基于VR技術的三維校園漫游系統的設計與實現

鄧小霞　鄭夢瑩　陳　丁

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基于VR技術的三維校園漫游系統的設計與實現

鄧小霞鄭夢瑩陳丁

（湖南科技學院 傳媒學院，湖南 永州 425199）

VR技術采用電腦模擬產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，獲得身臨其境之感。三維虛擬漫游系統，因其獨特的沉浸感、互動性和實時性等優點，在信息社會的今天快速發展。本文以湖南科技學院校園環境為虛擬空間,通過收集數據、建立三維模型、碰撞檢測和系統交互設計等方法解決三維虛擬校園漫游系統的開發難題，最終設計出三維校園漫游系統在網上發布，讓瀏覽者足不出戶便能領略學校風光，為數字校園建設提供一個良好平臺。

VR技術；三維漫游系統；碰撞檢測；交互設計

1　引　言

虛擬現實也稱為靈境技術，簡稱為VR，是借助于計算機技術輔助生成的一種動態仿真系統。隨著計算機圖形學、計算機仿真、人工智能和網絡并行處理技術等多種技術的迅猛發展，虛擬現實技術應運而生，并在軍事、醫療、地質、制造、娛樂、地理信息系統等行業呈迅猛發展的趨勢。虛擬漫游在虛擬現實技術的應用中起到了“畫龍點睛”的作用，實現了三維景觀的虛擬化，增強了交互性。

21世紀科技的發展伴隨著數字化、信息化的特點，隨著高新技術的進一步發展，學校管理也日趨數字化、智能化與現代化。利用虛擬現實技術打造的三維數字化校園可以對校園信息進行壓縮合成，在一個虛擬平臺上實現校園可視化觀光、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。為高校提升現代化管理水平和效率，實現信息和資源共享，樹立學校品牌形象，擴大學校影響力提供了契機。本研究基于虛擬漫游、三維建模及相關技術，以及先進的交互技術，借助VRML建模語言，搭建湖南科技學院基于虛擬現實技術的校園漫游系統。

2　虛擬現實的相關技術

VRML：可用來搭建現實世界的場景模型，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國際標準的網上虛擬現實語言。使用它可以監控人的操作行為，并隨之產生對應變化。作為一種具有解釋功能的三維建模語言，VRML具有面向對象，面向web的特點。它加強了WWW的交互性，使之更豐富。在VRML中，對象被稱為結點，復雜的物體便是由子結點簇擁而成。結點可以借助實例被多次使用，將之命名，定義后，便能參與動態三維虛擬場景的構建過程。

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

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

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

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

LOD技術：動態特性與交互延遲影響用戶對虛擬環境的沉浸感，其中圖形的生成速度是重要指標。在保證真實的畫面效果的前提下，我們可利用LOD技術逐次簡化景物的表面細節，仿照每個原始模型創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雜性，提高模型塑造的效率。在運用此項技術時，恰當地選擇細節層次模型，能提高系統的渲染速率同時保證模型的精細度。

3　虛擬校園三維模型的建立

3.1 三維場景建模原理

虛擬現實系統的三維場景建模是一項地基工程，場景生成系統的真實度對虛擬現實系統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造場景數據庫，再結合漫游技術構建整個虛擬現實系統。整個校園環境的建模是個大工程，在建模時可以先對建筑物進行單獨建模，然后將模型放到虛擬環境的對應坐標，從而合成整個場景系統。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軟件進行建模，制作出具有逼真效果，占用空間小的三維模型，為達到開發的最佳性能和效果，在實際的建模過程中，我們結合以上兩種方法的優點進行建模。

虛擬環境的建模是虛擬漫游系統開發過程的基礎環節，建模前首先要進行總體分析，了解建模對象的物理屬性、運動趨勢、對象間的邏輯連接等，合理分配硬件資源，為后面的環節做準備。

3.2 數據收集階段

數據收集環節需要調動人力、物力，研究團隊應認真觀察學校建筑群的特點，借助測量，相機拍攝等手段了解建筑物的實際屬性，根據建設過程中對于不同場景的不同要求，處理好圖片，整理好數據并選擇相應數據和圖片資源。貼圖內容主要包括樓宇、林地、道路、公共設施等。數據收集資料分為兩類：

（1）圖紙資料：向有關部門索要校園的圖紙資料。例如學校地形圖、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，可將原始圖導入圖形處理軟件如Photoshop中，進行精細化加工后制得。不透明貼圖可通過前期拍攝、掃描，再用Photoshop軟件進行加工處理，存儲起來作為模型紋理庫后期調用。

3.3 三維實體建模環節

（1）校園建筑物建模。以建筑物的基本結構為對象，用基本幾何體搭建出建筑物的框架。進一步完善，制作出符合實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。

在對建筑物模型進行設計時，對于結構簡單、外形規則的建筑物采用貼圖法建模。而對于造型復雜、外形多樣化的建筑物，如訓練房、醫務室、圖書館，則使用3DMAX中的布爾交、并、補運算等多種方式進行建模。這時，還應對建筑物進行多方位拍攝，然后導入圖形處理軟件中處理，制作不規則貼圖。

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

（3）模型的優化與檢查。總體上模型面數的優化可以按照這幾種方式：模型分段的優化、不重要部分的優化、視圖范圍外的優化、柱子、門窗、圍欄的優化、其它地方的綜合優化。首先，因為模型對精度要求不高，設計者總是力圖用最少的面來將模型結構精細化，再綜合考慮計算機的運行速率，應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生率低并使模型更加和諧精細，在處理圖片時，將低模進行細致刻畫，使細節部分浮現出來，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，巧妙地呈現良好的視覺效果。最后，合理切割細化建筑模型的邊緣，虛化建筑模型邊緣線，使模型更加逼真。

4　碰撞檢測

復雜虛擬場景中物體的屬性多樣化，存在狀態也多樣化，物體間極易發生碰撞，產生穿透現象。為了避免物體間的碰撞對虛擬環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目；二是提高碰撞算法的效率。

在VR環境中，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幾何物體之間是否發生了碰撞，這種方法通過自頂向下的方式構造包圍盒樹，可用來進行快速碰撞檢測。空間分解法是將虛擬場景分割成等體積的空間，進行碰撞檢測時只對相同空間或相鄰空間中的幾何物體進行測試。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典算法，它的核心思想是各層次包圍盒應最大程度地包裹其中的景物，根據景物的真實形態選擇多對不同方向的平行平面對對景物進行層次包圍。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，簡易高效地進行碰撞檢測。

5　交互系統的設計

通過人機交互，虛擬漫游系統的高沉浸感得以實現。故交互系統的設計是整個基于虛擬現實技術的校園三維漫游系統設計與實現的核心環節。要實現好的交互，就要搭建好虛擬現實場景系統，關注漫游場景運行時的焦點變化，用戶視線方向等的轉變。

VRML建模語言為用戶提供了與虛擬漫游系統進行良好交互的功能。VRML是一種基于C/S模式的訪問方式，用戶聯網下載待訪問的文件,并經由本機平臺上的VRML瀏覽器訪問該文件，便可暢游于事先設定好的虛擬世界。VRML 文件的基本單元是由域和事件組成的節點。源節點發送出事件，經過事件傳遞通路傳遞到目標結點，目標結點再通過接收事件，并作出相應改變，如此一來，通過構成事件體系的基本元素——路由聯系起來的結點就形成了事件體系。事件體系將事件串聯起來，“牽一發而動全身”，虛擬空間便能及時對用戶的輸入操作作出反映并產生對應的場景轉化，實現簡單的交互功能。

虛擬校園可視化的實現，使得用戶能通過一個固定平臺對校園信息進行實時化管理，獲取校園熱點信息。利用VRML語言，并通過連接數據庫，用戶能實現地理信息查詢功能，最終建立包括場景切換，仿真模擬，三維漫游等技術在內的模擬環境。最后，在網上發布虛擬校園系統，并鏈接到校園網，為學校提供一個在線瀏覽校園風光的平臺。

6　結束語

在研究過程中，我們以三維建模技術和仿真漫游技術為根基，盡力采用最簡單的建模方式打造最逼真的三維場景，并能實現精準、快速、逼真的漫游效果。本研究所建立的校園漫游系統可通過鼠標鍵盤控制漫游路徑，進行視點變換，具有一定的實用性，為校園宣傳提供了一個形象新奇的可視化人機交互平臺，也為數字校園的建設開拓了一個全新的研究領域，積累了實踐經驗。

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（責任編校：何俊華）

2016－03－20

2015年度湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目（項目編號2015269471）；湖南省2013年普通高校教學改革研究項目（項目編號2013223434）；2012年湖南省教育科學研究基地“湖南省教育科學信息技術教育研究基地”（湘教科研通[2012]32號）。

鄧小霞（1984－）男，湖南永州人，講師，研究方向為計算機輔助教育。

TP39

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1673-2219（2016）05-0100-03