高猛

關(guān)鍵詞： 虛擬校園; 漫游系統(tǒng); 角色建模; 行為控制; 碰撞檢測; 信息化建設(shè)

中圖分類號： TN915.5?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0104?04

Role modeling and behavior control in 3D virtual campus roaming system

GAO Meng

（Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： At present， the main content of informatization construction in colleges and universities is to build digital campus， and the comprehensive software and hardware strength of colleges and universities is mainly reflected in the construction and development of the 3D virtual campus roaming system. The processes of role modeling and behavior control in the 3D virtual campus roaming system are researched in this paper， so as to create a better 3D virtual campus roaming system. The 3D modelling method based on the digital photogrammetry technology is adopted to construct a single 3D?role building model. Multiple single building models are combined and adjusted with the environmental element and other elements added， so as to obtain an overall virtual campus role model. The role behavior control is realized by means of interactive roaming， role information prompt and collision detection. The experimental results show that the role model built using the method proposed in this paper has many textures， high clarity， fast running speed， and the average collision detection time of less than 19.8 ms， which can provide a clear and smooth visual 3D virtual campus roaming platform for browsers.

Keywords： virtual campus; roaming system; role modeling; behavior control; collision detection; informatization construction

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，將計算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)結(jié)合在一起，通過計算機(jī)創(chuàng)造虛擬環(huán)境，通過調(diào)動瀏覽者多種感官，使瀏覽者產(chǎn)生身臨其境的感覺，促使瀏覽者與虛擬世界產(chǎn)生交互作用[1]。虛擬現(xiàn)實世界衍生出的重要分支是虛擬場景漫游技術(shù)，它集成虛擬現(xiàn)實技術(shù)交互性、沉浸性，對建立虛擬漫游場景有一定的意義[2?3]，應(yīng)用在建筑設(shè)計、游戲、航天等多個領(lǐng)域。將虛擬場景漫游技術(shù)應(yīng)用在三維虛擬校園漫游系統(tǒng)中，能呈現(xiàn)出較為真實的三維虛擬校園環(huán)境[4]，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，在多個方面發(fā)揮重要的作用，如規(guī)劃校園環(huán)境建設(shè)、對外宣傳學(xué)校、管理教學(xué)資源等方面[5]。本文研究三維虛擬校園漫游系統(tǒng)中角色模型的建立和行為控制過程，為進(jìn)一步建設(shè)和管理校園提供可靠的可視化平臺。

1 ?角色建模與行為控制方法

1.1 ?角色建模

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分是構(gòu)建角色模型，建立角色模型分為單獨建模和合拼兩個部分。以建筑角色建模為例，建立三維虛擬校園漫游系統(tǒng)建筑模型時，采用基于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的三維建模方法，構(gòu)建單一建筑三維角色模型，并對建筑物三維模型的表面進(jìn)行貼圖處理，不斷調(diào)整貼圖位置，直到達(dá)到系統(tǒng)要求，此時完成單一建筑物建模。將校園中不同建筑物依次進(jìn)行單一建模處理，得到校園主要建筑物虛擬三維模型，將所有單一建筑物三維模型進(jìn)行合拼處理，在合拼過程中，加入環(huán)境要素和其他要素[6]?？傮w三維虛擬校園漫游系統(tǒng)角色模型建立流程如圖1所示。

1.2 ?行為控制方法

1.2.1 ?系統(tǒng)交互漫游

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)漫游時通過導(dǎo)航節(jié)點和視點節(jié)點控制行為，實現(xiàn)交互，根據(jù)導(dǎo)航節(jié)點設(shè)置瀏覽速度和瀏覽方式。在瀏覽者瀏覽虛擬校園時，通過視點節(jié)點控制位置和朝向，瀏覽者通過外部設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤等，實現(xiàn)和虛擬校園漫游系統(tǒng)交互行為[7]。系統(tǒng)交互功能見圖2。

瀏覽者與虛擬校園漫游系統(tǒng)交互體現(xiàn)在切換視點和視角，通過交互感應(yīng)器節(jié)點、Script節(jié)點，實現(xiàn)瀏覽者與虛擬校園漫游系統(tǒng)交互。在實現(xiàn)瀏覽者與虛擬校園漫游系統(tǒng)交互過程中，如果瀏覽者站立角度發(fā)生改變，應(yīng)重新繪制虛擬校園漫游系統(tǒng)場景，通過改變場景中三維物體或者變換視點[8]，調(diào)整交互場景畫面。通過視點改變場景畫面，需要改變眼睛位置，對參考矢量進(jìn)行矩陣變換，將原點當(dāng)作觀察點，映射目標(biāo)點到對應(yīng)z軸上。對眼睛位置參考矢量進(jìn)行矩陣投影時，場景被映射到相關(guān)視區(qū)中心，向上矢量被映射到y(tǒng)軸上。

1.2.2 ?角色信息提示功能

角色在三維虛擬校園漫游過程中，三維虛擬校園漫游系統(tǒng)提供文檔幫助，通過文檔幫助，瀏覽者能了解使用漫游引擎方法和不同功能相對應(yīng)鍵盤按鍵[8]。當(dāng)角色在三維虛擬校園漫游時，若想了解某一建筑物基本信息，單擊建筑物，會出現(xiàn)文字介紹或語音介紹，讓瀏覽者更詳細(xì)了解校園，對校園有更形象的認(rèn)識，提高了三維虛擬校園漫游系統(tǒng)交互性能[9]。

1.2.3 ?攝像機(jī)設(shè)置

攝像機(jī)使三維虛擬校園漫游得以實現(xiàn)，攝像機(jī)控制瀏覽者視野范圍，攝像機(jī)位置代表瀏覽者觀看校園環(huán)境角度。在三維虛擬校園漫游時，攝像機(jī)根據(jù)追蹤角色方式追隨攝像，且攝像機(jī)與角色間保持著一定距離，攝像機(jī)追蹤人物角色時，要注意避免攝像機(jī)穿過虛擬建筑物，防止給瀏覽者帶來不真實感，即在三維虛擬校園漫游時，應(yīng)進(jìn)行碰撞檢測。

1.2.4 ?碰撞檢測

三維虛擬校園漫游的重要環(huán)節(jié)是碰撞檢測，通過碰撞檢測增強(qiáng)虛擬校園真實感[10]。當(dāng)角色在三維虛擬校園漫游時，應(yīng)該對角色、建筑物等一系列障礙物進(jìn)行碰撞檢測，避免出現(xiàn)角色從障礙物穿過的現(xiàn)象。同時還要考慮角色在地面行走的姿態(tài)，角色行走姿態(tài)應(yīng)隨著地形變化發(fā)生改變，即要對角色行走進(jìn)行碰撞檢測。具體碰撞檢測過程如圖3所示。

先創(chuàng)立一個交集訪問器，以線段A，B為例，將A，B添加到交集訪問器中，遍歷場景層次，若線段A不為空，線段B為空，那么瀏覽者漫游視點繼續(xù)向前，前面沒有障礙物，變換視點位置;反之，線段A為空，線段B不為空，這時瀏覽者視點應(yīng)該停止向前，防止出現(xiàn)穿過障礙物的現(xiàn)象。

2 ?實驗分析

2.1 ?系統(tǒng)整體漫游效果分析

實驗檢驗采用本文角色建模以及行為控制方法后，在某大學(xué)三維虛擬校園漫游效果檢驗過程中，應(yīng)在漫游系統(tǒng)中創(chuàng)立相機(jī)動畫，即在虛擬校園場景中設(shè)置3個相機(jī)，包括行走相機(jī)、旋轉(zhuǎn)相機(jī)和飛行相機(jī)，實現(xiàn)瀏覽者自由漫游、繞點漫游和空中鳥瞰整個虛擬校園，從而對整個三維虛擬校園漫游系統(tǒng)進(jìn)行檢測。得到的三維虛擬校園全景圖如圖4所示。采用本文方法進(jìn)行角色建模和行為控制后的實驗三維虛擬校園漫游系統(tǒng)整體漫游效果較好，清晰度和分辨率較高，場景紋理、比例大小較符合實際，帶給瀏覽者身臨其境的感覺。

2.2 ?建模效果分析

實驗為了分析本文方法構(gòu)建三維虛擬角色建模效果，采用基于SketchUp的三維角色建模方法作為對比，對比分析兩種方法在構(gòu)建實驗三維虛擬校園漫游系統(tǒng)中角色三維模型的紋理數(shù)和幀速，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，本文方法建立角色模型紋理數(shù)相對于對比方法建立角色模型紋理數(shù)多，至少相差1 MB，最多相差16.37 MB，即采用本文方法建立三維虛擬校園漫游系統(tǒng)角色模型清晰度更高;對于相同角色模型，本文方法運(yùn)行幀速與對比方法運(yùn)行幀速最小相差4 f/s，最多相差8 f/s，即本文方法建立角色模型運(yùn)行幀速較高，說明本文方法建立角色模型進(jìn)行行為控制后，三維虛擬校園漫游系統(tǒng)畫質(zhì)更好，且角色動作十分流暢。

2.3 ?碰撞檢測

很多運(yùn)動和靜止的角色模型存在于三維虛擬校園漫游系統(tǒng)中，瀏覽者的交互和三維虛擬校園中角色的運(yùn)動，導(dǎo)致角色與虛擬建筑之間相互碰撞。為了避免碰撞現(xiàn)象發(fā)生，維持虛擬環(huán)境真實感，應(yīng)實時檢測三維虛擬校園漫游系統(tǒng)中的碰撞現(xiàn)象，及時更新繪制，以防產(chǎn)生不真實效果，致使瀏覽者體驗效果差。以實驗三維虛擬校園漫游中角色與臺階的碰撞為例，對比分析碰撞檢測前后角色的運(yùn)動狀態(tài)，檢驗本文方法的碰撞檢測效果，結(jié)果見圖5。同時將本文碰撞檢測方法與基于碰撞方向凸包碰撞檢測方法進(jìn)行對比，結(jié)果見圖6。

進(jìn)行碰撞檢測前，三維角色模型只能向前平移前進(jìn)，無法辨識臺階高度，會出現(xiàn)腳陷入臺階狀態(tài)，給瀏覽者帶來不真實的感覺。采用本文方法控制實驗校園漫游系統(tǒng)中的三維角色進(jìn)行碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有障礙物出現(xiàn)在前面時，三維角色模型會自動對其進(jìn)行分析，判斷路徑的可行性，從而改變行走路徑，繞過障礙物，避免出現(xiàn)物體間相互碰撞的現(xiàn)象。

圖6描述的兩種碰撞檢測方法對比結(jié)果表明，本文碰撞檢測方法平均碰撞檢測時間較短，始終低于19.8 ms，且平均碰撞檢測時間隨三角形重疊數(shù)目變化不大，即本文碰撞檢測方法較為穩(wěn)定，具有碰撞檢測效率高的優(yōu)勢;而對比檢測方法隨三角形數(shù)目的增多，平均碰撞檢測時間也在增加，增長幅度較大，最高碰撞檢測時間為61 ms，與本文碰撞檢測方法相比耗時多，因此本文方法的碰撞檢測效果更為理想。

3 ?結(jié) ?論

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)是數(shù)字化校園的重要組成部分，為校園的規(guī)劃發(fā)展提供有力支撐。本文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為基礎(chǔ)，設(shè)計三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，重點研究三維虛擬角色模型建模和行為控制過程，確保三維虛擬校園漫游系統(tǒng)更加完整逼真。經(jīng)過碰撞檢測得出，本文行為控制方法對校園漫游系統(tǒng)進(jìn)行實時更新繪制，減少了碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，增強(qiáng)了漫游系統(tǒng)的真實性、交互性。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭雪昆，陳浩，邱天，等.針對創(chuàng)意角色模型的蒙皮與三維制造技術(shù)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2017，29（7）：1177?1185.

GUO Xuekun， CHEN Hao， QIU Tian， et al. Rigging and fabricating creative characters [J]. Journal of computer?aided design & computer graphics， 2017， 29（7）： 1177?1185.

[2] 李濤濤，方雄兵，林銳，等.基于Top?down建模機(jī)制的三維虛擬人快速建模方法[J].中國艦船研究，2017，12（1）：38?44.

LI Taotao， FANG Xiongbing， LIN Rui， et al. 3D virtual human rapid modeling method based on top?down modeling mechanism [J]. Chinese journal of ship research， 2017， 12（1）： 38?44.

[3] 張會霞，馬神兵，張亦弛.基于三維GIS的虛擬校園環(huán)境研究[J].測繪通報，2017（6）：118?121.

ZHANG Huixia， MA Shenbing， ZHANG Yichi. Research on virtual campus environment based on 3D GIS [J]. Bulletin of surveying and mapping， 2017（6）： 118?121.

[4] 趙偉，陳偉，李兵.基于3?RPC并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三維振動隔離系統(tǒng)的動力學(xué)建模與控制研究[J].振動與沖擊，2017，36（7）：62?69.

ZHAO Wei， CHEN Wei， LI Bing. Dynamic modeling and control for a three?dimensional vibration isolation system with a 3?RPC parallel mechanism [J]. Journal of vibration and shock， 2017， 36（7）： 62?69.

[5] 張國峰.BIM在建筑工程巖土勘察三維虛擬現(xiàn)實可視化中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2017，48（3）：275?277.

ZHANG Guofeng. Application of BIM technique in 3D virtual reality visualization of architectural geotechnical investigation [J]. Architecture technology， 2017， 48（3）： 275?277.

[6] 李昕昕，龔勛.三維人臉建模及在跨姿態(tài)人臉匹配中的有效性驗證[J].計算機(jī)應(yīng)用，2017，37（1）：262?267.

LI Xinxin， GONG Xun. 3D face modeling and validation in cross?pose face matching [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（1）： 262?267.

[7] 唐超.三維地質(zhì)建模及可視化研究在城市地質(zhì)工作中的應(yīng)用探討[J].中國礦業(yè)，2016，25（z2）：347?350.

TANG Chao. Application of 3D geological modeling and visualization in urban geology [J]. China mining magazine， 2016， 25（S2）： 347?350.

[8] 鞏衛(wèi)衛(wèi)，王瑞，李曉娟.基于UPPAAL的認(rèn)知機(jī)器人控制行為建模與驗證[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2016，37（6）：1279?1283.

GONG Weiwei， WANG Rui， LI Xiaojuan. Modeling and validation of cognitive robot control behavior using UPPAAL [J]. Journal of Chinese computer systems， 2016， 37（6）： 1279?1283.

[9] 雷書賓，李建平，郭永春，等.SiCP/Al復(fù)合材料的三維微觀結(jié)構(gòu)建模與力學(xué)行為模擬[J].熱加工工藝，2017，46（10）：121?125.

LEI Shubin， LI Jianping， GUO Yongchun， et al. 3D microstructure modeling and mechanical behavior simulation of SiCP/Al composite [J]. Hot working technology， 2017， 46（10）： 121?125.

[10] 王丹婷，蔣友燏.古建筑三維虛擬建模與虛實交互軟件實現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2017，37（z2）：186?189.

WANG Danting， JIANG Youyu. 3D?virtual modeling for historic architecture and realization of virtual interactive software [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（S2）： 186?189.