用混合建模方法開發(fā)虛擬校園導(dǎo)引系統(tǒng)

李博，寧濤

(大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116052)*

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)正在社會(huì)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園中的具體應(yīng)用，它是利用計(jì)算機(jī)為用戶提供模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的虛擬操作環(huán)境，使人們對(duì)研究環(huán)境產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最本質(zhì)的特點(diǎn)是沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和思維構(gòu)想性(Imagination)［1-3］.國(guó)內(nèi)多所高校(天津大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等)進(jìn)行了虛擬校園的建設(shè)，但是以提供單一瀏覽功能為主［4-7］，本文實(shí)現(xiàn)的大連海事大學(xué)西山校區(qū)虛擬校園建設(shè)，不僅可以提供基本的瀏覽功能，還可以提供交互功能以獲取更多信息.借助于Multigen-Creator場(chǎng)景建模軟件和VC++開發(fā)平臺(tái)下OpenGVS的虛擬校園漫游和查詢系統(tǒng)基于這種背景和需求進(jìn)行了開發(fā).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

虛擬校園導(dǎo)引系統(tǒng)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化技術(shù)，主要設(shè)計(jì)包括自主漫游和按既定線路自動(dòng)漫游、查詢定位、自動(dòng)量算和樓宇機(jī)構(gòu)介紹四個(gè)功能模塊，其中查詢模塊主要根據(jù)用戶輸入的目的地自動(dòng)生成導(dǎo)引路徑和定位鳥瞰圖，自動(dòng)量算模塊為用戶提供位置坐標(biāo)、目的地距離以及所需時(shí)間.系統(tǒng)開發(fā)總體分為場(chǎng)景三維建模和繪制、模型的驅(qū)動(dòng)漫游、樓宇查詢導(dǎo)引和介紹幾部分，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理.對(duì)收集的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)建設(shè)中對(duì)樓宇環(huán)境不同場(chǎng)景的要求，選擇不同精度的圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

(1)校園底圖數(shù)據(jù)收集處理.從相關(guān)管理部門獲取校園規(guī)劃的CAD工程底圖文件和航攝相片數(shù)據(jù)比例尺.利用AutoCAD對(duì)底圖文件進(jìn)行修改處理并導(dǎo)入到Multigen Creator中，為節(jié)省導(dǎo)入時(shí)間和文件所占空間，分離出需要使用的部分并將其保存為獨(dú)立的flt文件;

(2)建模數(shù)據(jù)收集處理.建模數(shù)據(jù)包括校園樓宇的尺寸、比例以及外墻、甬道等的圖片數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)可利用數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)通過(guò)靜態(tài)拍照、動(dòng)態(tài)攝像、掃描或航拍等手段采集;

(3)校內(nèi)樓宇機(jī)構(gòu)分布數(shù)據(jù).使用數(shù)據(jù)庫(kù)或者數(shù)據(jù)表將建筑數(shù)據(jù)與底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)統(tǒng)一，作為漫游路線和生成路徑的參照和基礎(chǔ);同時(shí)，將相應(yīng)主要樓宇機(jī)構(gòu)、道路導(dǎo)引等介紹信息保存為文本和影音格式文件.

3 模型構(gòu)建

3.1 工具選擇

當(dāng)前主流的三維模型格式中，主要有max、3ds、flt、obj、dxf、dwg、dem.虛擬環(huán)境的建模工具有AutoCAD、3DSMax、Multigen Creator等軟件工具.我們選擇Creator工具，因?yàn)榕c前兩種軟件比較，Creator軟件具有簡(jiǎn)單、直觀、運(yùn)行于實(shí)時(shí)環(huán)境中的特點(diǎn)，除了具有一個(gè)共同的用戶接口，每種實(shí)現(xiàn)還具有一個(gè)適應(yīng)特定平臺(tái)的子系統(tǒng);而且Creator建立的模型尺寸小，不占用過(guò)大內(nèi)存，不會(huì)影響環(huán)境的實(shí)時(shí)性能.這種設(shè)計(jì)可以方便利用特定擴(kuò)展工具將一個(gè)基本的建模程序改造成適合于某個(gè)特殊應(yīng)用，從而能夠完成圖像數(shù)據(jù)量較大的虛擬空間環(huán)境構(gòu)建.該軟件另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是其構(gòu)造的場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)采用樹狀層次結(jié)構(gòu)來(lái)組織和管理模型，可以方便地進(jìn)行實(shí)體模型的組織和管理.

3.2 模型建立

選擇了建模工具后，開始進(jìn)行模型的建立.模型主要分為甬道模型和樓宇模型.模型建立的精細(xì)度決定了三維場(chǎng)景漫游效果的逼真度，而伴隨模型高精細(xì)度的是大量的時(shí)間消耗和高端的機(jī)器性能，因此我們?cè)诰?xì)度和繪制速度間進(jìn)行平衡，既保證一定的繪制精度，又保證繪制速度.

(1)甬道模型.甬道模型由OpenGVS的幾何繪圖命令來(lái)構(gòu)建，其建模過(guò)程是用OpenGVS的幾何元素構(gòu)造每一小段道路，然后將所有的路段拼接起來(lái)構(gòu)成完整的道路.如果將各個(gè)路段的長(zhǎng)度取得足夠小，則相對(duì)整條道路，各路段的長(zhǎng)度就趨近于零，從而可認(rèn)為每條路段即代表路線上的各個(gè)點(diǎn).因此原本離散變化的視線方向也就可以滿足視覺(jué)連續(xù)過(guò)程.

(2)樓宇模型.Creator用樹狀層次結(jié)構(gòu)來(lái)組織和管理模型，方便進(jìn)行實(shí)體模型的組織和管理.通過(guò)校園規(guī)劃底圖及全校航拍圖來(lái)獲得數(shù)字化地圖數(shù)據(jù).紋理數(shù)據(jù)對(duì)用來(lái)增加虛擬世界的真實(shí)感有重要的作用，可以彌補(bǔ)細(xì)節(jié)的不足.建模過(guò)程中按照校園地貌特性分布情況，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行了區(qū)域分割.在各分割地帶，所包括的特征場(chǎng)景按層次由高到低、由粗到細(xì)地完成模型的場(chǎng)景構(gòu)造過(guò)程，如圖2所示.整個(gè)過(guò)程分為幾何建模、形象建模(也稱物理建模)和視景生成3個(gè)過(guò)程.

圖2 大連海事大學(xué)西山校區(qū)鳥瞰圖

3.3 紋理繪制

三維模型建立好后要進(jìn)行紋理繪制(Rendering)，紋理繪制能夠增強(qiáng)模型的視覺(jué)效果和逼真度，繪制工作主要包括模型的材質(zhì)和光照.本系統(tǒng)使用Photoshop軟件對(duì)采集的圖片進(jìn)行編輯處理，使紋理符合模型不同色調(diào)要求，草地、甬道等的紋理則是對(duì)面對(duì)象重復(fù)貼圖獲得.在繪制過(guò)程中為避免瀏覽時(shí)出現(xiàn)像素閃爍現(xiàn)象，對(duì)紋理壓蓋進(jìn)行了處理，繪制效果如圖3所示.

圖3 繪制后效果圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)建立和繪制的模型還僅是靜態(tài)的，無(wú)法達(dá)到漫游瀏覽和生成路徑的目的.從漫游者的運(yùn)行方式、起始位置、觀察視角等幾個(gè)方面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)或自主驅(qū)動(dòng)，使漫游者在驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景中產(chǎn)生沉浸感.

目前流行的實(shí)時(shí)場(chǎng)景引擎工具有 Vega、VTree、Vrmap和OSG等.本系統(tǒng)從需求和功能出發(fā)，選擇了 VC++開發(fā)平臺(tái)結(jié)合 OpenGVS.OpenGVS直接架構(gòu)于OpenGL、Glide和Direct3D上，既封裝了底層圖形驅(qū)動(dòng)函數(shù)，又保持了良好的可移植性.

導(dǎo)引系統(tǒng)主要包含模型驅(qū)動(dòng)模塊、速度調(diào)節(jié)模塊和視線高度調(diào)節(jié)模塊.

4.1 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊是漫游系統(tǒng)的核心程序段，主要包括場(chǎng)景選擇、自動(dòng)自主控制和碰撞檢測(cè)等部分.系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，初始視點(diǎn)設(shè)置為校區(qū)正門與人視線同高平視位置，漫游者可通過(guò)輸入設(shè)備自主改變視點(diǎn)位置和實(shí)現(xiàn)角度.自主漫游模式還提供了使用混合包圍盒的碰撞檢測(cè)功能.

4.2 速度控制模塊

考慮到不同漫游者由于年齡、身高和性別等生理差異，其行走速度也不同.本系統(tǒng)通過(guò)控制調(diào)節(jié)漫游的步長(zhǎng)來(lái)達(dá)到區(qū)分行走速度的目的.解決方法為:初始化的步長(zhǎng)(行走速度)設(shè)為正常人行走的步長(zhǎng)，在程序中依照模型的比例設(shè)為0.5 cm，步長(zhǎng)的調(diào)節(jié)單位為0.25 cm.用戶可通過(guò)“+”和“－”功能鍵自主調(diào)節(jié)速度.

4.3 視線高度調(diào)節(jié)模塊

本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)照相機(jī)Y軸坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)視線高度.解決方法為:初始化的視線高度設(shè)為屏幕中央(window_size.y/2)，高度調(diào)節(jié)的單位為0.2 cm，通過(guò)“H”和“L”功能鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)高、低不同方向的遞變完成修改視線高度.

5 場(chǎng)景導(dǎo)引

虛擬校園導(dǎo)引系統(tǒng)不僅提供漫游瀏覽功能，還提供按目的地自動(dòng)生成漫游路徑的導(dǎo)引功能和漫游者定位功能.

5.1 路徑自動(dòng)生成

通過(guò)數(shù)學(xué)建模將校園不同機(jī)構(gòu)抽象為多對(duì)多的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)，則自動(dòng)生成漫游路徑問(wèn)題便可轉(zhuǎn)化為求目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑問(wèn)題.首先用標(biāo)記位置信息的節(jié)點(diǎn)表示待查詢機(jī)構(gòu)樓宇，用帶權(quán)弧表示校內(nèi)甬道(權(quán)值表示道路長(zhǎng)度)，并分別保存到不同數(shù)據(jù)表中.系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算視點(diǎn)坐標(biāo)值獲取距離漫游者當(dāng)前位置最近的節(jié)點(diǎn)信息.然后通過(guò)帶權(quán)弧建立數(shù)據(jù)表中節(jié)點(diǎn)的一對(duì)一關(guān)系，將關(guān)系保存到獨(dú)立數(shù)據(jù)表中.最后根據(jù)漫游者當(dāng)前位置和目的地，運(yùn)用Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)按目的地自動(dòng)生成漫游路徑功能.

5.2 鳥瞰定位

雖然漫游者在導(dǎo)引系統(tǒng)中能順利到達(dá)目的地，但是要從整體對(duì)校園形成直觀的認(rèn)識(shí)還有一定的困難，甚至對(duì)行走過(guò)的路線還比較模糊.為了解決漫游系統(tǒng)的這一問(wèn)題已經(jīng)提出了許多解決方法.

比較有代表性的是:方法1、生成三維地圖，通過(guò)讓用戶從空中向下以一定角度觀看三維場(chǎng)景，來(lái)獲得空間定位信息［8］.方法2、通過(guò)增加一個(gè)通道作為二維地圖通道，原來(lái)的主通道占據(jù)整個(gè)屏幕，二維地圖通道作為子通道占據(jù)少部分屏幕.二維地圖通道中，設(shè)置相機(jī)，預(yù)設(shè)光照和觀察體，相機(jī)的鏡頭始終正對(duì)表示二維地圖的模型平面［9］.

方法1中當(dāng)以一定角度觀看三維場(chǎng)景，若正面有高大的物體，則會(huì)形成遮擋;方法2當(dāng)漫游者行走于場(chǎng)景模型下方(如樹冠、涼亭)，則無(wú)法準(zhǔn)確定位，而且由于這兩種方法消耗資源偏大，會(huì)造成繪制時(shí)的幀數(shù)下降.

本文采用“畫中畫”二維地圖簡(jiǎn)化法.具體方法為:①將場(chǎng)景模型投影到平面生成二維地圖;②從相機(jī)類中獲取世界坐標(biāo)系中的水平坐標(biāo)，在二維地圖上以紅色的圓點(diǎn)表示，這樣用戶可以掌握自己的行走軌跡和在校園中的相對(duì)位置.效果如圖4所示.

圖4 簡(jiǎn)化二維地圖

6 結(jié)論

本文綜合使用 Multigen Creator建模和OpenGVS編程，完成了“虛擬校園導(dǎo)引系統(tǒng)”的開發(fā).與已有技術(shù)相比較，本文在四方面使用了新方法:①使用的 OpenGVS可以更好地結(jié)合底層OpenGL函數(shù)和頂層接口，并提高了可移植性;②系統(tǒng)漫游過(guò)程使用了混合包圍盒的碰撞檢測(cè)方法，提高了檢測(cè)的效率;③在完成漫游瀏覽功能基礎(chǔ)上，使用求最短路經(jīng)算法完成自動(dòng)生成路徑功能;④使用二維地圖簡(jiǎn)化法進(jìn)行鳥瞰定位避免漫游者“迷失”方向.通過(guò)系統(tǒng)用戶測(cè)試表明本系統(tǒng)能夠有效對(duì)漫游者進(jìn)行導(dǎo)引，并提供方便直觀的校園樓宇信息查詢和定位功能.

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