиболее информативный и удобный для использования вариант системы для исследования здания МИЭМ НИУ ВШЭ на улице Таллинской 34.
• Виртуальный тур -- способ реалистичного отображения трёхмерного многоэлементного пространства на экране. Элементами виртуального тура, как правило, являются сферические панорамы, соединённые между собой интерактивными ссылками-переходами (хот-спотами). Часто в виртуальный тур также включают цилиндрические панорамы, реже -- виртуальные 3D-объекты и обыкновенные фотографии.
• Иными словами, виртуальный тур является общим обозначением для нескольких объединённых сферических панорам, между которыми в процессе просмотра можно виртуально "перемещаться". В виртуальные туры, как правило, включают и другие интерактивные элементы: всплывающие информационные окна, поясняющие надписи, графически оформленные клавиши управления и т. д.
• Виртуальный тур является эффективным инструментом маркетинга, позволяющим показать потенциальному потребителю информацию о пространстве особым образом. Он создаёт у зрителя "эффект присутствия" -- яркие, запоминающиеся зрительные образы, и позволяет получить наиболее полную информацию о товаре или услуге.
• Таким образом, пользователь обладает возможностью оценить и изучить объект, не выходя из дома, в любом удобном месте и в любое время. Такой способ предоставления информации во многом упрощает посещение и изучение объекта и улучшает качество воспринимаемой информации. [1]
• 1.2 Детальное описание технологий реализации виртуального гида

На сегодняшний день можно выделить три различных способа создания виртуальных экскурсий по изучаемому объекту, будь то выставка или картинная галерея, а в нашем случае здания Высшей Школы Экономики.

Первым и самым простым в реализации вариантом гида является набор фотографий ключевых объектов учебного заведения. Доработанный вариант может содержать письменные пояснения к фотографиям и другую дополнительную информацию.

Такой способ имеет свои плюсы:

– краткие сроки разработки, просто реализуется;

– подлежит редактированию и дополнению;

– универсален, надёжен;

и минусы:

– минимально информативен;

– не даёт пространственной картины;

– не привлекает внимание пользователя;

– неудобный в использовании;

– не решает поставленные задачи в полном объёме.

Второй вариант представления информации -- это сферические панорамы. В таком случае создаются сферические или цилиндрические панорамы в ключевых точках пространства, демонстрирующие планировку, архитектуру или же учебный процесс в наполненной студентами аудитории.

Плюсы:

– максимально информативен;

– практичен;

– актуален;

– достоверно передаёт особенности пространства;

минусы:

– сложная реализация;

– тяжело добиться универсальности решения;

– на слабых устройствах теряет производительность.

Отдельным вариантом можно выделить полное воссоздание объекта при помощи 3d моделирования. Такой вариант очень энергозатратен, и полученный результат не позволяет показать реальный вид здания изнутри. Максимального приближения к желаемому результату можно достигнуть путём наложения текстур на модель института, но даже при всех стараниях тур не получится правдоподобной имитации "прогулки" по зданию.

Плюсы:

– уникальность решения;

– наиболее полная картина всего пространства;

Минусы

– сложная реализация;

– отличается от реального пространства;

– на слабых устройствах не работает.

• 1.3 Обзор аналогичных технологических решений

Для создания наиболее практичной системы было рассмотрено несколько вариантов готовых решений виртуальных туров по университетам страны, выявлены достоинства и недостатки каждой из них.

МГУ [2]

Виртуальный тур по главному зданию МГУ представляет набор фотоснимков с разных ракурсов и в разное время года. Такой вид не отличается информативность и удобством использования. Фотографии не позволяют полностью переместиться в помещение и испытать эффект присутствия в главном здании.

РУДН: [3]

Российский университет дружбы народов (РУДН) предоставляет возможность выбрать нам желаемый факультет и просмотреть заготовленные 360-панорамы. Данные снимки сделаны в ключевых аудиториях, а сама система не даёт пользователю выбора в перемещении, панорамы идут друг за другом. Интерактивного содержания также не присутствует на выбранных локациях. Фотосъёмка выполнена как в пустых помещениях, так и во время проведения занятий, что отражает реальный процесс обучения в университете.

ТГУ: [4]

3D-тур по Томскому государственному университету (ТГУ) представляет нам систематизированный список локаций, в который мы можем переместиться. Панорама также отображает пояснительную информация по объектам, изображённым на ней, но информация довольно скупа и не отображает необходимых данных. Перемещение пользователя возможно только в рамках предоставленных и ключевых локаций.

МГТУ: [5]

Виртуальная прогулка по ведущему Московскому государственному техническому университету имени Н.Э.Баумана представляет перед пользователем выбор желаемой локации для изучения. Каждая из них представляет набор 360-панорам с возможностью вращения камеры. Интуитивное перемещение по локациям не предусмотрено, вместо этого пользователь может выбрать из списка необходимую сферическую фотографию. Объекты на фото подкреплены интерактивными информационными сведениями. Возможности свободного перемещения не предусмотрено.

• 1.4 Выбор наилучших технологий и решений

Проанализировав представленные выше модели 3D-туров, сделанные в учебных заведениях, и выявив преимущества и недостатки каждой из них, делаем вывод, что система нашего тура должна обладать необходимом набором качеств.

Модель должна позволять пользователю передвигаться в любом направлении, таким образом достигается полное погружение в пространство, когда пользователь может выбирать не из списка предложенных локация, а путём "прогулки" по коридорам выбрать необходимую ему аудиторию или другое помещение. В лекционных аудиториях и других больших помещениях необходимо сделать перемещение по нескольким точкам пространства, чтобы показать те или иные объекты с разных ракурсов, это также увеличит эффект присутствия в локации.

Объекты на выбранной панораме должны содержать интерактивную информацию, которая должна быть полноценной и с возможностью перехода по внешним ссылкам для более детального изучения и для отображения дополнительной информации. Таким образом мы получим интеграцию внешних источников информации и других ресурсов в нашу модель, что позволит пользователю в полной мере изучить необходимую информацию, представленную в той или иной локации.

Вся система должна быть интуитивно понятной, чтобы облегчить перемещения и изучение внутри здания. Также просмотр панорам и перемещение по локациям не должны требовать больших ресурсов от оборудования пользователя.

Виртуальный тур будет адаптирован к просмотру на мобильных устройствах и на малоресурсных устройствах, поддерживающих просмотр web-страниц. [6]

Результаты анализа просмотренных моделей 3D-туров и сравнение с разрабатываемым продуктом представлены в табл.1.

Таблица 1

Сводная таблица характеристик 3D-туров

	360о - фото	Свобода перемещения	Интегрированная информация	Возможность автопросмотра
МГУ	-	-	-	-
РУДН	+	-	-	-
ТГУ	+	-	+	-
МГТУ	+	-	+	+
Разрабатываемый продукт	+	+	+	+



• 2. Выбор методов реализации виртуального гида
• 2.1 Существующие методы разработки виртуального гида
• Виртуальный гид может быть реализован как:

– отдельная, полноценная программа для персонального компьютера;

– приложение для мобильных устройств;

– web ресурс.

В ходе анализа было принято решение остановиться на web-формате виртуального гида для просмотра через современные браузеры ПК и планшетных компьютеров с поддержкой технологии WebGL. Такое решение является наиболее универсальным и требует от пользователя минимального количества действий для начала просмотра.

Так же было решено отказаться от использования flash технологий в проекте, так как это устаревшее решение и все меньше браузеров осуществляют его поддержку. Хотя в своё время это был мощный инструмент, который до сих пор используется в ряде аналогичных проектов.

В реализации проекта предусматривается использование библиотек просмотра панорамной фотосъёмки с возможность перемещения от одного снимка к другому с помощью элементов навигации, а также просмотра 3d модели здания. [7]

• 2.2 Детальное описание программных и технических средств разработки виртуального гида

В разработке полноценного виртуального гида можно выделить три основных этапа:

– разработка модуля просмотра 3d модели здания;

– разработка модуля просмотра панорамных снимков здания;

– создание панорамных фотографий.

Обзор программных решений для визуализации 3d графики средствами web браузера

В ходе анализа программных решений для демонстрации 3d моделей средствами web браузера были протестированы следующие javascript библиотеки:

Blend4Web [8] - программная платформа, предназначенная для создания и отображения интерактивной трёхмерной графики в браузерах. Данный фреймворк распространяется на условиях двойного лицензирования, под открытой GPLv3 и коммерческой лицензиями.

Blend4Web для подготовки контента использует открытый пакет 3D моделирования Blender. Отображение трёхмерной графики осуществляется средствами технологии WebGL.

Blend4Web работает во всех основных браузерах, в том числе на мобильных устройствах. Web-приложения на основе Blend4Web могут быть развёрнуты в популярных социальных сетях, таких как Facebook и ВКонтакте.

Voxel.js [9] - лёгкая, основанная на CSS 3D библиотека с очень простым набором классов. В библиотеке всего 4 основных класса: сцена, окружающий мир, редактор и непосредственно voxel.

Однако чрезвычайно мало внешних приложений, игровых движков, плагинов, которые поддерживают работу непосредственно с вокселями.

Goo Engine - написан на "чистом" JavaScript. Это позволило его сделать максимально близким к Web. Для тех, кто знаком с JavaScript, будет легко научиться работать с ним. Есть у Goo Engine свой редактор.

Goo Engine является решением с открытым исходным кодом. Базовая версия, включающая доступ к исходникам, распространяется бесплатно. Однако она исключает возможность создавать закрытые сцены.

PlayCanvas.js [10] - используется для разработки браузерных 3D игр. Он расположен прямо на сайте компании playcanvas.com, поэтому для работы с ним нужен лишь браузер.

На текущий момент у PlayCanvas.js есть три тарифных плана. Бесплатный тарифный план позволяет создавать неограниченное количество публичных проектов, которые затем располагаются на сервере компании. Любой пользователь сможет его просмотреть и даже скопировать себе. Однако, чтобы создать приватный проект или экспортировать проект на собственный хостинг, придётся воспользоваться одним из платных тарифных планов.

Для тех, кто работает в команде над одним проектом, в редакторе в рантайме видны изменения всех участников.

Three.js [11] - всеобъемлющая и мощная JavaScript 3D-библиотека, используется для создания как простой 3D анимации, так и для создания интерактивных 3D игр.

Она упрощает использование программного интерфейса WebGL API для создания 3D-графики на странице веб-браузера.

Библиотека Three.js предоставляет высокоуровневый программный интерфейс и позволяет оперировать такими понятиями компьютерной графики, как сцена, графический объект и камера.

Библиотека Three.js поставляется в одном JavaScript файле, который может быть подключён к странице в любом месте.

Библиотека Three.js работает во всех браузерах, которые поддерживают технологию WebGL; также может работать и на многих мобильных устройствах.

1.1.1 Обзор программных решений для демонстрации панорамных изображений средствами web браузера

В ходе анализа программных решений демонстрации панорамных снимков 360 средствами web браузера были протестированы следующие javascript библиотеки и jQuery плагины:

Paver [12]

Автор этого плагина честно признается, что подсмотрел идею в одном экспериментальном приложении Facebook. Зато теперь мы имеем бесплатную версию с доступным на GitHub исходным кодом. Как и многие плагины, участвующие в этом обзоре, он построен на jQuery и позволяет удобно просматривать широкоформатные изображения на странице сайта.

WebGL Based Multi-Purpose 360° [13]

Мощный премиум jQuery плагин для создания интерактивных панорам. Поддерживает метки на панораме. С их помощью можно отмечать людей или предметы. Также есть поддержка "маршрутов" как у Google Street View. То есть можно путешествовать по локации. В отличии от остальных плагинов из этой подборки, есть возможность просматривать панораму как по горизонтали, так и по вертикали. По сути -- это полноценный 3D-тур.

iPanorama 360° [14]

Лёгкий, но многофункциональный плагин, созданный с использованием библиотек jQuery и Three.js. Одной из его замечательных особенностей -- возможность указывать на фотографиях так называемые "горячие точки", нажатие на которые приводит к отображению какой-нибудь информации или переходу от одной сцены к другой, создавая, таким образом, виртуальные туры.

jQuery Panorama Viewer [15]

Еще один jQuery плагин для интерактивного просмотра панорамных фотографий. Обладает стандартной в таких случаях функциональностью, использует цилиндрическую проекцию (возможен поворот только вправо-влево). Тестировался во многих современных браузерах (Chrome, Firefox, Safari), однако автор признается, что не проверял его работоспособность в Internet Explorer.

360° Panoramic Viewer [16]

360° Panoramic Viewer также поддерживает мобильные устройства и управление жестами. Имеется возможность управления "горячими точками" для отображения информации или перехода между панорамами.

Panoramic -- Street View Rotator [17]

C помощью этого jQuery плагина можно выводить у себя на сайте панорамы Google Street View. Работает по API Google.

True Panorama [18]

True Panorama -- простой в использовании и легкий в интегрировании плагин, обладающий адаптивным интерфейсом и полной поддержкой мобильных устройств, включая управление жестами на тач-скринах.

Panorama 360° jQuery Plugin [19]

Достаточно интересный плагин для отображения панорамных изображений. К числу его особенностей следует отнести "бесконечную" прокрутку, полноэкранный режим, а также вращение при помощи колёсика мыши.

Panorama Equirectangular Three.js example

Простой демонстрационный код библиотеки three.js для просмотра панорамных изображений, тем не менее иногда встречается в качестве плеера в интернете. Поддерживает полноэкранный режим, вертикальную и горизонтальную прокрутку, масштабирование и автопрокрутку.

Обзор 3D редакторов

Существует большое количество 3D редакторов, и каждый из них специализируется на решении конкретных задач. Так как сферы деятельности, в которых применяется 3D графика и компьютерная визуализация, достаточно обширны и предъявляют абсолютно разные требования к ожидаемым результатам моделирования, практически невозможно найти универсальный редактор, который будет удовлетворять запросы всех пользователей. Поэтому производители разрабатывают узкоспециализированные редакторы, а так же расширяют инструменты взаимодействия между ними. Ниже мы ознакомимся с самыми популярными редакторами.

3Ds Max - один из первых среди редакторов, достаточно популярный инструмент, №1 в выборе многих начинающих и продвинутых специалистов. Занимает твёрдые позиции в области дизайна и архитектурной визуализации. Не редко используется в игровой индустрии.

Возможности:

– моделирование на основе полигонов, сплайнов и NURBS;

– мощная система частиц;

– модуль волосы/шерсть;

– расширенные шейдеры Shader FX;

– поддержка новых и усовершенствованных механизмов Iray и mental ray;

– анимация толпы;

– импорт из Revit и SketchUp;

– интеграция композитинга

и многое другое.

Плюсы:

– универсальность;

– программная и информационная поддержка.

Минусы:

– сложность в освоении;

– не современный.

Maya - промышленный инструмент для 3D графики в телевидении и кино. Maya известна среди крупных студий используется в рекламе, кино, игровой индустрии. Пакет хорошо подходит для создания анимации.

Возможности:

– полный набор инструментов для NURBS- и полигонального моделирования;

– мощные средства общей и персонажной анимации;

– развитая система частиц;

– технология Maya Fur (создание меха, волос, травы);

– технология Maya Fluid Effects (моделирование жидкостей, атмосферы);

– динамика твёрдых и мягких тел;

– широкий набор средств создания динамических спецэффектов;

– UV-текстуры, нормали и цветовое кодирование;

– многопроцессорный гибкий рендеринг.

Плюсы:

– универсальность;

– профессиональный редактор.

Минусы:

– сложность в освоении;

– ресурсоёмкий;

– высокая цена.

Cinema 4D - считается лучшим и удобным 3D пакетом на сегодня. Богатый функционал: моделирование, анимация, эффекты, "лепка" и BodyPaint 3D. У Cinema 4D понятный и удобный интерфейс в сравнении с 3Ds Max и Maya. Широко применяется в моушен-дизайне, киноиндустрии и рекламе.

Возможности:

– полигональное и NURBS-моделирование;

– BodyPaint 3D (модуль для создания развёрток UV и текстурных карт);

– генерация и анимация объектов;

– персонажная анимация;

– динамика мягких и твёрдых тел;

– модуль для создания реалистичных волос;

– система частиц Thinking Particles;

– неплохой встроенный визуализатор.

Плюсы:

– скорость освоения;

– интерфейс;

– широкий функционал;

– наличие обучающих материалов;

– интеграция.

Минусы:

– нестабильность версий редактора.

Modo - содержит инструменты для моделирования, рисования, анимации и визуализации, лепки и текстурного окрашивания. Modo считается одним из самых быстрых редакторов. Modo используется в рекламе, играх, создании спецэффектов и архитектуре.

Возможности:

– полигональное и моделирование SDS;

– современные инструменты анимации;

– динамика твёрдых и мягких тел;

– система рисования;

– материал Fur (мех) для создания волос, травы и меха;

– инструменты лепки;

– быстрая и качественная визуализация.

Плюсы:

– быстрый и производительный редактор.

Минусы:

– мало обучающих материалов.

Houdini - высокопроизводительный 3D редактор, в основе которого лежит процедурная, нодовая архитектура. Houdini силён в расчёте нелинейной динамики, создании симуляций. Поддерживает частицы, жидкости, дым, огонь и другие природные явления. Визуальные эффекты - основная область применения Houdini, поэтому его часто выбирают в киноиндустрии.

Возможности:

– полигональное и NURBS-моделирование;

– анимация (ключевая, процедурная);

– персонажная анимация;

– система частиц;

– динамика твёрдых и мягких тел, тканей, шерсти/волос, газов и жидкостей;

– работа с объёмным звуком;

– мощный рендер движок Mantra;

– встроенный инструмент композитинга.

Плюсы: реалистичные спецэффекты.

Минусы: цена, отсутствие обучающей информации.

Blender - бесплатный 3D редактор, включающий инструменты для 3D моделирования, анимации, создания игр, визуальных эффектов и скульптинга. Отличная альтернатива ведущим редакторам 3D. Проект имеет сильную поддержку и постоянно модернизируется.

Возможности:

– полигональное моделирование;

– сплайны;

– NURBS-кривые и поверхности;

– режим лепки;

– система частиц;

– динамика твёрдых и мягких тел: жидкость, шерсть/волосы и т.д.;

– скелетная анимация;

– встроенные механизмы рендеринга и интеграция со сторонними визуализаторами;

– редактор видео;

– функции создания игр и приложений (Game Blender).

Плюсы:

– бесплатный;

– быстрый;

– открытый проект.

Минусы: такие же, как у всех открытых проектов.

В результате проведённого анализа и учитывая личный опыт работы с 3D редакторами выбор остановился на пакете 3D Max.

Обзор технических средств для создания панорамных изображений

Для осуществления панорамной съёмки были проанализированы следующие технические средства:

Панорамная камера LG 360 CAM

Основные характеристики

Цена: ориентировочно $200

Разрешение (фото/видео): 16 MP/2К

Количество объективов: 2 (по 13 MP)

Аудиозапись: 3 микрофона

Габариты: 75 грамм, 30 x 97 x 25 мм

Рисунок 1 - LG 360 CAM [20]

Страна: Корея

Плюсы:

– высокое качество 360-градусной съёмки;

– хорошая запись звука;

– удобное приложение;

– высокая автономность.

Минусы:

– слабый модуль Wi-Fi;

– необходимость использовать приложения для публикации видео на YouTube и Facebook.

Панорамная камера Samsung Gear 360

Эта камера -- логичное звено в "экосистеме" устройств виртуальной реальности от Samsung. Управление камерой осуществляется с помощью смартфонов Galaxy S6/S7, которые "вставляются" в качестве экрана в очки виртуальной реальности Sumsung Gear VR для "погружения" в отснятый контент. гид программный геометрический моделирование

Камера оснащена яркими F2.0 объективами, которые обеспечивают невероятное, как утверждает компания, качество картинки. Проверить это можно на сайте производителя (раздел "Image Quality"), сравнив отдельные фото с двух разных объективов.

Основные характеристики

Цена: $399.99

Разрешение (фото/видео): 7776Ч3888px/3840Ч1920 px (30 кадров/сек)

Количество объективов: 2

Аудиозапись: стерео

Рисунок 2 - Samsung Gear 360 [21]



Вес: 153 грамма

Габариты: 66.7 х 56.3 х 60.1 мм

Особенности: есть возможность съёмки на 1 объектив

Страна: Корея

Плюсы:

– миниатюрный штатив в комплекте;

– съёмный аккумулятор;

– устойчивость к брызгам и пыли;

– встроенный маленький экран;

– очень простое управление;

– лучшее качество изображения в сравнении с конкурентами.

Минусы:

– совместимость только с Samsungami Galaxy S6, S7 и Note 5;

– совершенно непрактичная форма;

– четко видны места соединений изображений с двух линз.

Источник: [22]

Панорамная камера Ricoh Theta S

Основные характеристики

Цена: $347

Разрешение (фото/видео): 14 МР/Full HD (30 кадров/сек), 'live streaming' -- HD

Количество объективов: 2

Аудиозапись: встроенный микрофон

Вес: 125 грамм,

Габариты: 44 мм x 130 мм x 22.9 мм

Особенности: максимальная продолжительность видеозаписи -- 25 минут

Страна: Япония

Плюсы:

– удобный форм-фактор;

– простое управление и информативная индикация;

– возможность мгновенной съёмки без предварительного кадрирования и просмотра;

– стильный внешний вид;

– эффект присутствия;

– богатые возможности дистанционной съёмки;

– поддержка очков виртуальной реальности;

– есть много способов показать свои работы друзьям.

Минусы:

– существенные искажения изображения из-за применения оптики типа фишай;

– выпуклые линзы требуют очень осторожного обращения;

– качество фото и видео на уровне мобильного телефона среднего класса;

– отсутствие серийной съёмки.

Стереоскопическая камера GoPro Odyssey + Google Jump

Основные характеристики

Цена: примерно $15000

Разрешение (фото/видео): 8K (30 кадров/сек)

Количество объективов: 16

Аудиозапись: 16 встроенных моно микрофонов

Рисунок 4 - GoPro Odyssey [24]



Вес: 6.57 кг,

Габариты: 294.6 мм x 65.8 мм

Особенности: стереоскопическое видео

Страна: США

GoPro Odyssey ? часть Google-проекта, который изучает возможности виртуального мира. Jump Assembler объединяет и синхронизирует всю информацию с 16 установленных камер и создаёт стереоскопические видео, весь потенциал которого раскрывается при просмотре через очки виртуальной реальности. Также в технологии предусмотрены возможности монтажа, чтобы получать сферическое или панорамное изображение.

Отснятые стереоролики можно сразу выкладывать в интернет-пространство и воспроизводить на очках и гарнитурах или в режиме 2D.

GoPro Odyssey идеально подходит для создания спецэффектов, профессиональной кино- и документальной съёмки.

В отличае от конкурентов, которые только анонсируют такого рода продукцию, GoPro Odyssey уже готова к использованию.

К минусам можно отнести высокую стоимость и ориентированность пока что исключительно на профессиональную аудиторию.

• 2.3 Анализ и выбор наилучших программных и технических средств разработки виртуального гида

Выбор программных решений для демонстрации 3d моделей средствами web браузера

Выбор программных решений для демонстрации 3d моделей средствами web браузера осуществлялся по следующим критериям:

– читаемость и гибкость кода, документация;

– условия использования, стоимость, лицензия;

– использование средств WebGL для отображения, универсальность

решения;

– производительность.

Результаты анализа рассмотренных программных решений представлены в табл.2.

Таблица 2

Сводная таблица программных решений для демонстрации 3d моделей средствами web браузера

	Blend4Web	Voxel.JS	Goo Engine	Play Canvas.js	Three.js
Гибкость кода	6	5	7		7
Лицензия	990$	os	49$/m	50$/m	os
WebGL	+	+	+	+	+
Скорость	4	6	5	4	8

Three.js универсальная, гибкая и производительная библиотека. Поддерживает все сильные стороны WebGl, имеет простую структуру кода и подробную документацию. Three.js выполняет всю низкоуровневую работу с WebGL за нас, предоставляя набор классов с понятным интерфейсом для удобной работы с 3D графикой, а кроме этого, она позволяет быстро достичь результата, не разбираясь во всех сложностях и тонкостях в отображении материалов в WebGL.

Поэтому принято решение использовать данное программное средство в работе.

Выбор программных решений для демонстрации панорамных изображений средствами web браузера

Выбор программных решений для отображения панорамных изображений средствами web браузера осуществлялся по следующим критериям:

– читаемость и гибкость кода, возможности интеграции, модификации и

расширения функционала;

– наличие необходимого для работы функционала, документация;

– условия использования, стоимость, лицензия.

Результаты анализа рассмотренных программных решений представлены

в табл. 3.

Таблица 3

Сводная таблица программных решений для для отображения панорамных изображений средствами web браузера

	Paver	WebGL Based Multi-Purpose 360°	iPanorama 360°	jQuery Panorama Viewer	360° Panoramic Viewer	Panoramic	True Panorama	Panorama 360°	Equirectangular
Гибкость кода	3	3	6	4	4	3	4	4	9
Функционал	4	9	7	3	6	7	8	7	6
Лицензия	P	C	C	N	C	C	C	F	F
Стоимость	0 $	10$	7$	0$	8$	11$	8$	0$	0$

Panorama Equirectangular Three.js example является кодом библиотеки three.js, которая будет использоваться в данной работе для отображения 3d модели здания МИЭМ.

Panorama Equirectangular содержит многие необходимые функции плеера, имеет простую структуру кода и подробную документацию. Поэтому принято решение использовать данное программное средство в работе.

Выбор технических решений для панорамной съёмки

Выбор технических решений для панорамной съёмки осуществлялся по следующим критериям:

– наличие программных инструментов склейки и обработки фотоснимка;

– качество снимка, разрешение;

– время работы, скорость съёмки;

– наличие оборудования;

– цена.

Результаты анализа рассмотренных технических решений представлены в табл. 4.

Таблица 4

Сводная таблица технических решений для панорамной съёмки

Название	Программы	Качество	Скорость	Наличие	Цена
LG 360 CAM	6	3	6	1	$200
Samsung Gear 360	7	5	8	1	$399.99
Ricoh Theta S	7	3	5	1	$347
GoPro Odyssey	8	9	6	1	$15000

Наиболее подходящей данным критериям оказалась камера Samsung Gear 360. Она обладает хорошим качеством съёмки и максимальным разрешением в любительском сегменте при достаточной надёжности и времени работы. Также при съёмке происходит склейка и обработка снимков с двух объективов.



• 3. Теоретическая часть работы

Перед началом разработки программного продукта необходим глубокий анализ функциональных требований и предполагаемых результатов. Это позволяет наиболее точно и корректно спроектировать архитектуру проекта, выделить основные программные модули и их задачи. Чем более тщательно проведён данный этап работы, тем больше ресурсов это позволит сэкономить на следующих этапах, а так же значительно облегчит процессы редактирования и расширения функционала программного продукта.

• 3.1 MVC

Структура MVC часто используется в современных программных продукта и давно стала стандартом проектирования архитектуры проекта. Она дает возможность сделать архитектуру более гибкой, и отделить данные от логики программы.

Model-View-Controller (MVC, "Модель-Представление-Контроллер", "Модель-Вид-Контроллер") -- схема разделения данных приложения, пользовательского интерфейса и управляющей логики на три отдельных компонента: модель, представление и контроллер -- таким образом, что модификация каждого компонента может осуществляться независимо:

Модель (Model) предоставляет данные и реагирует на команды контроллера, изменяя своё состояние;

Представление (View) отвечает за отображение данных модели пользователю, реагируя на изменения модели;

Контроллер (Controller) интерпретирует действия пользователя, оповещая модель о необходимости изменений.

В данной научно-исследовательской работе было принято решение использовать основные концепции описанной выше схемы. Учитывая, что масштаб проекта несколько уступает программам, где её использование просто необходимо, полное соблюдение концепций схемы не требуется. А наоборот может только повредить таким критериям, как прозрачность архитектуры и отсутствие паразитного кода. Тем не менее основные идеи все же были подчёркнуты и задействованы в разрабатываемом продукте. А именно:

Все данные, которые могут часто подлежать изменению или дополнению вынесены в отдельные конфигурационные файлы, которые загружаются специально разработанными модулями в соответствии с определённым форматом. И только после этого собирают их в модель. Таким образом структура и формат проекта может серьёзно измениться путём замены конфигурационного файла, без внесения изменений в программный код проекта. Например, можно загрузить данный только об одном этаже или же все здание МИЭМ целиком, определять количество панорам на каждом этаже, а так же объем и содержание контента в информационных блоках. Это незаменимый инструмент, который является очень удобным при тестировании проекта и значительно повышает гибкость архитектуры.

В отдельные модули вынесена прорисовка всей графической составляющей проекта. Загрузка и отображение панорам, загрузка и визуализация 3d моделей, позиционирование элементов интерфейса, работа с окнами проекта - каждый объект прорисовывается независимо от других, что позволяет быстро и безболезненно менять внешний вид программного продукта. Именно эти модули работают с библиотеками three.js и jquery.js и при необходимости всю визуальную часть возможно полностью перенести на другой графический движок (например в случае портирования на другие платформы или при появлении более совершенных аналогов).

Действия пользователя обрабатываются отдельным модулем - контроллером. Все события, такие как начало, конец нажатия кнопки мыши, нажатие клавиш клавиатуры, события от сенсорного экрана поступают в логику модуля. Где обрабатываются разными методами в зависимости от текущего состояния программы. Результаты обработки корректируют модель и представление.

Рисунок 5 - Архитектура программных модулей

• 3.2 Основные модули программы

Весь функционал проекта по смыслу можно разделить на пять основных составляющих:

– Карта здания

– Панорамы

– Информационные блоки

– Элементы интерфейса

– Управляющий модуль

Карта здания

Карта здания представляет собой схематичную 3d модель здания МИЭМ НИУ ВШЭ на улице Таллинской 34. Этот элемент программного продукта вынесен в отдельное окно и вызывается когда пользователю необходимо переместиться на другой этаж или же выбрать конкретную панораму. Визуально план здания представлен по слоям. Каждый слой - отдельная 3d модель этажа здания.

Выбор этажа происходит посредством клика по интересующей 3d модели. После выбора остальные этажи освобождают пространство для обзора раздвигаясь вверх и вниз относительно выбранного этажа, а на нём отмечаются маячки со всеми доступными панорамами. Переход на интересующую панораму так же осуществляется путём клика по маячку. Количество, координаты и тип маячка определяются конфигурационным файлом карты здания.

Зажимая левую кнопку и передвигая мышь можно выбрать наиболее удобный ракурс просмотра. Так же поддерживаются все аналогичные события для сенсорных экранов.

Исходя из функций, описанных выше можно сделать вывод, что составляющая проекта "Карта здания" имеет все три компонента схемы MVC. А следовательно, будет логично представить её в виде 3 классов в архитектуры проекта:

Map.Model - содержит и позволяет работать с данными обо всех этажах здания, координатах панорам на карте и другой информацией о плане здания.

Map.View - загружает модели этажей, маячков и других символов. Прорисовывает и анимирует план здания.

Map.Controller - обрабатывает действия пользователя в окне "Карта здания"

Панорамы

Панорамы - это главный элемент программного продукта. Так же как и предыдущий элемент - он вынесен в отдельное окно. Он позволяет просматривать выбранную сферическую панораму.

Зажатие правой кнопки и перемещение мыши позволяет осматривать панораму в формате 360 градусов. Так же можно поворачивать камеру путём нажатия клавиш "влево" и "вправо" на клавиатуре. Колёсико мыши, а так же клавиши "+" и "-" на клавиатуре позволяют регулировать угол обзора камеры панорамы.

На панораму наносятся 3d стрелки, указывающие направления к соседним панорамам. Направления высчитываются автоматический исходя из координат маячков на карте здания при загрузки панорамы. При по 3d стрелке происходит перемещение на следующую панораму. Так же можно переместиться к ближайшей панораме впереди нажав клавишу "вверх" на клавиатуре.

Помимо стрелок на панораме присутствуют значки информации. При клике на которые вызывается информационный блок в отдельном окне. Количество, координаты расположения и содержание информационных блоков описывается и определяется конфигурационным файлом панорам.

Исходя из функций, описанных выше можно сделать вывод, что составляющая проекта "Панорамы", аналогично предыдущей, имеет все три компонента схемы MVC. Поэтому, тоже будет занимать 3 класса в архитектуре проекта:

Panoram.Model - содержит и позволяет работать с данными о текущей панораме, координатами информационных блоков и другой информацией о плане здания. Рассчитывает направления 3d стрелок на панораме в зависимости в соответствии с координатами маячков на карте здания.

Panoram.View - загружает снимки панорам, модели стрелок и значков информации. Отображает и панораму, стрелки, значки информации.

Panoram.Controller - обрабатывает действия пользователя в окне "Панорамы".

Информационные блоки

Информационные блоки позволяют отображать текстовую, графическую и видео информацию, а так же ссылки об интересующем объекте панорамы.

Такие объекты помечаются значком информации, при клике на который отображается новое всплывающее окно с контентом.

Данные о координатах объекта на панораме, а так же контент информационного блока хранятся в конфигурационных файлах панорам, что позволяет оперативно добавлять, удалять и редактировать содержимое и количество информационных блоков выбранной панорамы.

Проанализировав функционал информационных блоков, можно сделать вывод, что ему не требуется ни модель ни контроллер в соответствие со схемой MVC. Данные передаются в представление в виде сформированного объекта, параметром. Поэтому роль информационных блоков в общей архитектуре проекта ограничится одним классом: InfoBlock.View - отображение контента информационного блока.

Элементы интерфейса

Элементы интерфейса - это коллекция представлений всевозможных элементов взаимодействия с пользователем и управления, которые встречаются в описании предыдущих составляющих проекта.

Основными элементами являются окна. Так как все три предыдущих модуля "Карта здания", "Панорамы" и "Информационные блоки" отображаются каждый в отдельном окне.

Контроллеры элементов включаются в содержащие их модули, поэтому отдельного объявления не требуют. Данные передаются в представление в виде сформированного объекта, параметром.

Исходя из функций элементов интерфейса, они так же представляют один класс в общей архитектуре проекта.

UI.View - отображение элементов взаимодействия с пользователем и управления.

Управляющий модуль

Управляющий модуль является аккумулирующим и включает в себя все остальные. Тем самым ограничивает пространство имён проекта.

Основными задачами модуля является контроль текущего состояния программы, обработка всех действия пользователя с дельнейшим распределением по дочерним модулям. Инициализация проекта, создание экземпляров дочерних классов, загрузка файлов контента, а так же конфигурационных файлов, синхронизация и взаимодействие остальных модулей проекта.

Таким образом управляющий модуль играет ключевую роль в общей архитектуре программы. Но тем не менее он не имеет своего представления, а следовательно ограничивается лишь двумя классами:

Main.Model - инициализация проекта, создание экземпляров дочерних классов, синхронизация загрузки мультимедийных файлов проекта, а так же конфигурационных файлов.

Main.View - отображение окон дочерних модулей и элементов управления.

Main.Controller - обработка всех действий пользователя с последующим распределением между дочерними модулями.

• 3.3 Описание форматов конфигурационных файлов
• Для оптимизации процесса инициализации программы большая часть данных и настроек проекта вынесена в отдельные файлы, которые называются конфигурационными. Эта практика широко используется при проектировании программного обеспечения, так как значительно облегчает процесс проектирования, разработки и тестирование программных продуктов. Пропадает необходимость редактировать код программы каждый раз, когда необходимо задать новые параметры инициализации. Все параметры находятся в отдельных файлах, в удобном для чтения и понимания формате.
• Конечно, для использования конфигурационных файлов необходимо увеличивать программного объем кода. Так как возникает необходимость разрабатывать дополнительные модули для загрузки конфигурационных файлов, с последующей обработкой данных, проверкой корректности формата конфигурационного файла и формированием объектов данных. Только после этого сформированные объекты данных поступают в модели программных модулей, где считываются и изменяются по мере необходимости.
• Для хранения данных в конфигурационных файлах данного проекта было принято решение использовать популярный формат JSON.

JSON - текстовый формат обмена данными. Как и многие другие текстовые форматы, JSON легко читается людьми. Несмотря на происхождение от JavaScript, формат считается независимым от языка и может использоваться практически с любым языком программирования. Для многих языков существует готовый код для создания и обработки данных в формате JSON.

JSON-текст представляет собой (в закодированном виде) одну из двух структур:

– Набор пар ключ:значение. В JavaScript он реализуется как объект с ключом или ассоциативный массив. Ключом может быть только строка (регистрозависимая: слова с буквами в разных регистрах считаются разными), значением - любая форма.

– Упорядоченный набор значений. Реализовано как массив в языке JavaScript.

Это универсальные структуры данных, многие современные языки программирования, в частности JavaScript поддерживает их в той или иной форме. Они легли в основу JSON, так как он используется для обмена данными между различными языками программирования.

В качестве значений в JSON могут быть использованы:

– Объект - это неупорядоченное множество пар ключ: значение, заключённое в фигурные скобки "{ }". Ключ описывается строкой, между ним и значением стоит символ ":". Пары ключ-значение отделяются друг от друга запятыми.

– Массив (одномерный) -- это упорядоченное множество значений. Массив заключается в квадратные скобки "[ ]". Значения разделяются запятыми.

– Число.

– Литералы true, false и null.

– Строка - это упорядоченное множество из нуля или более символов юникода, заключённое в двойные кавычки. Символы могут быть указаны с использованием escape-последовательностей, начинающихся с обратной косой черты "\" (поддерживаются варианты \", \\, \/, \t, \n, \r, \f и \b), или записаны шестнадцатеричным кодом в кодировке Unicodehttps://ru.wikipedia.org/wiki/Unicode в виде \uFFFF.

Пример конфигурационного файла со списком этажей

[

{file: 'models/floor-1.obj', name: 'Этаж -1', height: -300},

{file: 'models/floor1.obj', name: 'Этаж 1', height: -250},

{file: 'models/floor3.obj', name: 'Этаж 2', height: -200},

{file: 'models/floor4.obj', name: 'Этаж 3', height: -150},

{file: 'models/floor5.obj', name: 'Этаж 4', height: -100},

{file: 'models/floor6.obj', name: 'Этаж 5', height: -50},

{file: 'models/floor6.obj', name: 'Этаж 6', height: 0},

{file: 'models/floor6.obj', name: 'Этаж 7', height: 50},

{file: 'models/floor6.obj', name: 'Этаж 8', height: 100},

{file: 'models/floor6.obj', name: 'Этаж 9', height: 150},

{file: 'models/floor6.obj', name: 'Этаж 10', height: 200}

]

Где:

file - путь к файлу модели этажа,

name - название этажа для отображения в программе,

height - высота на которой расположен этаж, на карте здания.

Пример конфигурационного файла с объектом панорам

{

0: {x: 80, y: -120, directs: [1, 2, 3], angle: 100, floor: 1},

1: {x: 180, y: -120, directs: [0], angle: 184, floor: 1},

2: {x: 100, y: -200, directs: [0], angle: -95, floor: 1},

3: {x: 30, y: -140, directs: [0, 4], angle: -110, floor: 1},

...