虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬校園的研究與實(shí)踐
——以濰坊學(xué)院虛擬校園建設(shè)為例

李峻峰

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí) (Virtual Reality)通常簡(jiǎn)稱VR，是一種逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等行為的人機(jī)界面技術(shù)。Grigore Burdea 和Philippe Coiffet 在他們的著作“Virtual Reality Technology”一書(shū)中指出VR 具有三個(gè)最突出的特征，即人們熟悉的 3I 特征，即臨場(chǎng)感(Immersion)、實(shí)時(shí)交互性(Interaction)、構(gòu)想(Autonomy-Imagination)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)(Network VR)字面意義上理解為網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)用的虛擬現(xiàn)實(shí)，即在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，為用戶在己經(jīng)普及的以文字、圖像和動(dòng)畫(huà)為主的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中引入三維技術(shù)，從而為用戶提供網(wǎng)絡(luò)三維立體信息。

目前，互聯(lián)網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為兩大類，一類是基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(IVR，Imaged Based Virtual Reality)；一類是基于3D Polygon 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這兩種技術(shù)有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)?；趫D像的方法，場(chǎng)景比較逼真和生動(dòng)，但由于缺乏深度信息而難于控制；基于建模繪制的方法，正好相反，雖然逼真度較差（隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越逼真），但較容易控制。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬校園建設(shè)中的應(yīng)用

虛擬校園也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中最早的具體應(yīng)用，它由淺至深有3 個(gè)應(yīng)用層面，分別適應(yīng)學(xué)校不同程度的需求：

（1） 簡(jiǎn)單的虛擬校園環(huán)境，供游客瀏覽；

（2） 基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活等功能相對(duì)完整的三維可視化虛擬校園；

（3） 以校園為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái)， 虛擬遠(yuǎn)程教育。

虛擬現(xiàn)實(shí)可為高校擴(kuò)大招生后設(shè)置的分校和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所，通過(guò)交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)工具作校園網(wǎng)站的鏈接，可對(duì)各個(gè)終端提供開(kāi)放性的、遠(yuǎn)距離的持續(xù)教育，還可為社會(huì)提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[1]。

虛擬校園為師生們提供了非常便利和快捷的交流環(huán)境，同時(shí)一個(gè)完善的虛擬校園系統(tǒng)集學(xué)習(xí)、工作和生活為一體，增添了師生之間交流的趣味性，有利于教師、學(xué)生之間的良好溝通[2]。

本研究以大學(xué)校園為對(duì)象，借助3D 建模軟件3DMAX 和Google SketchUp 和三維驅(qū)動(dòng)軟件Webmax3.0，開(kāi)發(fā)桌面型的虛擬校園系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分以下幾個(gè)步驟完成：

（1） 根據(jù)學(xué)校布局使用3DMAX 和Google SketchUp 進(jìn)行三維建模；

（2） 對(duì)模型進(jìn)行烘焙渲染；

（3） 通過(guò)Webmax3.0 軟件控制輸出實(shí)時(shí)渲染的圖形畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)虛擬校園場(chǎng)景的建立。

2 虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 虛擬校園的總體規(guī)劃（見(jiàn)圖1）

以實(shí)際校園為依據(jù)，盡量接近現(xiàn)實(shí)，使用戶在觀看瀏覽虛擬校園時(shí)有真實(shí)的校園的感覺(jué)。為 學(xué)校樹(shù)立良好的形象，提高校園的知名度，宣傳校園文化。

圖1 虛擬校園系統(tǒng)總體框架圖

（1） 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，是虛擬校園通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即可瀏覽。同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求適合大多數(shù)計(jì)算機(jī)配置；

（2） 對(duì)主要景觀如教學(xué)樓、噴泉、人工湖等制作精致模型，做到盡量接近現(xiàn)實(shí)；

（3） 訪問(wèn)者可以通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)覽在校園內(nèi)按固定路線游覽。也可以通過(guò)鍵盤鼠標(biāo)控制隨意游覽；

（4） 設(shè)置鳥(niǎo)瞰圖、旋轉(zhuǎn)圖、地圖導(dǎo)航最大化方便對(duì)校園的整體了解；

（5） 配備聲音解說(shuō)、及文字介紹；

（6） 設(shè)置多頁(yè)面導(dǎo)航、院系鏈接及常用信息服務(wù)。

2.2 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

通過(guò)學(xué)校建設(shè)平面圖和實(shí)際測(cè)量得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍照及專業(yè)素材庫(kù)收集整理各項(xiàng)貼圖材質(zhì)。在完成信息采集之后進(jìn)行學(xué)校三維模型的建模與渲染。

2.2.1 信息采集

信息采集是虛擬校園建立的基礎(chǔ)，虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建必須獲得必要的數(shù)據(jù)。構(gòu)建虛擬校園主要包括，三維空間數(shù)據(jù)信息和圖像信息兩部分。在構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)模型之前，對(duì)三維空間數(shù)據(jù)和真實(shí)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，為后期工作打好基礎(chǔ)。本課題主要采用幾種方法進(jìn)行收集：

（1） 通過(guò)學(xué)校AutoCAD規(guī)劃總平面圖和建筑圖獲取各個(gè)建筑物的高度等數(shù)據(jù)。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)拍攝真實(shí)校園的數(shù)碼圖片，對(duì)AutoCAD文件中沒(méi)有的新建建筑景點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3） 采用數(shù)字測(cè)量的方法從平面圖上獲取尺寸、坐標(biāo)。

（4） 采用實(shí)地測(cè)量，獲取數(shù)據(jù)信息。對(duì)無(wú)精確數(shù)據(jù)的建筑高度，根據(jù)樓層數(shù)乘以一層高度獲得。

（5） 對(duì)建筑物等的紋理貼圖采用地面拍攝，然后由計(jì)算機(jī)修正透視的方法。對(duì)于地面特有紋理貼圖采用在拍攝后計(jì)算機(jī)制作無(wú)縫貼圖的方法。對(duì)于樹(shù)木、景點(diǎn)等也采用同樣的方法。

（6） 借助專業(yè)建筑貼圖素材庫(kù)完善圖像數(shù)據(jù)的收集。

2.2.2 模型構(gòu)建

虛擬校園的最終效果與三維模型的質(zhì)量息息相關(guān)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有建模軟件的調(diào)查分析，最終采用SketchUp 進(jìn)行建模。SketchUp 軟件是一款應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的全新三維設(shè)計(jì)軟件。其建模簡(jiǎn)單明了，同時(shí)模型質(zhì)量符合虛擬校園的要求。模型建立完成之后導(dǎo)入3DMAX中，設(shè)置材質(zhì)貼圖、陽(yáng)光、環(huán)境等。設(shè)置完成后進(jìn)行烘焙渲染。

（1） 地形構(gòu)建

地形是虛擬校園建設(shè)的基礎(chǔ)，也是最復(fù)雜的景物之一，三維真實(shí)感地形的繪制一直是國(guó)內(nèi)外圖形學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，其可視化程度高、實(shí)用方便、可實(shí)時(shí)生成的優(yōu)點(diǎn)已成為圖形工作者的共識(shí)。濰坊學(xué)院地形的構(gòu)建是現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地形的再現(xiàn)，需要非常高的真實(shí)度。因此，采用真實(shí)世界中的具體數(shù)據(jù)使用SketchUp 來(lái)構(gòu)造的（見(jiàn)圖2）。

圖2 地形構(gòu)建

（2） 建筑構(gòu)建

建筑是虛擬校園的最重要的主體之一，建筑效果的表現(xiàn)將直接影響整個(gè)虛擬校園的效果。在建筑物的建模中應(yīng)以實(shí)際比例單位構(gòu)建，盡量符合現(xiàn)實(shí)。在有代表性的重點(diǎn)建筑建模時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)保留細(xì)節(jié)，并盡量使用通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍攝并處理的紋理貼圖，使之更接近真實(shí)環(huán)境。

將數(shù)碼相機(jī)拍攝局部素材，Photoshop 編輯為無(wú)縫貼圖賦給對(duì)象之后進(jìn)行Lightmap 烘焙渲染，將烘焙后的Lightmap 疊加在無(wú)縫平鋪的紋理材質(zhì)上，既保證了材質(zhì)的清晰度，又具有了真實(shí)環(huán)境的光影關(guān)系（見(jiàn)圖3）。

（3） 環(huán)境構(gòu)建

景觀在虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建中起到遠(yuǎn)景氛圍的作用，在建模過(guò)程中為了節(jié)省系統(tǒng)資源，提高引擎運(yùn)行速度，對(duì)模型的多邊形面數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的精簡(jiǎn)優(yōu)化，使其在盡可能的在精簡(jiǎn)與視覺(jué)效果間達(dá)到平衡。在表現(xiàn)湖面小亭子（見(jiàn)圖4）時(shí)，圓柱以四面體構(gòu)成，圓頂也做了精簡(jiǎn)。護(hù)欄更是以單面建立設(shè)置透明貼圖的方式表現(xiàn)。

校園中的花草樹(shù)木等植物數(shù)量眾多，如何減少植物的多邊形數(shù)量顯得尤為重要。在本項(xiàng)目的植物模型還應(yīng)用了單面交叉+平鋪透明貼圖的形式。如圖5 所示以10 個(gè)四邊形面實(shí)現(xiàn)25 棵樹(shù)的效果。在校園樹(shù)林中應(yīng)用能夠大大節(jié)省系統(tǒng)資源。

圖3 建筑模型

圖4 亭子模型

圖5 樹(shù)木模型

3 交互式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Jakob Nielson 曾這樣描述用戶與系統(tǒng)間的關(guān)系：“用戶期望越多的被正確驗(yàn)證，用戶就越覺(jué)得系統(tǒng)在自己掌控之中，從而也就更喜愛(ài)它（系統(tǒng)）[3]?！睆挠脩舻氖褂媒嵌瓤紤]，導(dǎo)航應(yīng)該能夠快速的被用戶熟悉并正確操作。因此，在虛擬校園導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用大家所熟知的WWW信息檢索方式，基于HTML技術(shù)創(chuàng)建導(dǎo)航界面。盡量減少操作的復(fù)雜性，在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下減少導(dǎo)航層級(jí)，使用戶不會(huì)被過(guò)多的目錄層級(jí)造成“迷航”。

3.1 導(dǎo)航設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)濰坊學(xué)院虛擬校園導(dǎo)航系統(tǒng)的分析，結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，確定了虛擬校園導(dǎo)航系統(tǒng)的幾大模塊，各模塊功能如圖6 所示。用戶通過(guò)Web 頁(yè)面鏈接進(jìn)入虛擬校園系統(tǒng)，可以自主選擇由電子沙盤進(jìn)入或者直接進(jìn)入。主導(dǎo)航頁(yè)面設(shè)置了用戶使用率最高和虛擬導(dǎo)航必須的操作界面，將更多的其他導(dǎo)航形式（如院系鏈接、服務(wù)信息）置于選項(xiàng)卡導(dǎo)航二級(jí)界面。主導(dǎo)航條設(shè)立四個(gè)選項(xiàng)卡，分別為導(dǎo)航一、導(dǎo)航二、院系鏈接、信息服務(wù)。在Photoshop 中編輯二維界面圖像，通過(guò)切片方式導(dǎo)入到html 中（如圖7 所示）。

3.2 交互功能與實(shí)現(xiàn)

Webmax 支持JavaScript 編程。在html 中通過(guò)JavaScript 的編寫完成互動(dòng)的操作?；诙S導(dǎo)航界面，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊圖片調(diào)用JavaScript： 相機(jī)切換的命令實(shí)現(xiàn)：

Function 函數(shù)名()

{VGS2.SetCurrentCameraByName("相機(jī)名");

VGS2.SetWalkCtrl_ManualParam(0.5, 0.8, 0.7, 0.5, 180);}

自動(dòng)導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)：

function調(diào)用的函數(shù)名()

VGS2.PlayCameraKfr("相機(jī)名",-1);

VGS2.GotoFrame(0);d

VGS2.PlayKeyFrame();

//VGS2.StopCameraKfr("相機(jī)名");

VGS2.CurCamGotoFrame(0);

VGS2.SetCurrentCameraByName("相機(jī)名");

}

太陽(yáng)光暈的實(shí)現(xiàn)：

VGS2.CreateLensFlare(70000, 35000, -20000, 1);

幫助及音樂(lè)的實(shí)現(xiàn)，查詢的實(shí)現(xiàn)同樣利用html 中的JavaScript 的編寫（見(jiàn)圖8）。

圖6 虛擬校園導(dǎo)航系統(tǒng)功能模塊圖

圖7 主導(dǎo)航條界面

4 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有效的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了虛擬校園系統(tǒng)的建設(shè)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、漫游、航拍等一系列功能，為數(shù)字化校園建設(shè)搭建了很好的平臺(tái)，同時(shí)也為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)踐做了有益的嘗試。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和第三代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步成熟與應(yīng)用，基于這兩大技術(shù)平臺(tái)的各種研究與應(yīng)用必將成為新的趨勢(shì)。

[1] 百度百科. 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[EB/OL]. http://baike.baidu. com/view/2268886.htm, 2009-03-11.

[2] 徐 誠(chéng). 虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究[D]. 武漢: 華中師范大學(xué), 2006.

[3] [美]Jakob Nielsen 著. 可用性工程[M]. 劉正捷, 等譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004. 115.