基于Quest 3D三維校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

蔣委軍，黃亞平，袁燕招

(浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310032)

基于Quest 3D三維校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

蔣委軍，黃亞平，袁燕招

(浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310032)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用，虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園和教育領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用，它利用目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合校園教學(xué)環(huán)境和三維景觀，在計(jì)算機(jī)中虛擬再現(xiàn)。本文以浙江工業(yè)大學(xué)校園為虛擬環(huán)境，采用3Ds Max構(gòu)建校園場(chǎng)景模型，采用Quest 3D實(shí)現(xiàn)虛擬校園縱覽、自由漫游、自動(dòng)尋徑、導(dǎo)航、自由切換四季晝夜天氣、背景音樂(lè)播放、視頻點(diǎn)播等交互功能，可使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。

3Ds Max；Quest 3D；虛擬校園；漫游

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一門綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能以及仿真技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。[1]同時(shí)它也是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用以創(chuàng)造視覺、聽覺、觸覺等高度仿真的虛擬空間，還可借助各種交互設(shè)備，沒有限制地瀏覽和操縱虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象，給用戶一種身臨其境的感覺。[2]

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展非常快，廣泛應(yīng)用于教育培訓(xùn)、軍事、醫(yī)療、游戲、建筑、影視娛樂(lè)等領(lǐng)域。在國(guó)外，自1990年起，世界上較早進(jìn)行幾何式建筑漫游并取得顯著成果的科研機(jī)構(gòu)——UC Berkeley建筑漫游工作室就開始進(jìn)行復(fù)制模型的實(shí)時(shí)漫游策略研究。隨著Internet在美國(guó)特別是大學(xué)校園的應(yīng)用與發(fā)展，美國(guó)大學(xué)校園的信息化建設(shè)在學(xué)生日常生活、教學(xué)活動(dòng)、學(xué)校科研及管理活動(dòng)等發(fā)面取得了突出的成績(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，更是為數(shù)字化校園建設(shè)提供了一種全新的應(yīng)用方式。[3]在國(guó)內(nèi)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究比一些發(fā)達(dá)國(guó)家晚，差距存在是難免的，但隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等技術(shù)在我國(guó)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已得到相當(dāng)?shù)闹匾暎鹞覈?guó)各界人士的關(guān)注，研究與應(yīng)用VR，建立虛擬環(huán)境，虛擬場(chǎng)景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展，國(guó)家科委國(guó)防科工委部已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。[4]由以上分析可知，本文探討基于Quest 3D的三維校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Quest 3D的三維校園漫游系統(tǒng)分為素材準(zhǔn)備、三維建模和交互設(shè)計(jì)三部分，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。素材主要采用實(shí)地拍攝和紋理繪制實(shí)現(xiàn)；模型是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用戶在虛擬校園中所見的所有場(chǎng)景都需要通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)，可見模型的優(yōu)劣很大程度上直接影響整個(gè)漫游系統(tǒng)的美感和沉浸感，本系統(tǒng)模型主要包括：

地形模型：根據(jù)前期數(shù)據(jù)處理，精確創(chuàng)建校園地形模型；

主體模型：包括教學(xué)樓群、圖書館、室內(nèi)設(shè)施及多媒體設(shè)備模型；

綠化模型：植被和花圃模型。

本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)交互主要是教室門、窗的開關(guān)、教室電腦視頻點(diǎn)播等。室外交互主要包括縱覽和自由漫游 （利用鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)虛擬校園任意景點(diǎn)進(jìn)行任意路線瀏覽）、自動(dòng)尋徑（在任意位置對(duì)某些特定景點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航）、導(dǎo)航、天氣系統(tǒng)切換（自由切換四季晝夜天氣）、背景音樂(lè)播放等。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.三維建模

模型構(gòu)建是通過(guò)圖形的三維幾何變化如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、錯(cuò)切及復(fù)合變換等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。[5]較完美的建模僅僅精確滿足基本造型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需盡量減少點(diǎn)數(shù)、段數(shù)、面數(shù)、整體復(fù)雜程度以及賦予合適的材質(zhì)貼圖，否則會(huì)嚴(yán)重影響渲染速度以及系統(tǒng)運(yùn)行速度。[6]本系統(tǒng)采用當(dāng)前廣泛應(yīng)用于廣告、建筑設(shè)計(jì)、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域的主流三維建模軟件3Ds Max創(chuàng)建模型、構(gòu)建虛擬場(chǎng)景。為了減輕前期建模的繁瑣程度，可通過(guò)Google Earth衛(wèi)星影像截圖，獲得地形墻體等比例形狀，進(jìn)而在Auto CAD中繪制實(shí)體輪廓，再導(dǎo)入3Ds Max進(jìn)行模型的建立，從而大大加快了建模效率。[7]同時(shí)，為了使得模型更加貼近現(xiàn)實(shí)，還需通過(guò)Photoshop對(duì)已采集的校園圖片進(jìn)行個(gè)性處理，獲得大量由真實(shí)場(chǎng)景生成的紋理貼圖，最后使用材質(zhì)編輯器將貼圖貼到相應(yīng)的位置后進(jìn)行渲染，從而獲得更為逼真的效果。

模型初步建立后還需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，包括合并相同材質(zhì)、刪除不可見的面、移除多余點(diǎn)線等，從而提高模型在引擎中的響應(yīng)速度，最后需要將所有模型整合到同一個(gè)max文件中以確定統(tǒng)一的世界坐標(biāo)，方便下階段的燈光繪制、烘焙和導(dǎo)入引擎，部分室內(nèi)外場(chǎng)景如圖2和圖3所示，3Ds Max完成整體場(chǎng)景構(gòu)建后，為了在Quest 3D中實(shí)現(xiàn)交互，必須導(dǎo)出成Quest 3D支持的.X或.CGR格式文件。

2.交互實(shí)現(xiàn)

交互是用戶和虛擬場(chǎng)景進(jìn)行相互作用的途徑，用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景中物體的操縱，以及其他動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)都必須通過(guò)人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)。[8]有效而簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互能使用戶更好地沉浸在虛擬環(huán)境中，可見交互是本系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心。當(dāng)前市場(chǎng)上進(jìn)行交互開發(fā)的引擎種類繁多，如Unity 3D、OSG、Virtools、Quest 3D等， 根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域各占一席之地，本系統(tǒng)采用的是在業(yè)界以效果出色而聞名的三維項(xiàng)目制作軟件——Quest 3D。通過(guò)程序控制，Quest 3D可以應(yīng)用在游戲研發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)、影視動(dòng)漫制作等眾多領(lǐng)域，而且Quest 3D能在即時(shí)編輯環(huán)境中與物件互動(dòng)，提供一個(gè)建構(gòu)即時(shí)3D的標(biāo)準(zhǔn)方案，這對(duì)于剛接觸交互引擎的人員無(wú)疑是一大福音，因?yàn)樵赒uest 3D里，所有的編輯器都是可視化的，編輯與執(zhí)行較容易，并真正所見即所得，讓使用者更專注于美工與互動(dòng)，不用擔(dān)心程序錯(cuò)誤及除錯(cuò)。[9]

三維模型導(dǎo)入Quest 3D后即可進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，采用Quest 3D實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外交互驅(qū)動(dòng)，主要解決以下問(wèn)題:

（1）場(chǎng)景的實(shí)時(shí)切換和動(dòng)態(tài)調(diào)用

對(duì)虛擬校園實(shí)時(shí)切換進(jìn)行漫游可利用鍵盤和鼠標(biāo)操縱，為了加快系統(tǒng)運(yùn)行速度及降低硬件需求，也可動(dòng)態(tài)修改Quest 3D中相應(yīng)的Channel模塊中單一文件實(shí)時(shí)加載到系統(tǒng)中。

（2）碰撞檢測(cè)

虛擬場(chǎng)景中為避免穿墻而過(guò)的情況發(fā)生，碰撞檢測(cè)(檢測(cè)不同對(duì)象之間是否發(fā)生了碰撞)是不可或缺的，碰撞檢測(cè)算法的效率直接影響到應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，尤其是大場(chǎng)景中的應(yīng)用。虛擬校園是大量實(shí)體對(duì)象的結(jié)合體，必須解決大量物體間的反復(fù)碰撞檢測(cè)，本系統(tǒng)存在兩種碰撞檢測(cè)：一種是與地形的碰撞檢測(cè)；另一種是與建筑物的碰撞檢測(cè)。

本系統(tǒng)借助Quest 3D強(qiáng)大的功能，借鑒并整合了當(dāng)前各類虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目背景音樂(lè)、導(dǎo)航圖、漫游、縱覽等主流功能的同時(shí)，還增加了自動(dòng)尋徑和視頻播放等功能，使得用戶得到進(jìn)一步的沉浸式體驗(yàn)，讓用戶即使沒有機(jī)會(huì)參觀校園，也能在虛擬校園中實(shí)現(xiàn)自由漫游，身臨其境地感受校園氛圍并借助視頻播放功能進(jìn)行學(xué)習(xí)，自動(dòng)尋徑程序如圖4所示。

3.系統(tǒng)發(fā)布

實(shí)現(xiàn)所有模塊功能并經(jīng)過(guò)單元測(cè)試和集成測(cè)試后，單擊Quest 3D的File菜單——Publish進(jìn)行作品發(fā)布，可根據(jù)實(shí)際情況將發(fā)布類型設(shè)定為Executable、Web page、Quest 3D Viewer等多種類型，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示，可單擊功能菜單實(shí)現(xiàn)漫游。

四、結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建高仿真視覺、聽覺和觸覺虛擬空間，不僅能夠提高人類對(duì)跨時(shí)空事物的認(rèn)知能力，還把計(jì)算機(jī)技術(shù)推向另一個(gè)高潮。本系統(tǒng)采用3Ds Max建模，場(chǎng)景內(nèi)容豐富逼真，采用Quest 3D實(shí)現(xiàn)虛擬校園的自由漫游，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。下一步將完善虛擬教室的交互功能，擴(kuò)大本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

[1]李沁蓉.基于VRML的虛擬校園交互式漫游系統(tǒng)[D].天津:天津大學(xué),2006.

[2]游麗.基于Quest3D的交互式虛擬建筑漫游系統(tǒng)的建立[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊)，2009(11):253-254.

[3]蘆鴻雁,李斌兵.虛擬校園及其在現(xiàn)代化教學(xué)中的作用[J].科技資訊,2007(34):102-103.

[4]許微.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009(21)：279-280.

[5]Donald Hearn，Pauline Baker.Computer Graphics C Version 2ndEd[M].Prentice Hall，1997.

[6]明慧,李進(jìn)，任瑩等.基于Virtools虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊,2010,10(5):39-42.

[7]楊鍵,耿衛(wèi)東,潘云鶴等.基于圖像的虛擬景觀漫游[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào),2001，13(3):229-235.

[8]陳俊浩，顧容，李春霞.地鐵事故應(yīng)急救援技能培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].中國(guó)教育信息化，2010(5):50-52.

[9]艾伯特電通股份有限公司.Quest 3D游戲制作Ez Book[M].臺(tái)灣：學(xué)貫行銷股份有限公司，2008.

(編輯：楊馥紅)

TP391

A

1673-8454(2012)07-0049-03

*資助項(xiàng)目：浙江工業(yè)大學(xué)2011年學(xué)生課外科技基金項(xiàng)目。