江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園虛擬仿真系統(tǒng)

徐健　方朝陽　高丹　繆理玲

摘要：以江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園虛擬仿真系統(tǒng)為例，提出了以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維仿真技術(shù)為核心，基于虛擬仿真平臺(tái)，綜合利用360度全景技術(shù)、GIS、多媒體信息和Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立富有人文生態(tài)元素的三維虛擬場景的方法。結(jié)果表明，這種方法建立的大規(guī)模虛擬場景在虛擬逼真度、仿真效果、運(yùn)行效率和人機(jī)交互方面具有很好的優(yōu)勢。這一研究將虛擬仿真技術(shù)與人文生態(tài)理念相結(jié)合，為建設(shè)數(shù)字校園提供新思路，同時(shí)可以推廣到園林、山河、濕地景觀等虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；三維仿真；人文生態(tài)校園；數(shù)字校園；江西師范大學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0813-05

1 概述

三維虛擬校園是數(shù)字校園的基礎(chǔ)和平臺(tái)， 開展三維虛擬校園及相關(guān)課題的研究適應(yīng)了信息社會(huì)發(fā)展的趨勢， 具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。近年來，隨著數(shù)字地球概念的提出，以及空間信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的交叉融合發(fā)展，數(shù)字城市和數(shù)字校園開始涌現(xiàn)并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[1-2]。國內(nèi)很多高校也開展了數(shù)字校園的探索和研究，如香港中文大學(xué)、南京師范大學(xué)、中國海洋大學(xué)、華東師范大學(xué)等都紛紛進(jìn)行了數(shù)字校園的建設(shè)[3-6]。

江西師范大學(xué)瑤湖校區(qū)以迎接70周年校慶為契機(jī)，圍繞著學(xué)?；窘ㄔO(shè)進(jìn)行生態(tài)打造與人文歷史植入，建設(shè)成一個(gè)山水相依、樹木林立、花草叢生、蝶舞魚歡、天鵝白鹿齊鳴互應(yīng)的人文生態(tài)新校園。由于時(shí)空所限，未必人人都能一睹為快，即使到訪者，也往往或走馬觀花，或只欣賞校園一隅，無緣盡略風(fēng)采。就算是久留于此地，如果沒有專人介紹，也是難以理解和體會(huì)大學(xué)所承載的文化沉淀和歷史淵源。建設(shè)數(shù)字校園，向公眾展示大學(xué)校園美的內(nèi)涵和外延，將會(huì)吸引更多學(xué)子前來學(xué)習(xí)、研究和交流，甚至吸引公眾前來體驗(yàn)大學(xué)的神韻，讓大學(xué)更好地服務(wù)于祖國的精神文明建設(shè)。

本文以江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園虛擬仿真系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹建設(shè)人文生態(tài)特色的虛擬校園的過程和方法。

2 系統(tǒng)總述

江西師范大學(xué)瑤湖校區(qū)占地總面積共3000畝，總建筑面積約77萬平方米，校園內(nèi)不僅地勢復(fù)雜有山有水，而且還有諸多人文生態(tài)特色的景點(diǎn)，如正大坊、校址紀(jì)念碑、鵝湖灣、靜湖等校園十六景。對(duì)于如此復(fù)雜大型的場景進(jìn)行虛擬仿真建設(shè)，使用一般的虛擬仿真方法，將會(huì)在場景細(xì)節(jié)的仿真效果、場景在線的運(yùn)行效率、場景的人機(jī)交互方式等方面面臨諸多困難。

江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園虛擬仿真系統(tǒng)從三點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)性的解決以上問題：一從虛擬仿真平臺(tái)技術(shù)出發(fā)，選擇渲染效率高、在線發(fā)布穩(wěn)定的VRP三維互動(dòng)仿真平臺(tái)作為三維渲染引擎；二從場景三維建模優(yōu)化方面出發(fā)，采用一些特殊建模方法，達(dá)到效果滿意且模型簡化的目的；三從人機(jī)交互機(jī)制出發(fā)，利用位置交互式的信息點(diǎn)鏈接各種集成了多媒體信息的網(wǎng)頁文件，尤其包括校園主要景點(diǎn)的360度全景展示，從而高效率地滿足場景的交互。

系統(tǒng)將人文生態(tài)元素融入，逼真細(xì)膩地再現(xiàn)實(shí)際校園地理環(huán)境的真實(shí)情況，集成校容校貌三維漫游展示、虛擬化身漫游、校園智能定位導(dǎo)航、空間量測、學(xué)校歷史文化介紹、景點(diǎn)360度全景展示和網(wǎng)絡(luò)共享等多重功能，具有動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)交互性的特點(diǎn)。使用者可以在系統(tǒng)中通過行走，鳥瞰以及選擇不同的攝像機(jī)視圖來多視角觀看校園景觀，也可以基于空間交互式地獲取學(xué)校的校史校情等各方面的信息，以達(dá)到全方位認(rèn)識(shí)江西師范大學(xué)的目的。系統(tǒng)由虛擬校園桌面系統(tǒng)、因特網(wǎng)和用戶組成，用戶通過Internet 訪問江西師范大學(xué)虛擬校園服務(wù)器，從站點(diǎn)入口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)虛擬校園系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)漫游和參觀查詢。下圖1詳細(xì)說明了系統(tǒng)總體技術(shù)路線：

3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.1 數(shù)據(jù)收集獲取

通過資料數(shù)據(jù)的收集，獲取校園CAD平面規(guī)劃圖、校園建筑設(shè)計(jì)及環(huán)境景觀設(shè)計(jì)的CAD平面圖和立面圖、航拍影像圖、遙感影像圖等地圖和空間數(shù)據(jù)；通過對(duì)校園內(nèi)的復(fù)雜地形進(jìn)行數(shù)字測量，獲取詳細(xì)的地形圖數(shù)據(jù)；使用數(shù)碼相機(jī)獲取各建筑物的立面實(shí)景照片和各園林景觀、道路的實(shí)景照片等紋理數(shù)據(jù)；利用360度全景攝影技術(shù)獲取主要景點(diǎn)的360度全景照片；收集獲取文字介紹、語音介紹、圖片展示、視頻展示等與空間位置相關(guān)的各種多媒體類型的屬性數(shù)據(jù)，如校園十景的各種多媒體介紹信息；收集校園體現(xiàn)人文生態(tài)特色的各種鳥、蝴蝶、野鴨、天鵝、白鹿、魚及花草樹木等動(dòng)植物形態(tài)特征數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

綜合獲取的地理空間數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對(duì)校園進(jìn)行數(shù)字化，分成道路、綠地、水系水域、建筑等不同的圖層。將測量得到的地形數(shù)據(jù)以數(shù)字化的方式錄入ArcGIS軟件處理后生成DEM數(shù)字高程模型或等高線數(shù)據(jù)，便于三維地形建模；使用photoshop軟件對(duì)實(shí)拍照片進(jìn)行處理，使紋理符合模型要求。將收集到的用于屬性介紹的各種多媒體信息做好分類處理，并制作成集文字、語音介紹和圖片、視頻展示為一體的各個(gè)網(wǎng)頁文件。

4 三維仿真場景構(gòu)建

4.1 建模軟件和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)選擇

虛擬現(xiàn)實(shí)中用于三維建模的軟件有語言類和建模工具類，語言類如OSG、OpenGL、VRML；建模工具類主要有：3DS MAX、AutoCAD、SketchUp、OpenInventor、Pro/Engineer等。語言類的建模軟件在建立三維模型方面，由于上手困難、開發(fā)周期長、仿真效果不佳等缺點(diǎn)，因此不適合于大規(guī)模高仿真場景的三維建模。經(jīng)過綜合考慮，該文運(yùn)用3DSMAX軟件制作校園模型。3DSMAX具有建模功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性好、操作簡單、容易上手、和其它相關(guān)軟件配合流暢等優(yōu)點(diǎn)。

在驅(qū)動(dòng)平臺(tái)選擇方面，本系統(tǒng)采用VRP三維互動(dòng)仿真平臺(tái)作為驅(qū)動(dòng)引擎。VRP是一款三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件。該軟件適用性強(qiáng)、操作簡單、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見即所得。除此之外，VRP三維互動(dòng)仿真平臺(tái)還提供了基于腳本方式的二次開發(fā)[5]。

4.2 模型建模

虛擬校園系統(tǒng)的主要工作集中在場景模型建模，場景模型的質(zhì)量好壞直接影響到虛擬校園系統(tǒng)的整體效果。根據(jù)模型的不同精細(xì)程度及要求，利用3DSMAX軟件使用針對(duì)性的建模方法對(duì)校園內(nèi)的不同地理實(shí)體進(jìn)行三維建模，包括地形、建筑物等基本地物和具有人文生態(tài)特點(diǎn)的特色模型建模?；镜匚锝０匦?、水系、主體建筑物、輔助設(shè)施等；人文特點(diǎn)的地物建模有如健康小道、桃李鼎、杏嶺書院、各種雕塑和標(biāo)志性景觀石頭等；生態(tài)特點(diǎn)的模型建模包括花草樹木模型和鳥、蝴蝶、野鴨、天鵝、白鹿、魚等動(dòng)態(tài)物模型。

地形建模過程中，主要使用等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DSMAX軟件中，利用Terrain工具生成校園的基本地形，細(xì)節(jié)的地方通過轉(zhuǎn)為編輯網(wǎng)格再做細(xì)化，然后再在基本地形的基礎(chǔ)上把水系和道路模型建立。

建筑物建模過程中，參考收集的各個(gè)建筑物的CAD平面圖和立面圖，先將建筑的基本形狀建成，然后利用處理好的建筑物紋理用3DSMAX材質(zhì)和貼圖工具渲染在模型上。

體現(xiàn)人文生態(tài)的模型建模過程中，雕塑和景觀石頭采用多邊形建模方法，再通過細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)細(xì)化，紋理采用uvw展開貼圖的方法；樹木則用十字面片貼圖方法，其中貼圖的質(zhì)量效果要處理得清晰；動(dòng)態(tài)物建模也是采用多邊形建模，及紋理采用uvw展開貼圖方法來制作，這種建模方法生成的模型具有更為逼真的效果，對(duì)于這些動(dòng)態(tài)物還要使用3DSMAX動(dòng)畫工具制作相應(yīng)的基本動(dòng)作，如鵝和鴨在水中的游動(dòng)、鳥和蝴蝶的飛行、鹿的行走和跑動(dòng)、化身人物的行走等。

4.3 場景集成

三維模型準(zhǔn)備完后，并且在模型按照指定的相對(duì)地理空間位置定位的前提下，把模型進(jìn)行烘焙處理后，將模型通過3DSMax插件轉(zhuǎn)換成VRP的導(dǎo)入格式，并導(dǎo)入到VRP三維互動(dòng)仿真平臺(tái)中進(jìn)行集成。同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，如設(shè)置水面的特效、混合材質(zhì)的特效、水邊物體的倒影、地形和建筑物的物理碰撞等。從而完成虛擬校園三維場景集成。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

VRP三維互動(dòng)仿真平臺(tái)擁有強(qiáng)大的界面設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和腳本交互模塊，利用這些功能模塊可進(jìn)行虛擬校園系統(tǒng)的主要功能開發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)了以下功能。

5.1 虛擬仿真系統(tǒng)基本功能

5.1.1 漫游

漫游是三維虛擬仿真系統(tǒng)最基本的功能。江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園虛擬仿真系統(tǒng)具有三種漫游方式：路徑漫游、自由漫游、虛擬化身漫游。路徑漫游是基于幾個(gè)固定的動(dòng)畫路線進(jìn)行漫游；自由漫游中用戶不用創(chuàng)建化身角色直接通過鍵盤和鼠標(biāo)等外接設(shè)備的操作實(shí)現(xiàn)自主的漫游瀏覽；虛擬化身漫游是用戶通過創(chuàng)建化身角色以虛擬化身的身份進(jìn)入場景進(jìn)行漫游，在漫游過程中還可實(shí)現(xiàn)行走和跑步等不同狀態(tài)的切換。

5.1.2 導(dǎo)航

導(dǎo)航也是三維系統(tǒng)基本功能之一。使用者在虛擬場景中漫游時(shí)大部分關(guān)注場景的細(xì)節(jié)，很難對(duì)校園在總體上形成認(rèn)識(shí)，往往一次漫游之后，并不清楚自己在校園里真正行走的路線，因此需要在系統(tǒng)中增加定位導(dǎo)航鳥瞰圖的功能。使用者可以通過導(dǎo)航圖查看漫游時(shí)的位置，同時(shí)也可以通過導(dǎo)航圖快速定位漫游到想去的地點(diǎn)。

5.1.3 空間量測

虛擬校園系統(tǒng)作為一個(gè)三維立體虛擬環(huán)境，空間量測功能很有必要，使用者可以任意地量取所需的尺寸信息?？臻g量測功能包括三大塊：距離測量、面積測量和點(diǎn)測量。

5.2 校園主要景點(diǎn)360全景展示

360度全景是通過對(duì)專業(yè)相機(jī)捕捉整個(gè)場景的圖像信息，使用軟件進(jìn)行圖片拼合，并用專門的播放器進(jìn)行播放，即將平面照及計(jì)算機(jī)圖變?yōu)?60度全景景觀[7]。

360度全景把二維的平面圖模擬成真實(shí)的三維空間，呈現(xiàn)給觀賞者，它同建模和平面圖片形式相比，更具真實(shí)感，沉浸感強(qiáng)烈，給觀賞者帶來身臨其境的感覺。

系統(tǒng)通過全景發(fā)布控件展示校園主要景點(diǎn)的360度全景，從而可以很好的補(bǔ)充和彌補(bǔ)虛擬仿真場景在某些方面表現(xiàn)不夠真實(shí)的不足，更具真實(shí)感。比如人文生態(tài)的環(huán)境，用虛擬仿真的方式很難表現(xiàn)得非常真實(shí)，利用360度全景展示則可以充分的表現(xiàn)人文生態(tài)元素，與虛擬仿真場景結(jié)合，正好相互補(bǔ)充，虛實(shí)結(jié)合。

5.3基于空間的屬性信息查詢

使用者在校園虛擬漫游行走時(shí)，可能會(huì)對(duì)途經(jīng)的主體建筑物、標(biāo)志性景點(diǎn)等感興趣。江西師范大學(xué)人文生態(tài)虛擬校園系統(tǒng)能對(duì)用戶關(guān)注的三維物體以圖片、聲音、文字、視頻等多媒體形式展示在用戶面前，通過點(diǎn)擊對(duì)象，來查詢和瀏覽相應(yīng)對(duì)象的集文字和聲音介紹、圖片和視頻展示于一體的網(wǎng)頁信息。從而，使用者通過基于空間的各種信息的查詢，可以全方位的了解學(xué)校校史校情等多方面信息。

5.4 網(wǎng)絡(luò)共享

系統(tǒng)利用VRPIE插件發(fā)布成虛擬校園網(wǎng)絡(luò)版，用戶不用配置軟件環(huán)境，真正足不出戶直接通過Internet訪問江西師范大學(xué)虛擬校園服務(wù)器，從站點(diǎn)入口進(jìn)入虛擬校園，即可實(shí)現(xiàn)漫游和參觀查詢。

6 結(jié)束語和展望

隨著數(shù)字地球、數(shù)字城市的不斷發(fā)展，數(shù)字校園正逐漸普及和深入發(fā)展，虛擬校園作為數(shù)字校園的基礎(chǔ)和平臺(tái)，其建設(shè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。該文以江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園為例，提出了以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維仿真技術(shù)為核心，綜合利用360度全景技術(shù)、GIS、多媒體信息和web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合學(xué)校特有的人文生態(tài)元素，建立富有人文生態(tài)元素的三維虛擬場景的方法，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園在線虛擬仿真系統(tǒng)。結(jié)果表明，這種方法建立的大規(guī)模虛擬場景在虛擬逼真度、仿真效果、運(yùn)行效率和人機(jī)交互方面具有很好的優(yōu)勢。這一研究將虛擬仿真技術(shù)與人文生態(tài)理念相結(jié)合，為建設(shè)數(shù)字校園提供新思路，同時(shí)可以推廣到園林、山河、濕地景觀等虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中。

目前，江西師范大學(xué)人文生態(tài)校園虛擬仿真系統(tǒng)只是完成了數(shù)字校園的三維虛擬景觀的建設(shè)，下一步的工作需要進(jìn)一步開展數(shù)字校園的應(yīng)用研究，如虛擬課堂、虛擬講座和虛擬研討會(huì)等，并深入研究校園管理及其他方面的應(yīng)用，如基于虛擬師大平臺(tái)、針對(duì)特定的需求設(shè)計(jì)開發(fā)學(xué)生入學(xué)教育、校園規(guī)劃輔助設(shè)計(jì)、突發(fā)情況下的安全應(yīng)急演練等。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 百度百科. 360度全景 [EB/OL]. 2011. http：//baike.baidu.com/view/2131542.htm.