鄧小霞　鄭夢瑩　陳　丁

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基于VR技術(shù)的三維校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧小霞鄭夢瑩陳丁

（湖南科技學(xué)院 傳媒學(xué)院，湖南 永州 425199）

VR技術(shù)采用電腦模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬空間，用戶與之交互，可得到視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗(yàn)，獲得身臨其境之感。三維虛擬漫游系統(tǒng)，因其獨(dú)特的沉浸感、互動性和實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)，在信息社會的今天快速發(fā)展。本文以湖南科技學(xué)院校園環(huán)境為虛擬空間,通過收集數(shù)據(jù)、建立三維模型、碰撞檢測和系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)等方法解決三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)難題，最終設(shè)計(jì)出三維校園漫游系統(tǒng)在網(wǎng)上發(fā)布，讓瀏覽者足不出戶便能領(lǐng)略學(xué)校風(fēng)光，為數(shù)字校園建設(shè)提供一個良好平臺。

VR技術(shù)；三維漫游系統(tǒng)；碰撞檢測；交互設(shè)計(jì)

1　引　言

虛擬現(xiàn)實(shí)也稱為靈境技術(shù)，簡稱為VR，是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的一種動態(tài)仿真系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能和網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)等多種技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在軍事、醫(yī)療、地質(zhì)、制造、娛樂、地理信息系統(tǒng)等行業(yè)呈迅猛發(fā)展的趨勢。虛擬漫游在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用中起到了“畫龍點(diǎn)睛”的作用，實(shí)現(xiàn)了三維景觀的虛擬化，增強(qiáng)了交互性。

21世紀(jì)科技的發(fā)展伴隨著數(shù)字化、信息化的特點(diǎn)，隨著高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，學(xué)校管理也日趨數(shù)字化、智能化與現(xiàn)代化。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的三維數(shù)字化校園可以對校園信息進(jìn)行壓縮合成，在一個虛擬平臺上實(shí)現(xiàn)校園可視化觀光、游覽。同時給訪問者開拓了一個三維可視化、充滿趣味性的信息公開與搜索平臺。為高校提升現(xiàn)代化管理水平和效率，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，樹立學(xué)校品牌形象，擴(kuò)大學(xué)校影響力提供了契機(jī)。本研究基于虛擬漫游、三維建模及相關(guān)技術(shù)，以及先進(jìn)的交互技術(shù)，借助VRML建模語言，搭建湖南科技學(xué)院基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的校園漫游系統(tǒng)。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)

VRML：可用來搭建現(xiàn)實(shí)世界的場景模型，也可用于虛擬世界的三維建模。它對于不同平臺都能良好兼容，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)語言。使用它可以監(jiān)控人的操作行為，并隨之產(chǎn)生對應(yīng)變化。作為一種具有解釋功能的三維建模語言，VRML具有面向?qū)ο?，面向web的特點(diǎn)。它加強(qiáng)了WWW的交互性，使之更豐富。在VRML中，對象被稱為結(jié)點(diǎn)，復(fù)雜的物體便是由子結(jié)點(diǎn)簇?fù)矶伞＝Y(jié)點(diǎn)可以借助實(shí)例被多次使用，將之命名，定義后，便能參與動態(tài)三維虛擬場景的構(gòu)建過程。

OpenGL：作為一個無關(guān)乎硬件的程序接口，它可以在多個平臺間進(jìn)行移植。通過一些轉(zhuǎn)換程序，便捷地將3DS、DXF等模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)組。OpenGL圖形庫提供基于基本元素的繪制函數(shù)以及復(fù)雜三維物體、復(fù)雜曲線和曲面的繪制函數(shù)，變換方式含基本變換以及投影變換。這樣的變換使得運(yùn)算時間銳減，3D圖像的顯示速度加快。OpenGL功能十分強(qiáng)大，調(diào)用起來也很方便。

借助第三方軟件搭建三維模型，如Viewpoint、QuickTimeVR等。

Viewpoint：Viewpoint為全球各行各業(yè)提供最豐富的3D模型資源。在Viewpoint場景中，合理設(shè)置三維對象的燈光、材質(zhì)、陰影等參數(shù)，可使三維對象更加逼真。憑借特有的壓縮技術(shù)和流式播放方式、良好的互動性，Viewpoint在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用中占有重要地位。

QuickTime VR：提供了一種以圖像為基礎(chǔ)的場景建模與交互手段。包括全景節(jié)點(diǎn)和物體節(jié)點(diǎn)。同時，它支持十分簡便的編輯功能，只需控制鼠標(biāo)拖、按、放等操作，用戶便可以迅速搭建虛擬場景。

LOD技術(shù)：動態(tài)特性與交互延遲影響用戶對虛擬環(huán)境的沉浸感，其中圖形的生成速度是重要指標(biāo)。在保證真實(shí)的畫面效果的前提下，我們可利用LOD技術(shù)逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)，仿照每個原始模型創(chuàng)建多個不同接近精度的幾何模型，以降低虛擬場景的幾何復(fù)雜性，提高模型塑造的效率。在運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)時，恰當(dāng)?shù)剡x擇細(xì)節(jié)層次模型，能提高系統(tǒng)的渲染速率同時保證模型的精細(xì)度。

3　虛擬校園三維模型的建立

3.1 三維場景建模原理

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三維場景建模是一項(xiàng)地基工程，場景生成系統(tǒng)的真實(shí)度對虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互性好壞有著決定性的影響。在研究中，我們通過三維建模構(gòu)造場景數(shù)據(jù)庫，再結(jié)合漫游技術(shù)構(gòu)建整個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。整個校園環(huán)境的建模是個大工程，在建模時可以先對建筑物進(jìn)行單獨(dú)建模，然后將模型放到虛擬環(huán)境的對應(yīng)坐標(biāo)，從而合成整個場景系統(tǒng)。使用了以下兩種場景建模方法：

（1）用VRML編輯器VRML pad直接建模，借助VRML pad工具利用編輯好的程序制作模型。

（2）利用3DS MAX軟件進(jìn)行建模，制作出具有逼真效果，占用空間小的三維模型，為達(dá)到開發(fā)的最佳性能和效果，在實(shí)際的建模過程中，我們結(jié)合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行建模。

虛擬環(huán)境的建模是虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)過程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，建模前首先要進(jìn)行總體分析，了解建模對象的物理屬性、運(yùn)動趨勢、對象間的邏輯連接等，合理分配硬件資源，為后面的環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。

3.2 數(shù)據(jù)收集階段

數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)需要調(diào)動人力、物力，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)認(rèn)真觀察學(xué)校建筑群的特點(diǎn)，借助測量，相機(jī)拍攝等手段了解建筑物的實(shí)際屬性，根據(jù)建設(shè)過程中對于不同場景的不同要求，處理好圖片，整理好數(shù)據(jù)并選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)和圖片資源。貼圖內(nèi)容主要包括樓宇、林地、道路、公共設(shè)施等。數(shù)據(jù)收集資料分為兩類：

（1）圖紙資料：向有關(guān)部門索要校園的圖紙資料。例如學(xué)校地形圖、航拍照片、建筑景觀及校園工程制圖等資料。

（2）貼圖資料：含透明貼圖和不透明貼圖。制作透明貼圖時，可將原始圖導(dǎo)入圖形處理軟件如Photoshop中，進(jìn)行精細(xì)化加工后制得。不透明貼圖可通過前期拍攝、掃描，再用Photoshop軟件進(jìn)行加工處理，存儲起來作為模型紋理庫后期調(diào)用。

3.3 三維實(shí)體建模環(huán)節(jié)

（1）校園建筑物建模。以建筑物的基本結(jié)構(gòu)為對象，用基本幾何體搭建出建筑物的框架。進(jìn)一步完善，制作出符合實(shí)際情況的建筑物的墻體及門窗等，最后完成整個建筑物的模型搭建，整個建筑模型制作力圖線條簡約流暢。

在對建筑物模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時，對于結(jié)構(gòu)簡單、外形規(guī)則的建筑物采用貼圖法建模。而對于造型復(fù)雜、外形多樣化的建筑物，如訓(xùn)練房、醫(yī)務(wù)室、圖書館，則使用3DMAX中的布爾交、并、補(bǔ)運(yùn)算等多種方式進(jìn)行建模。這時，還應(yīng)對建筑物進(jìn)行多方位拍攝，然后導(dǎo)入圖形處理軟件中處理，制作不規(guī)則貼圖。

（2）花草樹木建模。實(shí)體建模雖然真實(shí)有效，但同時造成文件體積大，瀏覽速度減慢。對于頻繁出現(xiàn)在場景中物體、建筑物，采用公告板節(jié)點(diǎn)法來建模。公告板節(jié)點(diǎn)可使其內(nèi)部的子節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)正對用戶，使得樹木建模過程中平面貼圖立體化顯示。運(yùn)用此方法塑造的樹木，看起來十分真實(shí)，這樣既減小了文件又不影響場景的真實(shí)度。但是這種方法在用戶非平視視角進(jìn)行觀測時，會有失真現(xiàn)象。

（3）模型的優(yōu)化與檢查。總體上模型面數(shù)的優(yōu)化可以按照這幾種方式：模型分段的優(yōu)化、不重要部分的優(yōu)化、視圖范圍外的優(yōu)化、柱子、門窗、圍欄的優(yōu)化、其它地方的綜合優(yōu)化。首先，因?yàn)槟Ｐ蛯纫蟛桓?，設(shè)計(jì)者總是力圖用最少的面來將模型結(jié)構(gòu)精細(xì)化，再綜合考慮計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速率，應(yīng)盡可能地保證多邊形面不超過四邊面。其次，為保證多邊形面的產(chǎn)生率低并使模型更加和諧精細(xì)，在處理圖片時，將低模進(jìn)行細(xì)致刻畫，使細(xì)節(jié)部分浮現(xiàn)出來，然后將模型同一位置的精模圖紋渲染出圖片，之后烘培貼附在同一處的低模上，巧妙地呈現(xiàn)良好的視覺效果。最后，合理切割細(xì)化建筑模型的邊緣，虛化建筑模型邊緣線，使模型更加逼真。

4　碰撞檢測

復(fù)雜虛擬場景中物體的屬性多樣化，存在狀態(tài)也多樣化，物體間極易發(fā)生碰撞，產(chǎn)生穿透現(xiàn)象。為了避免物體間的碰撞對虛擬環(huán)境的逼真度和用戶的沉浸感造成惡劣影響，本研究采用以下兩種方法來解決碰撞問題：一是減少碰撞檢測的物體對數(shù)目；二是提高碰撞算法的效率。

在VR環(huán)境中，碰撞檢測的通用算法主要有空間分解法及層次包圍盒法。層次包圍盒法可用于粗略估計(jì)幾何物體之間是否發(fā)生了碰撞，這種方法通過自頂向下的方式構(gòu)造包圍盒樹，可用來進(jìn)行快速碰撞檢測。空間分解法是將虛擬場景分割成等體積的空間，進(jìn)行碰撞檢測時只對相同空間或相鄰空間中的幾何物體進(jìn)行測試。這樣的檢測方法大大提高了檢測效率，對于檢測稀疏場景中整體分布均勻的幾何物體非常便利。

離散方向多面體（k-Dop）檢測法是層次包圍盒算法中的一種經(jīng)典算法，它的核心思想是各層次包圍盒應(yīng)最大程度地包裹其中的景物，根據(jù)景物的真實(shí)形態(tài)選擇多對不同方向的平行平面對對景物進(jìn)行層次包圍。k-DOP算法采用平行平面對來包圍物體，通過合理選擇k的取值和平行平面對的方向，k-DOP可提高包圍物體的緊密性，簡易高效地進(jìn)行碰撞檢測。

5　交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過人機(jī)交互，虛擬漫游系統(tǒng)的高沉浸感得以實(shí)現(xiàn)。故交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的校園三維漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)好的交互，就要搭建好虛擬現(xiàn)實(shí)場景系統(tǒng)，關(guān)注漫游場景運(yùn)行時的焦點(diǎn)變化，用戶視線方向等的轉(zhuǎn)變。

VRML建模語言為用戶提供了與虛擬漫游系統(tǒng)進(jìn)行良好交互的功能。VRML是一種基于C/S模式的訪問方式，用戶聯(lián)網(wǎng)下載待訪問的文件,并經(jīng)由本機(jī)平臺上的VRML瀏覽器訪問該文件，便可暢游于事先設(shè)定好的虛擬世界。VRML 文件的基本單元是由域和事件組成的節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送出事件，經(jīng)過事件傳遞通路傳遞到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)，目標(biāo)結(jié)點(diǎn)再通過接收事件，并作出相應(yīng)改變，如此一來，通過構(gòu)成事件體系的基本元素——路由聯(lián)系起來的結(jié)點(diǎn)就形成了事件體系。事件體系將事件串聯(lián)起來，“牽一發(fā)而動全身”，虛擬空間便能及時對用戶的輸入操作作出反映并產(chǎn)生對應(yīng)的場景轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)簡單的交互功能。

虛擬校園可視化的實(shí)現(xiàn)，使得用戶能通過一個固定平臺對校園信息進(jìn)行實(shí)時化管理，獲取校園熱點(diǎn)信息。利用VRML語言，并通過連接數(shù)據(jù)庫，用戶能實(shí)現(xiàn)地理信息查詢功能，最終建立包括場景切換，仿真模擬，三維漫游等技術(shù)在內(nèi)的模擬環(huán)境。最后，在網(wǎng)上發(fā)布虛擬校園系統(tǒng)，并鏈接到校園網(wǎng)，為學(xué)校提供一個在線瀏覽校園風(fēng)光的平臺。

6　結(jié)束語

在研究過程中，我們以三維建模技術(shù)和仿真漫游技術(shù)為根基，盡力采用最簡單的建模方式打造最逼真的三維場景，并能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速、逼真的漫游效果。本研究所建立的校園漫游系統(tǒng)可通過鼠標(biāo)鍵盤控制漫游路徑，進(jìn)行視點(diǎn)變換，具有一定的實(shí)用性，為校園宣傳提供了一個形象新奇的可視化人機(jī)交互平臺，也為數(shù)字校園的建設(shè)開拓了一個全新的研究領(lǐng)域，積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1]李琳.虛擬環(huán)境建模方法及應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2002, (6):32-34.

[2]張茂軍,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3]趙鳳芝,基于VRML的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建[J].東北石油大學(xué)學(xué)報,2011,(2):90-92.

[4]曲巨寶,基于VRML的三維虛擬校園漫游系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2007,(7):99-101.

[5]江輝仙,數(shù)字校園三維仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].福建師范大學(xué)學(xué)報,2008,(4):86-90.

（責(zé)任編校：何俊華）

2016－03－20

2015年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號2015269471）；湖南省2013年普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號2013223434）；2012年湖南省教育科學(xué)研究基地“湖南省教育科學(xué)信息技術(shù)教育研究基地”（湘教科研通[2012]32號）。

鄧小霞（1984－）男，湖南永州人，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助教育。

TP39

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1673-2219（2016）05-0100-03