虛擬現實（VR）技術在數字化校園建設中的應用及前景展望

郝艷娥，曾德驊

（延安大學建筑工程學院，陜西延安，716000；2.中建六局有限公司華東分公司，海南海口，570125）

0 前言

隨著計算機和互聯網應用的普及、數字化信息技術的飛速發展，虛擬現實的仿真技術也日益成為當前研究的熱點。越來越多的高校將虛擬現實技術引入到“數字化校園”的建設中，以期建立自然、逼真、動態的三維可視化立體式虛擬校園，達到校園現代化、智能化的目的。虛擬校園的建立能夠為數字化校園建設提供了一種全新的手段和補充。如果將虛擬現實技術的應用經驗及方法用于陜北紅色旅游業的宣傳和延安新城區建設中也具有很好的前景和推廣價值。

“數字校園”建設包括信息的獲取、處理和應用。本文根據某校園數字平面測繪數據，在虛擬現實技術的基礎上應用Arch2012建筑設計軟件對校園中出現的實體建筑進行三維建模，應用UC-win/Road軟件平臺將模型與周圍環境按相關坐標數據結合，對校園中的地形、地貌、地物和自然景觀等進行三維模擬仿真，力圖建立動態的立體式虛擬校園，在計算機中還原真實的校園原貌。

1 虛擬現實系統技術介紹

虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術指的是為用戶提供一種模擬現實的操作環境，利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感觀世界，使人們對所研究的對象和環境獲得身臨其境的感受，從而提高人類認知的廣度和深度，拓寬人類認識客觀世界的“認識空間”和“方法空間”，最終達到更本質地反映客觀世界的實質。該技術的興起，為工程項目的復雜數據提供了新的處理和表現方法。主要包括以下幾個方面：

（1）動態環境建模技術。虛擬現實技術的核心內容是虛擬環境的建立，需利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

（2）實時三維圖形生成技術。其該技術的關鍵是如何實現“實時”，研究內容是如何在不降低圖形的質量和復雜度的前提下提高刷新頻率

（3）立體顯示和傳感技術。虛擬現實的交互能力依靠于立體顯示和傳感器技術的發展，有必要開發新的三維顯示技術滿足現實需要。

（4）應用系統開發工具。尋找合適的場合和對象是虛擬現實應用的關鍵，可使生產效率大幅度提高，提高產品的開發質量。因此，必須研究虛擬現實的開發工具。

（5）系統集成技術。系統的集成技術作用巨大，因為大量的感知信息和模型包含于虛擬現實中。

2 利用Arch2012建筑設計軟件進行實體建模

TH-Arch建筑設計軟件構建于AutoCAD平臺，是一套為建筑設計及相關專業提供的CAD系統。該軟件擁有多項創新技術，其中渲染技術和在位編輯兩大技術，可以充分發揮建筑表現和工程制圖兩種用途，是中國建筑設計軟件里里程碑式的突破。

2.1 構建實體建筑的基本原理

實體建筑的建模主要運用的是體素構造表示的原理，使用建模工具從形狀和外觀上對實體進行模擬，為增加模型的真實感，采用紋理映射等輔助技術手段。原理如下：

（1）獲得建模數據。建模數據主要來自學校的測繪數據和建筑圖紙。

（2）確定模型的層次結構。按照建筑物的結構進行層次分解。

（3）進行可視建模過程。在Arch2012軟件中利用建模工具箱逐層進行可視建模。注意模型的尺寸形狀要與建筑圖紙標注的相同。

（4）使用紋理映射。對于門、窗、陽臺欄桿等每棟建筑都具有且數量較大的細節部分，一般采用紋理映射的方法。

2.2 實體建模過程

先通過Arch2012對校園中的實體建筑按照圖1所示流程進行三維建模，再利用Arch中的材質系統，對材質進行編輯，然后按建材分類挑選材質，給場景中的三維模型進行材質附著，以備渲染之用，渲染后的校園某建筑如圖3所示，最后利用屏幕菜單命令：【渲染動畫】→【導出3DS】，將Arch的三維模型分解轉換成3ds格式，同時攜帶Arch中的材質.包括貼圖坐標。

3 利用UC-win/Road軟件進行校園三維仿真

按照圖2的流程利用UC-win/Road軟件首先進行地形信息編輯，根據需要在山坡上生成森林，再利用所測校園平面圖中的道路坐標定義道路，然后進行景觀配置，將建模好的三維圖形以3DS格式再導入UC-win/Road軟件里，最后進行VR演示。演示前，首先要進行景觀位置的保存，飛行路徑的設置，電影腳本的設置等等，為演示做準備。最后采用AVI格式錄像并保存，在錄像前，先設置寬度、高度、每秒幀數。幀數30以上為標準，編解碼器控制文件容量、畫質。然后主菜單選擇【開始AVI錄像】，進行動畫錄制，此時畫面上的任何舉動均被錄制，結束時選擇【結束AVI錄像】。此外，也可對腳本進行錄像。VR三維模擬仿真效果圖見圖4和圖5。

4 經驗總結

在用Arch2012軟件進行三維建模和應用UC-win/Road軟件進行三維仿真過程中碰到一些困難，經過仔細琢磨，反復鉆研，總結出以下經驗方法：

（1）Arch2012軟件建模過程中，除了柱、梁、墻、板等構件必須按設計順序布置外，其它各部分的建立沒有先后順序之分；

（2）由建筑設計軟件導出的3DS圖，在導入VR軟件里會出現數據丟失或是渲染的材質發生變化，可以通過在VR軟件重新渲染的方法解決；

（3）在UC-win/Road軟件中進行模型配置時，如因模型過多導致Frame rate（fps）下降的話，可嘗試在描繪選項的性能選項卡中加大可視角度；

（4）在校園三維仿真后期，加入的模型越來越多，UC-win/Road軟件會隨時出現系統性能不足，這樣會導致之前保存格式為.rd文件損壞，并且無法進行修復。為避免重復勞動，建議每做一步（大約10分鐘左右）另存為一次；

（5）由于模擬的環境比較大，物體非常多，為了錄制比較清晰的AVI格式視頻，建議把AVI選項里壓縮率調到60%左右。另外用UC-win/Road進行AVI錄像時，視頻里一秒的時間需要的實際時間平均是20秒，非常慢，建議在定義腳本時，盡量把握好時間，把視頻分段錄制，每一段控制在6至8分鐘左右。

5 VR技術應用展望

將虛擬現實技術用于數字化校園建設中，可以為學生營造一個“自主學習”的交互式虛擬校園，與傳統的校園網相結合將會帶來更多的優勢，也是教育技術發展的一個飛躍。如果將VR技術應用的經驗方法用于地方旅游業和城市建設中也具有很好的應用前景和推廣價值。

若將虛擬技術用于陜北革命舊址中，建立虛擬的三維紅色旅游景區，可以為革命舊址帶來全新的展示手法，提供立體的、動態的展示效果，也可以通過現代科技手段讓更多的人能了解景區的特色，而且還能最現時、最真實、最清楚地將歷史遺址的整體風貌展現出來，極具渲染性和說服力，也達到了豐富現有旅游信息系統的內容與表現形式的目的。不僅能加速游客對景點的認識過程、刺激旅游動機，還能引導旅游客流，實現旅游增效。對于旅游部門，能夠在空中指點景區，用立體畫面推銷旅游資源，有助于旅游資源的普查，指導旅游景點景區的規劃開發建設。可見，將VR技術引入到陜北革命舊址中可以為旅游歷史文化遺址提供真實的虛擬場景，達到運用先進科學技術手段有效地推動陜北紅色旅游和革命遺址保護的目的。

陜北延安由于所處地理位置狹窄，城市擴展空間受限，目前正在“削山建城”，這項工程是世界上在濕陷性黃土地區規模最大的巖土工程，吸引了不少人的眼球，也帶來不少爭議，人們擔心這座新建城區會變成“空城、鬼城”。將VR技術應用在陜北延安新城區建設中，可以向評審者或公眾實時展示逼真的、三維的新城區場景和規劃設計方案，也可以全方位、多種方式、完全由用戶自由控制在新城區中漫游，還可將不同時期、不同階段的城市風貌、建筑物的變化進行對比，以滿足多種不同類型的觀察者需求，并且可以與互聯網信息結合，利用計算機進行身臨其境的全方位瀏覽，以滿足人們對新城區建設有著全面、真實、詳盡了解，這對提高延安新城區未來人氣具有積極作用。也是傳統的建筑平面圖、建筑沙盤模型、建筑效果圖和渲染的三維動畫所無法達到的。

[1]深圳市斯威爾科技有限公司.建筑工程項目VR虛擬現實高級實例教程.北京：中國建筑工業出版社，2009

[2]深圳市斯威爾科技有限公司建筑設計軟件高級實例教程.北京：中國建筑工業出版社，2009

[3]石云，劉萬青.虛擬現實技術在旅游業中的應用-以國家級風景區驪山景區為例[J].測繪與空間地理信息，2009，32(4)：33-35

[4]肖立，尚濤.虛擬現實技術及其在城市建設中的應用[J].武漢大學學報（工學版），2001，34（6）：114-116