基于VR的虛擬校園漫游系統研究與建設

高學芹

（江蘇建筑職業技術學院 江蘇省徐州市 221009）

目前，計算機網絡技術應用非常廣泛。通過虛擬現實技術的應用，可以在校園內以三維虛擬場景的形式，營造優美的地理環境和高尚的人文信息，實現高校的數字化和虛擬化校園建設。當學生被高校錄取后，可以在到達學校之前，通過虛擬校園系統對校園的一樓一室進行360 度的察看，通過校園環境、建筑風格以及師生的面貌深深感受到高校獨特的校園文化，使學生能夠在虛擬校園漫游系統中盡情地享受將要來臨的校園生活，給人一種“身臨其境”的感覺。本文以某校虛擬校園漫游系統建設為主要目標，分析研究了基于VR的虛擬校園漫游系統的設計、關鍵技術研究、建模以及制圖等內容。

1 漫游系統概況

某校區共占地1800 余畝，交通便利，南門緊靠國道，西門前是步行街，東邊是高鐵站，北面是森林公園。校園文化與現代教育特色融為一體，學校正在不斷建立科技、人文、生態主題全面的三維虛擬數字化校園系統。

本設計采用了頭戴式結構，盡管在設備的要求上較高，但是大大提高了該系統的趣味性和沉浸感，有效地提高了用戶的積極性和主動性。該系統設計并實現虛擬校園漫游系統，用戶能夠在虛擬校園漫游系統中盡情地漫游，能夠依據系統中預先輸入的路線進行參觀漫游，按照個人的興趣在虛擬校園漫游系統中自由移動，對一些建筑以及教師的信息進行參觀和聽取學校的官方介紹。

該系統的開發過程比較繁瑣，所涉及的方面很多，主要有以下幾部分組成：數據準備和處理、建模、虛擬校園漫游系統的設計以及各種功能的實現等。具體實現步驟如下：首先，根據三維虛擬設計的初步構想，對相關平面設計的原始數據和現有的景觀進行圖片采集和處理。其次，將處理過的校園平面設計和所拍攝得到的圖片數據進行利用，由這些數據構建三維直觀性的校園表地面模型，所建立的模型主要由校園地表地形、教學和生活建筑、綠化的花木等；緊接著就是虛擬校園漫游系統的建立，即對三維虛擬校園漫游系統進行全面的設計；最后還需要實現各模型之間的交互功能，使大家能夠利用軟件對校園進行全方位虛擬仿真的參觀漫游體驗。

2 總體設計

虛擬校園漫游系統的開發有很多環節，對細節的要求也比較高。在早期階段，收集、處理數據和構建模型需要很多時間；在中間階段，需要對系統的各個場景進行構建、數據模型修改和改進；后期需要對系統功能進行全面開發、測試和優化。

2.1 系統功能設計

在虛擬校園漫游系統的開發研究中，需要經過大量的實地調查，根據實地狀況建立三維模型，通過三維模型給出校園環境的總體情況，然后將實際情況添加到虛擬環境中，盡可能地把實際情況 給還原到該系統中，使體驗者能夠感受到強烈的親切感和沉浸感。

該系統的模式分為漫游體驗模式和自由體驗模式兩種，供體驗者進行選擇。漫游體驗模式是一條在系統設計過程中精心規劃的路線，主要是從前門到校園中心的道路，從前門出發，經過學校各個主要建筑，使學生能夠參觀學校建筑，盡快熟悉學校，這對于即將到來的校園學習和生活提供了很大的幫助。

在自由體驗模式下，用戶可以選擇起點，根據觸摸控制前進的方向，能夠在虛擬校園中自由穿梭，觸摸到建筑物時，相機將無法向前移動，給你一種身臨其境的真實體驗。

除此之外，該系統還增加了校園主要建筑物的官方介紹，供體驗者了解校園建筑，體驗者可以通過中心光標來進行選擇，在等待數秒鐘后，會彈出介紹框，當用戶移開固定的區域 時，介紹框的內容就會消失。

2.2 虛擬校園開發流程設計

虛擬校園漫游系統的開發有很多環節，對細節的要求也比較高。在早期階段，收集、處理數據和構建模型需要很多時間。在中間階段，需要對引擎進行場景構建、數據模型修改和改進。后期需要對系統功能進行全面開發、測試和優化。

2.3 實現三維虛擬校園漫游方案的設計

在三維虛擬校園漫游方案的設計中，第一種設計為360 度全景虛擬漫游的設計思路，該方法需要用數碼相機拍攝校園內的多個場景和角度，用電腦合成有效照片。第二種設計為三維模型的虛擬漫游的設計思路，該方法利用三維軟件進行建模設計，生產周期相對較長，生產成本相對較高，但是容易實現，技術性要求較低。本文最終選擇了第二種三維軟件進行建模設計的方法，來實現三維虛擬校園漫游系統的開發和建設。

3 虛擬校園漫游系統建模

3.1 數據收集和處理

在數據采集和處理的過程中，任務量較大，涉及方面較多，對于校園景觀規劃和校園設計圖紙有很大的幫助。由于三維建模的需要，前期需要收集全校地形圖以及校園內建筑物照片。實際上，相關人員在收集校園建筑以及校園環境照片時，需要充分考慮建筑結構的特點，針對不同的建筑結構，采取不同的拍攝方式和角度 ，有必要時要對拍攝相機進行升級，以獲得更加優質的照片。在用相機拍攝既有校舍外觀、人文景觀等之后，還需要用PS 處理軟件對已經拍攝的相片進行預處理。

3.2 底圖繪制及處理

在俯瞰校園后，我們可以將建筑部分與草坪、花壇、樹木等綠色設施區分開，然后制定建筑規劃。首先，創建一個多邊形的背景平面圖，通過不同形狀的幾何圖形是勾勒出不規則的設施，如綠化帶和人行道，建筑的草圖是由簡單的幾何圖形組成，然后對建筑的高度和地面設施的形狀進行調整，直到比例合理為止。

校園總體二維規劃主要采用CAD 施工圖進行校園規劃設計，它是產生校園三維模型的主要數據源。同時，它也參考了谷歌地球衛星圖像地形圖中校園的三維場景。

在建模之前，我們應該編輯和處理數字地形圖的格式。如果我們使用的格式是DWG，在Auto CAD 環境中能夠得到應用，但是直接導入DWG 文件就會造成數據丟失等問題。

3.3 3ds Max的三維建模

建模是場景的重要組成部分，因此在生產過程中，必須嚴格按照CAD 基礎圖的尺寸和位置進行建模，避免在以后的合并中再次修改。

校園建筑建模是構建三維虛擬校園模型的重點，使用3dmax2010 軟件制作建筑模型。3ds Max 軟件基于windows 平臺，它是Auto desk 和Auto CAD 的同一系列的產品之一。3ds Max 與Auto CAD 文件具有良好的兼容性，并可以生成精確的模型。一般的過程是先將CAD 參考圖導入到3ds Max 軟件中，展開U-V 貼圖，繼續映射，最后添加燈光渲染。其次，以某校汽車學院辦公樓為例，對建筑造型進行分析。

第一步是將加工好的原始Auto CAD 平面圖作為參考圖導入3ds Max 軟件的俯視圖中。

第二步是采用優化模型設計的思想，盡量減少面數，在平面上設計窗和墻。但對于輪廓突出部分，需要根據原型進行建模，以避免模型變形。在本文的案例中，主要采用多邊形建模法，利用平面來支撐表面，用修改器修改，最后生成一個規則的物體。由于整個校園內有許多單體建筑，后期所有單體建筑都是分別建模，然后組合在一起的。在性能較好的前提下，盡量減少后期聯合作業的工作量。這種方法特別適用于建筑物建模。

第三步是在已建立模型的基礎上，創建與多邊形頂點關聯的點（UV），它提供應用紋理映射所需的信息，UV 點將連接到模型的頂點。

第四步是選擇合適的照明，照明是提高三維虛擬仿真效果的重要手段。在某些場景中，由于模型的遮擋，亮度太低。因此，有必要在這些地方設置光量導入量，讓這個區域參與到二次反射中，使沒有燈光的地方顯得更加真實自然。雖然會占用一定的資源，但可以大大提高場景的真實性和還原性。室內場景的照明更為復雜。為了獲得更逼真的場景，除了重要的燈光體盒外，還需要模擬真實的陰影。因此，有必要在光源入口處設置多個聚光燈進行模擬。常見的燈光為Skylight Target Spot，其目標方向固定，燈光均勻分散。即使在不同的位置，人們也能感受到相同的亮度，在模擬天空和陽光的散射時，照明效果非常好。

3.4 地面目標模型

在校園景觀地面目標模型的建立中，主要以花木為主。該系統采用大家廣泛使用的Double boarding 技術，用圖像代替物理模型的設計方法，即對樹或花的表面模型進行粘貼、透明處理，并設置Alpha。采用該方法的優點是操作簡單，視覺效果較好。

3.5 地形建模

系統的地形模型一般都是基于校園地形CAD 原始圖進行建立的，只保留輪廓線。輪廓線數據是根據地形圖中的數據輪廓線進行繪制的，可以將其轉換為三維輪廓線數據，如果地形不平，可以修改。

編輯柵格以創建地形對象，在俯視圖3ds Max 中創建矩形平坦地面，將其磨成50×50 面，使用“編輯網格”命令，設置“頂點”，并根據立面數據拉出地面高度，形成三維模型。

3.6 紋理貼圖的處理

常用的紋理貼圖有兩種：位圖法和程序貼圖法。位圖可以在3D-Max 建模過程中粘貼，但要確定映射的“UVW”坐標，設置貼圖坐標、位置等參數以精確映射模型。在這里，我們使用生成的模型展開地圖，這樣一兩張圖片就可以收集到建筑物的紋理圖像。

3.6.1 紋理采集

可以用相機現場拍照，也可以通過搜索紋理的方式，獲取相關特征和地貌的紋理。如果采用野外拍攝的方法，最好選擇晴天，以保證照片的亮度，獲得穩定的正射影像。

3.6.2 紋理制作

圖像處理內容包括：紋理校正(如淺色校正)、損傷修復、紋理大小調整。本文以墻面紋理的生成為例，重點考慮了如何避免物體在墻面前的圖像。墻體紋理具有大量的重復模式，通過圖像分析可以消除重復模式，提取其基本紋理。

3.6.3 建立紋理數據庫

紋理存儲應遵循命名原則，如強.jpg，如果它們有相同的名字，程序會在編譯最后一個場景時將它們轉換成強格式。這樣，場景中的一張地圖會被另一張同名地圖覆蓋，導致地圖混亂。

3.7 植被代理

植被的綠化率將影響到場景的最終效果。因此，在植被生產中要采用遠、近兩種景色的處理方法。近景植被采用更多的面表示，而遠景植被是最簡單的面，可以減少場景計算的工作量。

3.8 場景合并

該方案結合校園規劃設計的CAD 施工圖和Google 地球衛星圖像，設計了各個校園的局部場地地形模型，包括道路、湖泊、草圖等，并利用實際情況對地圖進行對比和修正，然后結合建筑模型對人們早期的校園場景進行引導。

4 結論

本文主要介紹了一種基于虛擬現實的虛擬校園漫游系統。校園系統可以實現用戶的虛擬校園漫游個人喜好，也可以查看建筑信息。虛擬校園漫游系統是通過pc 機實現的，通過鍵盤、鼠標和顯示器，具有很強的操作感和沉浸感。有少數學校開發的移動校園漫游系統僅使用移動應用程序實現校園漫游，從本質上講仍然是一種傳統的操作，仍然無法避免沉浸體驗差的缺點。該系統以虛擬現實技術為支撐，實現了移動終端使用的虛擬校園漫游系統，用戶可以親身體驗虛擬校園的景色。所有的內部操作都是通過光標來實現的，不需要外部設備操作，從而獲得身臨其境的體驗。

在系統開發過程中，我們發現目前市場上的虛擬現實程序無法相互通信。每家公司的虛擬現實眼鏡和程序都需要使用自己的手機作為支持，這使得該系統無法在更多平臺上推廣。該系統采用電腦端的虛擬現實平臺，只能在電腦端運行，希望在以后的發展中有機會解決這個遺憾。