虛擬校園漫游與實時可視化研究*

楊玉婷，楊佳平

(云南大學旅游文化學院信息科學與技術系，云南 麗江 674100)

虛擬校園漫游與實時可視化研究*

楊玉婷，楊佳平

(云南大學旅游文化學院信息科學與技術系，云南 麗江 674100)

將虛擬現實技術和人機工程相結合，基于Crystal Space 3D平臺實現虛擬校園系統。該系統由數據和軟件兩部分組成，數據部分包括多媒體數據和三維模型數據。在建模階段引入面向對象思想并大量使用紋理，降低了三維模型的復雜度。同時，使用XML描述導出后的模型，使模型數據更容易被讀取和解析。軟件部分支持多種輸入硬件、支持不同的漫游方式和對虛擬校園中指定地點的查詢及自動尋路，并配以介紹學校文化的背景音樂，使整個虛擬系統在突出虛擬現實交互性、沉浸性等獨有特性的同時，最大限度考慮“人”的使用因素，提供多樣的使用方法和舒適的使用環境等人機工程特性，使系統的實用性更強。

虛擬現實；虛擬校園；人機交互；Crystal Space 3D

1 引言

虛擬校園是虛擬現實技術[1～3]在數字化校園中的具體應用，是數字校園建設的核心。通過將校園地理信息和虛擬技術相結合，以虛擬現實場景界面作為校園景觀展示及信息的瀏覽查詢窗口，實現人們在計算機上虛擬地游覽、規劃實際校園的目的。國內外對虛擬校園的研究從未間斷過，從1996年，天津大學在SGI硬件平臺上基于VRML最早開發虛擬校園起，浙江大學、清華大學、南京大學、北京航空航天大學、華中科技大學、香港中文大學等也進行了數字校園的建設[4～6]。另外，Norwegian大學、Nanyang技術大學等也加入其中，并為虛擬校園今后的發展提供了一些新思路[7～9]。同時，用戶在使用軟件時對軟件在方便、舒適、實用和效率等方面的要求越來越高，即要求軟件操作更加人性化。因此，將人機工程與虛擬校園相結合、最大限度考慮“人”的因素也顯得越來越重要。

“人機工程學”把人-機-環境系統作為研究的基本對象，運用生理學、心理學和其它有關學科知識，根據人和機器的條件與特點，合理分配人和機器承擔的操作職能，并使之相互適應，從而為人創造出舒適和安全的工作環境，使工效達到最優的一門綜合性學科[10,11]。因此，結合虛擬現實和人機工程的特點，基于Crystal Space 3D平臺實現了虛擬校園系統。該系統在設計過程中最大限度考慮“人”的使用因素，使整個系統在體現虛擬現實的感知性、沉浸性和交互性的同時，將人的心理特征、空間感、行走、飛行等感覺和行為功能納入到人機交互中，不斷突出人與軟件間自然和流暢的交流與協作，體現了系統的人性化、舒適性及多樣的使用方法等人機工程特性。

2 Crystal Space 3D

Crystal Space 3D(以下簡稱CS)是一個成熟的、具備完全功能的、輕量級的3D SDK(Software Development Kit)，為游戲和虛擬現實等應用提供了實時的3D圖形處理功能。CS除了具備3D游戲引擎應有的功能外，其自身還包含許多獨有的特點。首先，CS擁有高度模塊化的框架，具有良好的可擴展性和可復用性。其次，CS是一個免費的、由構件(Components)和插件/庫(Plugin/Library)組成的包，不但提供了豐富的開發構件，還支持自定義插件的開發，使開發者的自主性更強。最后，CS廣泛支持各種不同類型的硬件和軟件平臺，具有良好的跨平臺性[12,13]。

3 虛擬校園總體設計

整個虛擬校園以云南大學旅游文化學院主教學區為原型，為了與傳統的虛擬校園系統相區分，人機工程學在系統中主要體現為：最大限度考慮“人”的使用因素，提供多樣的使用方法，創建舒適的使用環境，充分滿足用戶使用的個性化要求。因此，整個系統由數據和軟件兩部分組成，數據部分負責處理多媒體數據、創建三維虛擬校園模型和三種不同的角色模型、各類模型的導出等。軟件部分負責虛擬系統與用戶的交互，包括數據加載和校園瀏覽。多媒體數據加載為創建舒適的使用環境奠定了基礎，而交互模塊中增加了對三種角色模型的控制以及對多種輸入硬件(包括鼠標、鍵盤和游戲手柄)的支持，使用戶在使用時可根據其個性化需要選擇不同的硬件和角色模型在地面或從空中漫游整個校園。系統結構圖如圖1所示。

Figure 1 System structure圖1 系統結構圖

4 三維虛擬校園模型的建立

虛擬校園模型的好壞直接影響整個虛擬校園系統的質量，而三維模型的精細程度與系統運行速度成反比，即所建模型越精細、模型數據越龐大，漫游時計算機繪制的時間就越長，但顯示效果就越逼真，反之亦然。因此，在建模過程中應加入不同的優化方法，在保證模型具有較好顯示效果的同時，又不會產生過大的數據量。實際建模時采用3Ds Max作為建模工具。

4.1 基礎數據收集

首先獲取主教學區的衛星地圖并確定各教學樓的地理位置，如圖2所示。然后結合主教學區各教學樓的CAD圖，按照1∶1的比例完成教學樓模型的建立，圖3為文致樓的局部CAD正面圖(1∶150)，圖4為文致樓的正面實景圖，從而使所建模型與實際教學樓盡可能保持一致。最后，收集并制作用于模型表面的各種紋理和材質。

Figure 2 Satellite map of the main teaching building圖2 主教學區衛星地圖

Figure 4 Picture of Wen-zhi building圖4 文致樓正面實景圖

4.2 面向對象的三維建模

將面向對象思想引入三維建模中，為了與傳統面向對象思想中的類與對象的名稱相區分，給出如下定義：

(1)模型類(Model Class)：描述一個幾何體的物理數據、紋理和材質，例如，一棵樹。

(2)模型實例(Model Instance)：是通過對模型類進行復制而得到的副本，即通過復制“樹”，從而獲得多棵“樹”——多個模型實例(復制所得的一棵樹即為一個模型實例)。由于模型實例與類具有相同的物理數據，因此，模型實例只描述對模型類的當前引用次數、與模型類的相對物理位置，以及模型實例本身的旋轉、紋理和材質等特有的信息。

Figure 3 Part of CAD elevation picture of Wen-zhi building(1∶150)圖3 文致樓局部CAD正面圖(1∶150)

需要說明的是，在模型導出并通過游戲引擎渲染時，類是不可見的，而實例通過結合對應類中保存的物理數據和實例自身的描述實現在虛擬場景中的顯示。由此可知，模型類是對幾何體共性的描述，而模型實例則是對單個幾何體特性的描述，且實例可使用類中的共性數據，這與傳統面向對象思想中類和對象的概念雖有所區別，但也確有異曲同工之妙。由于相同幾何體的物理數據只在模型類中存儲一次，因而大大降低整個虛擬校園的幾何體數據總量及模型規模，提高了虛擬系統的渲染速度。

另外，模型建立和導出時，其縮放比例均為1∶1，從而保證同等規模的模型在系統中都按相同大小顯示。

4.3 三維校園模型的優化

(1)使用紋理。除了在建模時引入面向對象思想外，大量使用紋理也能有效減少模型的總面數。如圖5所示，圖5a是文致樓的精細模型，由于建筑物中包括大量的窗戶，增加了建筑物的幾何復雜性。根據LOD(Level of Detail)思想，可通過逐次簡化模型的表面細節來減少場景的幾何復雜性，因此優化時刪除了建筑物右側的所有窗戶，并使用紋理貼圖代替，大幅減少建筑物的三維模型數據，但對最終渲染效果的影響卻并不明顯，如圖5c所示。

Figure 5 Optimizing the 3D model using texture圖5 使用紋理優化三維模型

(2)使用XML標記三維模型。XML提供統一的方法描述、存儲和交換獨立于應用系統的三維模型數據。由于表示方法極其簡單，使存儲其中的模型數據更易被讀取、解析，且更能突出三維模型的結構特點和組織形式。因此，所有的模型數據在導出后均使用XML表示。對虛擬世界的簡單描述如下：

〈world〉〈!--標記整個虛擬世界--〉

〈textures〉〈!--標記紋理信息--〉

〈texture name="oldmetal"〉

〈file〉/lib/stdtex/oldmetal.jpg〈/file〉

〈/texture〉

〈/textures〉

〈!--定義“墻壁”類--〉

〈meshfact name="walls"〉

〈plugin〉thingFact〈/plugin〉

〈zfill /〉

〈params〉 〈 !--標記模型的物理數據--〉

〈v x="-10" y="-1" z="10"/〉

…………

〈material〉old_metal〈/material〉

〈texlen〉4〈/texlen〉

〈p name="up"〉〈v〉6〈/v〉 〈v〉7〈/v〉 〈/p〉

〈/params〉

〈/meshfact〉

〈/world〉

5 軟件實現

系統軟件部分負責虛擬系統與用戶的交互，包括數據加載和校園瀏覽，其中數據加載模塊包括校園模型加載、角色模型加載和背景音樂加載；而校園瀏覽模塊包括查詢及自動尋路、漫游交互和邏輯處理。各模塊間的交互如圖6所示。

Figure 6 Interconnection among models in software part of virtual campus圖6 虛擬校園軟件部分各模塊間的交互

5.1 數據加載模塊

數據加載模塊包括校園模型加載、角色模型加載和背景音樂加載三個部分。

(1)校園模型加載。校園模型加載負責整個虛擬校園模型數據的讀取、解析、加載和卸載。模塊的處理過程包括：① 創建場景實體；② 完成對描述虛擬場景的XML數據的讀取、解析、加載/卸載。核心代碼如下：

// ① 創建場景實體level

csRef〈iCelEntity〉 level = pl→CreateEntity ("ent_level", 0, 0,"pcworld.zonemanager","pctools.inventory", "pcphysics.system", (void*)0); /* ② 根據level創建用于完成對虛擬場景的XML數據相關操作的zonemanager屬性*/ csRef〈iPcZoneManager〉 pczonemgr = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (level,iPcZoneManager); iCelZone* zone = pczonemgr→CreateZone ("main"); iCelRegion* region = pczonemgr→CreateRegion ("main"); zone→LinkRegion (region); iCelMapFile* mapfile = region→CreateMapFile (); mapfile→SetPath ("/cellib/lev");/*指定虛擬場景的存儲路徑*/ mapfile→SetFile ("walktut_world");//加載虛擬場景

(2)角色模型加載。由于在系統設計時考慮到用戶的個性化需要和系統使用多樣性等人機工程特性，在校園漫游中為用戶提供了第一人稱和第三人稱兩種漫游方式。模塊的處理過程包括：① 創建角色實體；② 創建攝像機，并將攝像機與角色實體綁定，實現對虛擬場景的觀察；③ 完成角色模型的XML數據的讀取、解析、加載/卸載；④ 設置對角色的控制和碰撞檢測，并將角色控制與鍵盤綁定，使用戶能夠通過鍵盤對角色進行控制。另外，也可將角色控制與其他輸入硬件綁定，例如鼠標、游戲手柄等，使系統的使用更加多樣化，滿足用戶的個性化需求。其核心代碼如下：

// ① 創建角色實體player_entity

csRef〈iCelEntity〉 player_entity= pl→CreateEntity ("player",bl,"player_behave","pccamera.old", pcobject.mesh","pcmove.linear","pcmove.actor.standard","pcinput.standard","pctools.inventory",CEL_PROPCLASS_END); /* ② 根據player_entity創建camera屬性，使用戶能看到虛擬場景中的景物*/ csRef〈iPcCamera〉 pccamera = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (player_entity, iPcCamera); /* 將camera和角色實體綁定，并設置角色在虛擬場景中的初始位置*/ csRef〈iPcZoneManager〉 pczonemgr = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (level_entity,iPcZoneManager); pccamera→SetZoneManager (pczonemgr, true, "main", "Camera"); if (pczonemgr→PointMesh ("player", "main", "Camera")) return ReportError ("Can't find region or start position in region!");

/* ③ 創建pcmesh屬性，完成對角色模型的XML數據的讀取、解析、加載/卸載*/

csRef〈iPcMesh〉 pcmesh = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (player_entity, iPcMesh);

pcmesh→SetPath ("/cellib/objects");/*指定角色模型的存儲路徑*/

pcmesh→SetMesh ("celBody", "cally.cal3d"); /*加載角色模型*/

/* ④ 創建actmove屬性，實現對角色的移動速度的控制*/

csRef〈iPcActorMove〉 pcactormove = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (player_entity, iPcActorMove);

pcactormove→SetMovementSpeed (3.0f);/*設置平移速度*/

……

/*將角色控制與鍵盤綁定，使用戶可通過鍵盤操縱角色，也可設置角色與其他輸入硬件的綁定*/

csRef〈iPcCommandInput〉 pcinput = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (player_entity, iPcCommandInput);

pcinput→Bind ("up", "forward");/*設置up鍵為向前平移*/

pcinput→Bind ("m", "cammode");/*設置m鍵為第一人稱和第三人稱的切換*/

…………

/*創建linmove屬性，實現對角色的碰撞檢測，使用包圍球作為碰撞檢測的邊界*/

csRef〈iPcLinearMovement〉 linmove = CEL_QUERY_PROPCLASS_ENT (player_entity,iPcLinearMovement)；

pclinmove→InitCD (csVector3 (0.5f,0.8f,0.5f),csVector3 (0.5f,0.4f,0.5f),csVector3 (0,0,0)); /*設置包圍球*/

(3)背景音樂加載。背景音樂是虛擬系統的一個重要組成部分，通過在系統中加入介紹學校文化的背景音樂，使用戶在輕松愉悅的環境中熟悉校園環境的同時，也能對各種校園文化有所了解，使系統所包含的知識量更加豐富，使用戶的使用環境更加舒適、人機交互性更好。整個模塊的處理過程包括：① 指定音樂文件的存儲路徑；② 加載并解析音樂文件；③ 設置音樂的音源、音量、音域和播放模式(循環播放/單遍播放)等。其核心代碼如下：

// ① 指定音樂文件的存儲位置

csRef〈iCommandLineParser〉 cmdline (csQueryRegistry〈iCommandLineParser〉 (GetObjectRegistry ())); csString fname = cmdline→GetOption ("/lib/mat/ch.wav "); // ② 加載并解析音樂文件 csRef〈iDataBuffer〉 soundbuf = vfs→ReadFile (fname.GetData ());/*指定音樂文件的位置*/ csRef〈iSndSysData〉 snddata = sndloader→LoadSound (soundbuf);// 加載音樂文件 const csSndSysSoundFormat* format = snddata→GetFormat ();// 獲取音樂文件的格式 csRef〈iSndSysStream〉 sndstream = sndrenderer→CreateStream (snddata, CS_SND3D_ABSOLUTE); const csSndSysSoundFormat* rformat = sndstream→GetRenderedFormat (); /* ③ 將音源設置在camera上，使用戶在虛擬校園中不管到哪里聽到的聲音都是一樣大的*/ iCameraPosition*campos_sound=engine→GetCameraPositions()→Get(0);//將音源的位置設置在camera上csVector3 pos_sound=campos_sound→GetPosition(); //設置音樂的播放模式和音量大小 sndstream→SetLoopState (CS_SNDSYS_STREAM_LOOP);/*將音樂播放模式設置為循環播放*/ sndsource→SetVolume( 6.0 );//音量范圍為0.0～10.0

5.2 校園瀏覽模塊

校園瀏覽模塊是虛擬系統的核心處理模塊，負責處理用戶與系統交互時產生的所有事件，由查詢及自動尋路模塊、交互模塊、邏輯處理模塊等組成。

(1)查詢及自動尋路模塊。系統提供查詢及自動尋路模塊，根據用戶輸入的教學樓名稱自動定位到指定的教學樓，能讓完全不熟悉校園的訪問者在漫游整個校園環境的同時，也能對感興趣的某一建筑或指定地點進行重點或反復游覽，且避免訪問者在大規模的虛擬環境中迷路，使系統使用更方便、更人性化。其實現方法是：首先，創建信息存儲數據庫，將建筑物的三維位置信息(設為建筑物正面入口處的三維坐標)存儲在數據庫中；然后，解析用戶輸入的教學樓名稱，并根據輸入的名稱獲取建筑物位置信息，以及當前角色所處的位置信息；最后，根據當前位置和目的地，將校內各棟樓、道路處理成點和弧長，道路的長度設定為弧的權值，運用改進的Dijkstra算法求出當前位置到目的地的最短路徑，如圖7所示。

Figure 7 Path-finding result圖7 自動生成的漫游路徑

(2)漫游交互。漫游交互模塊是虛擬現實與人機工程相結合的核心模塊，負責處理用戶與系統交互時產生的所有事件。系統提供第一人稱和第三人稱兩種漫游方式。以第一人稱漫游可選擇步行和飛行兩種漫游模式，而以第三人稱漫游時又可選擇包括步行、駕車和飛行三種不同的漫游模式。步行和駕車可以不同的速度漫游校園，而飛行則可從空中縱覽整個校園，欣賞校園全貌。漫游交互模塊實際上是對角色加載模型的多次調用，但每次加載的角色模型都由用戶指定。

(3)系統邏輯處理模塊。系統邏輯處理模塊處理虛擬系統的邏輯事務，包括初始化系統各個模塊和CS 插件(Plugin)、協調各模塊之間的工作、向不同模塊分發指令等。

6 系統測試

系統測試時，選擇的計算機硬件環境包括：CPU為Duo T6400 2 GHz*2，顯示卡為NVIDIA GeForce 9300M GS，內存大小為2 GB;軟件環境為Visual Studio 2005和DirectX SDK 2010。測試內容包括：(1)系統啟動及角色初始創建；(2)用戶使用輸入設備對角色的控制；(3)以第一人稱在校園中漫游；(4) 以第三人稱在校園中漫游及不同角色間的切換；(5) 角色的碰撞檢測。測試效果如圖8～圖11所示。另外，在整個系統的測試過程中，測得最大幀速為265 Frames/s，最小幀速為221 Frames/s，平均幀速為240.67 Frames/s，幀速率變化如圖12所示，從而保證系統的順暢運行。

Figure 8 System startup interface圖8 系統啟動界面(學校正門)

Figure 9 Roaming teaching building in the first-person圖9 以第一人稱漫游教學樓

Figure 10 Roaming control and switching between the different roles圖10 漫游控制及不同角色間的切換

Figure 11 Role’s collision detection圖11 角色的碰撞檢測

Figure 12 Frame rate圖12 幀速率

7 結束語

將虛擬現實技術和人機工程相結合，基于Crystal Space 3D平臺實現了虛擬校園系統。與傳統虛擬現實系統相比，該系統支持多種輸入設備(鍵盤、鼠標和游戲手柄)，支持多種不同的漫游方式(第一人稱、第三人稱，包括步行、駕車和飛行等)，以及支持用戶對指定地點的查詢和自動尋路，不但突出了虛擬現實系統的感知性、交互性和沉浸性，也充分考慮了用戶的個性化需求、使用的舒適性和多樣性等人機工程特性，使系統的實用性更強。

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YANGYu-ting,born in 1983,MS,lecturer,CCF member(E200023811M)，her research interests include image processing, and virtual reality.

楊佳平(1989-),男,福建漳州人，研究方向為圖像處理和虛擬現實。E-mail:1369870168@qq.com

YANGJia-ping,born in 1989,his research interests include image processing, and virtual reality.

Researchonreal-timevisualizationandroamingofvirtualcampus

YANG Yu-ting,YANG Jia-ping

(Department of Information Science and Technology,College of Tourism and Culture,Yunnan University,Lijiang 674100,China)

By combining virtual reality and human engineering, the virtual campus system is implemented based on the Crystal Space 3D platform. It comprises of two components: data and software. The data includes multimedia data and 3D model data. In modeling phase, the object-oriented thought is introduced and a lot of texture is used to reduce the complexity of the 3D models. And using XML to describe the exported models makes them be read and parsed more easily. The software supports multiple types of input hardware, supports different roaming, queries and automatically finds its way to the pointed place and uses the school culture introduction music at the background. Therefore, the entire virtual campus not only has the characteristics of the virtual reality but also considers the “people” factor, and it provides various methods and comfortable usage environment, thus making the system more practical.

virtual reality;virtual campus;human-computer interaction;Crystal Space 3D

1007-130X(2014)08-1588-07

2012-11-02;

：2013-03-05

云南省教育廳科學研究基金項目(2012Y430)；云南省教育廳科學研究基金重點項目(2012Z143C)

TP391.98

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.08.029

楊玉婷(1983-),女,云南昆明人，碩士，講師，CCF會員(E200023811M)，研究方向為圖像處理和虛擬現實。E-mail:tudou-yeah@163.com

通信地址：674100 云南省麗江市云南大學旅游文化學院信息科學與技術系

Address:Department of Information Science and Technology,College of Tourism and Culture,Yunnan University,Lijiang 674100,Yunnan,P.R.China