基于UDK的數(shù)字校園虛擬現(xiàn)實引擎關(guān)鍵技術(shù)的研究

摘 要：虛擬數(shù)字化校園漫游系統(tǒng)是數(shù)字化校園建設(shè)計劃的核心平臺。本文首先對目前主流的虛擬可視化開發(fā)工具作了介紹，并結(jié)合當(dāng)今最流行的游戲引擎UDK（Unreal Development Kit）和三維設(shè)計軟件3ds Max的虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，以無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)為原型，設(shè)計并實現(xiàn)了將虛擬現(xiàn)實引擎作為三維動態(tài)交互立體數(shù)字校園開發(fā)平臺的核心構(gòu)件，著重對引擎實現(xiàn)過程中的3ds模型導(dǎo)入進(jìn)行了解析，包含了材質(zhì)編輯技術(shù)、物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，上述技術(shù)的通用性在虛擬現(xiàn)實引擎中可見一斑，極大地提高了引擎的實用性和執(zhí)行效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園；UDK虛擬現(xiàn)實引擎；物理碰撞檢測技術(shù)

中圖分類號：TP319.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

如今虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通模擬、城市規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實、游戲、文物保護(hù)及遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域；基于計算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)和傳感技術(shù)多個領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠通過計算機(jī)平臺把現(xiàn)實的實景完美逼真的呈現(xiàn)出來，三維立體視覺效果，讓使用用戶能夠以完全沉浸式地對三維虛擬實景進(jìn)行體驗和溝通，達(dá)到如臨其境的體驗感覺，特別是在那些尚未實現(xiàn)、實施的項目或有危險很難實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本太高的項目中，效益效果就更加明顯?！叭S虛擬數(shù)字校園”因互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等的日臻成熟應(yīng)運而生。并引起了學(xué)界和學(xué)校的高度關(guān)注和重視，其中的數(shù)字化校園虛擬漫游系統(tǒng)又是數(shù)字校園建設(shè)計劃的核心平臺。

2 基于UDK虛擬現(xiàn)實引擎的設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究（Research on key technologies of virtual reality engine design based on UDK）

UDK是由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎的免費版開發(fā)工具，是一套為Xbox 360，DirectX 9/10 PC，P1ayStation 3平臺準(zhǔn)備的完整的游戲開發(fā)構(gòu)架，對64位HDR高精度多種類光照、高級動態(tài)陰影特效和動態(tài)渲染均支持，能將數(shù)百萬個多邊形模型才有的高精度在低多邊形數(shù)量（通常在5000-15000多邊形）的模型上表現(xiàn)出來，如此就能用最低的計算資源達(dá)到極高畫質(zhì)渲染，滿足了虛擬場景的真實感要求。本文我將三維數(shù)字校園虛擬場景構(gòu)建及場景瀏覽功能通過運用UDK關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并予以了設(shè)計和實現(xiàn)。

2.1 基于專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的模型導(dǎo)入

OpenGL的API是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的高性能圖形及交互場景處理的接口的函數(shù)集合，由于缺乏一系列的三維模型的高級命令，如通過點、線、多邊形幾何圖元建立三維模型，但像MAYA、3DMAX等市場流行的建模軟件卻很容易實現(xiàn)，然而這些三維設(shè)計軟件對建立的模型卻很進(jìn)行交互控制，因此為了綜合三維軟件和OpenGL的軟件的優(yōu)勢特點，由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎UDK的優(yōu)勢就凸現(xiàn)了出來，利用UDK開發(fā)環(huán)境可以導(dǎo)入由專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的三維模型，然后進(jìn)行相應(yīng)的交互控制設(shè)計操作、渲染。這樣既減少了建三維模型的時間和難度，更重要的是又提高了虛擬現(xiàn)實引擎的開發(fā)速度。

2.2 基于專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的模型的導(dǎo)入方法[1]

考慮到無錫城院數(shù)字校園的三維立體模型數(shù)據(jù)量巨大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，UDK開發(fā)環(huán)境對三維模型文件進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)化處理，導(dǎo)入轉(zhuǎn)化處理過程如圖1所示。

（1）三維模型文件二進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。

UDK開發(fā)環(huán)境專業(yè)設(shè)計了一個讀取三維模型數(shù)據(jù)的主類——3dsToBin類，包含了像T3dsFile類及其他輔助類，來讀取導(dǎo)入的三維模型的每個塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)ID塊頭所含的信息將其以二進(jìn)制緩存數(shù)組的方式存在二進(jìn)制文件當(dāng)中，并設(shè)計了一個關(guān)聯(lián)索引數(shù)組把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)起來。

（2）將導(dǎo)入的二進(jìn)制文件存儲的信息再還原轉(zhuǎn)化為三維場景中的幾何節(jié)點信息。

無錫城院數(shù)字校園三維模型信息，包含每個節(jié)點的頂點、法向量、顏色信息、紋理及標(biāo)識及位置的順序數(shù)字代碼，這些信息存儲在緩存中，其對應(yīng)的紋理是通過數(shù)組列表方法與其相關(guān)聯(lián)，以二進(jìn)制文件作為參數(shù)加載在UDK引擎當(dāng)中，作為構(gòu)建三維虛擬場景的依據(jù)。

2.3 UDK材質(zhì)編輯與設(shè)計

UDK材質(zhì)主要使用了抽象基類MaterialInterface（材質(zhì)接口）。這個類是已應(yīng)用的材質(zhì)的表達(dá)式和參數(shù)值的接口。Material（材質(zhì)）類是定義了表達(dá)式和默認(rèn)參數(shù)值的MaterialInterface的子類。材質(zhì)實例常量和隨時間變化的材質(zhì)實例類是有一個MaterialInstance父類的MaterialInterface的子類。這些類型都會從它們的父類中繼承它們的表達(dá)式和參數(shù)值，可以選擇重新載入某些參數(shù)值或?qū)ζ溥M(jìn)行動畫處理。圖2顯示了材質(zhì)通道、材質(zhì)節(jié)點和材質(zhì)表達(dá)式三者之間的關(guān)系，最終材質(zhì)設(shè)定好以后呈現(xiàn)出如圖2所示的效果。

2.4 基于UDK引擎虛擬校園的仿真技術(shù)——物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)[2，3]

為了防止在虛擬環(huán)境中出現(xiàn)物體交叉或物體相互進(jìn)入等反自然的現(xiàn)象，增強(qiáng)仿真度，UDK引擎中引入了物理碰撞及碰撞檢測技術(shù)，在UDK中有只能均勻縮放的球體碰撞體，有既能均勻縮放又能沿著其長或?qū)挿较蚩s放的膠囊體碰撞體，更有既可均勻又可非均勻縮放的盒體碰撞體。UDK開發(fā)環(huán)境使用phat修改器能夠非常便捷的修改物理資源的碰撞物體。打開phat中的phys_ capsule3 physics，就能看到物理資源體周圍環(huán)繞著線框球體或膠囊體，這些線框就是該物體骨骼的碰撞物體，通過單擊simulate（模擬）按鈕甚至可以看到物體行為的模擬效果，再單擊就可停止。用左擊選擇一個碰撞物體，橙色高亮顯示表示被選擇了，可直接與其相鄰的單元則變成白色。則表示這些碰撞體間的碰撞已經(jīng)被禁止了，原因是約束正在處理它們之間的相互作用。

三維動態(tài)交互立體三維數(shù)字校園的人物模型在走動觀看的時候，獨創(chuàng)設(shè)計并實現(xiàn)了Capsule包圍盒碰撞檢測方法，避免不符合自然現(xiàn)象的情況出現(xiàn)如人物沿著墻壁走上去或從障礙物中穿過等。如果人物模型與另一個模型對象發(fā)生了碰撞，通過兩個測試的對象外包圍盒的相交情況就可判斷，從而對虛擬人物的位置方向做相應(yīng)的調(diào)整，繼續(xù)前行。如圖3所示。

3 結(jié)論（Conclusion）

本研究以無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字校園為例，旨在探討基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字化校園的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，結(jié)合UDK虛擬現(xiàn)實引擎的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，深入探討了三維動態(tài)交互立體數(shù)字校園開發(fā)平臺中所應(yīng)用到的幾項關(guān)鍵技術(shù)：三維立體模型導(dǎo)入及方法、材質(zhì)編輯技術(shù)、物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)等，為三維數(shù)字虛擬化校園建設(shè)探索了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 王濤.中文3ds max三維動畫基礎(chǔ)與實例教程[M].北京：研究出版社，2008.

[2] 劉陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/open GI的虛擬海大校園導(dǎo)航系統(tǒng)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報.2007，19（2）：263-267.

[3] Gerard F. Fibre optic sensor systems for monitoring compositestructures[J]. Reinforced Plastics，2005，49（11）：41-49.

作者簡介：

王 濤（1969-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計算機(jī)應(yīng)用、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù).endprint

摘 要：虛擬數(shù)字化校園漫游系統(tǒng)是數(shù)字化校園建設(shè)計劃的核心平臺。本文首先對目前主流的虛擬可視化開發(fā)工具作了介紹，并結(jié)合當(dāng)今最流行的游戲引擎UDK（Unreal Development Kit）和三維設(shè)計軟件3ds Max的虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，以無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)為原型，設(shè)計并實現(xiàn)了將虛擬現(xiàn)實引擎作為三維動態(tài)交互立體數(shù)字校園開發(fā)平臺的核心構(gòu)件，著重對引擎實現(xiàn)過程中的3ds模型導(dǎo)入進(jìn)行了解析，包含了材質(zhì)編輯技術(shù)、物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，上述技術(shù)的通用性在虛擬現(xiàn)實引擎中可見一斑，極大地提高了引擎的實用性和執(zhí)行效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園；UDK虛擬現(xiàn)實引擎；物理碰撞檢測技術(shù)

中圖分類號：TP319.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

如今虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通模擬、城市規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實、游戲、文物保護(hù)及遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域；基于計算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)和傳感技術(shù)多個領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠通過計算機(jī)平臺把現(xiàn)實的實景完美逼真的呈現(xiàn)出來，三維立體視覺效果，讓使用用戶能夠以完全沉浸式地對三維虛擬實景進(jìn)行體驗和溝通，達(dá)到如臨其境的體驗感覺，特別是在那些尚未實現(xiàn)、實施的項目或有危險很難實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本太高的項目中，效益效果就更加明顯?！叭S虛擬數(shù)字校園”因互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等的日臻成熟應(yīng)運而生。并引起了學(xué)界和學(xué)校的高度關(guān)注和重視，其中的數(shù)字化校園虛擬漫游系統(tǒng)又是數(shù)字校園建設(shè)計劃的核心平臺。

2 基于UDK虛擬現(xiàn)實引擎的設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究（Research on key technologies of virtual reality engine design based on UDK）

UDK是由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎的免費版開發(fā)工具，是一套為Xbox 360，DirectX 9/10 PC，P1ayStation 3平臺準(zhǔn)備的完整的游戲開發(fā)構(gòu)架，對64位HDR高精度多種類光照、高級動態(tài)陰影特效和動態(tài)渲染均支持，能將數(shù)百萬個多邊形模型才有的高精度在低多邊形數(shù)量（通常在5000-15000多邊形）的模型上表現(xiàn)出來，如此就能用最低的計算資源達(dá)到極高畫質(zhì)渲染，滿足了虛擬場景的真實感要求。本文我將三維數(shù)字校園虛擬場景構(gòu)建及場景瀏覽功能通過運用UDK關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并予以了設(shè)計和實現(xiàn)。

2.1 基于專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的模型導(dǎo)入

OpenGL的API是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的高性能圖形及交互場景處理的接口的函數(shù)集合，由于缺乏一系列的三維模型的高級命令，如通過點、線、多邊形幾何圖元建立三維模型，但像MAYA、3DMAX等市場流行的建模軟件卻很容易實現(xiàn)，然而這些三維設(shè)計軟件對建立的模型卻很進(jìn)行交互控制，因此為了綜合三維軟件和OpenGL的軟件的優(yōu)勢特點，由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎UDK的優(yōu)勢就凸現(xiàn)了出來，利用UDK開發(fā)環(huán)境可以導(dǎo)入由專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的三維模型，然后進(jìn)行相應(yīng)的交互控制設(shè)計操作、渲染。這樣既減少了建三維模型的時間和難度，更重要的是又提高了虛擬現(xiàn)實引擎的開發(fā)速度。

2.2 基于專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的模型的導(dǎo)入方法[1]

考慮到無錫城院數(shù)字校園的三維立體模型數(shù)據(jù)量巨大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，UDK開發(fā)環(huán)境對三維模型文件進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)化處理，導(dǎo)入轉(zhuǎn)化處理過程如圖1所示。

（1）三維模型文件二進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。

UDK開發(fā)環(huán)境專業(yè)設(shè)計了一個讀取三維模型數(shù)據(jù)的主類——3dsToBin類，包含了像T3dsFile類及其他輔助類，來讀取導(dǎo)入的三維模型的每個塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)ID塊頭所含的信息將其以二進(jìn)制緩存數(shù)組的方式存在二進(jìn)制文件當(dāng)中，并設(shè)計了一個關(guān)聯(lián)索引數(shù)組把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)起來。

（2）將導(dǎo)入的二進(jìn)制文件存儲的信息再還原轉(zhuǎn)化為三維場景中的幾何節(jié)點信息。

無錫城院數(shù)字校園三維模型信息，包含每個節(jié)點的頂點、法向量、顏色信息、紋理及標(biāo)識及位置的順序數(shù)字代碼，這些信息存儲在緩存中，其對應(yīng)的紋理是通過數(shù)組列表方法與其相關(guān)聯(lián)，以二進(jìn)制文件作為參數(shù)加載在UDK引擎當(dāng)中，作為構(gòu)建三維虛擬場景的依據(jù)。

2.3 UDK材質(zhì)編輯與設(shè)計

UDK材質(zhì)主要使用了抽象基類MaterialInterface（材質(zhì)接口）。這個類是已應(yīng)用的材質(zhì)的表達(dá)式和參數(shù)值的接口。Material（材質(zhì)）類是定義了表達(dá)式和默認(rèn)參數(shù)值的MaterialInterface的子類。材質(zhì)實例常量和隨時間變化的材質(zhì)實例類是有一個MaterialInstance父類的MaterialInterface的子類。這些類型都會從它們的父類中繼承它們的表達(dá)式和參數(shù)值，可以選擇重新載入某些參數(shù)值或?qū)ζ溥M(jìn)行動畫處理。圖2顯示了材質(zhì)通道、材質(zhì)節(jié)點和材質(zhì)表達(dá)式三者之間的關(guān)系，最終材質(zhì)設(shè)定好以后呈現(xiàn)出如圖2所示的效果。

2.4 基于UDK引擎虛擬校園的仿真技術(shù)——物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)[2，3]

為了防止在虛擬環(huán)境中出現(xiàn)物體交叉或物體相互進(jìn)入等反自然的現(xiàn)象，增強(qiáng)仿真度，UDK引擎中引入了物理碰撞及碰撞檢測技術(shù)，在UDK中有只能均勻縮放的球體碰撞體，有既能均勻縮放又能沿著其長或?qū)挿较蚩s放的膠囊體碰撞體，更有既可均勻又可非均勻縮放的盒體碰撞體。UDK開發(fā)環(huán)境使用phat修改器能夠非常便捷的修改物理資源的碰撞物體。打開phat中的phys_ capsule3 physics，就能看到物理資源體周圍環(huán)繞著線框球體或膠囊體，這些線框就是該物體骨骼的碰撞物體，通過單擊simulate（模擬）按鈕甚至可以看到物體行為的模擬效果，再單擊就可停止。用左擊選擇一個碰撞物體，橙色高亮顯示表示被選擇了，可直接與其相鄰的單元則變成白色。則表示這些碰撞體間的碰撞已經(jīng)被禁止了，原因是約束正在處理它們之間的相互作用。

三維動態(tài)交互立體三維數(shù)字校園的人物模型在走動觀看的時候，獨創(chuàng)設(shè)計并實現(xiàn)了Capsule包圍盒碰撞檢測方法，避免不符合自然現(xiàn)象的情況出現(xiàn)如人物沿著墻壁走上去或從障礙物中穿過等。如果人物模型與另一個模型對象發(fā)生了碰撞，通過兩個測試的對象外包圍盒的相交情況就可判斷，從而對虛擬人物的位置方向做相應(yīng)的調(diào)整，繼續(xù)前行。如圖3所示。

3 結(jié)論（Conclusion）

本研究以無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字校園為例，旨在探討基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字化校園的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，結(jié)合UDK虛擬現(xiàn)實引擎的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，深入探討了三維動態(tài)交互立體數(shù)字校園開發(fā)平臺中所應(yīng)用到的幾項關(guān)鍵技術(shù)：三維立體模型導(dǎo)入及方法、材質(zhì)編輯技術(shù)、物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)等，為三維數(shù)字虛擬化校園建設(shè)探索了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 王濤.中文3ds max三維動畫基礎(chǔ)與實例教程[M].北京：研究出版社，2008.

[2] 劉陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/open GI的虛擬海大校園導(dǎo)航系統(tǒng)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報.2007，19（2）：263-267.

[3] Gerard F. Fibre optic sensor systems for monitoring compositestructures[J]. Reinforced Plastics，2005，49（11）：41-49.

作者簡介：

王 濤（1969-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計算機(jī)應(yīng)用、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù).endprint

摘 要：虛擬數(shù)字化校園漫游系統(tǒng)是數(shù)字化校園建設(shè)計劃的核心平臺。本文首先對目前主流的虛擬可視化開發(fā)工具作了介紹，并結(jié)合當(dāng)今最流行的游戲引擎UDK（Unreal Development Kit）和三維設(shè)計軟件3ds Max的虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，以無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)為原型，設(shè)計并實現(xiàn)了將虛擬現(xiàn)實引擎作為三維動態(tài)交互立體數(shù)字校園開發(fā)平臺的核心構(gòu)件，著重對引擎實現(xiàn)過程中的3ds模型導(dǎo)入進(jìn)行了解析，包含了材質(zhì)編輯技術(shù)、物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，上述技術(shù)的通用性在虛擬現(xiàn)實引擎中可見一斑，極大地提高了引擎的實用性和執(zhí)行效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園；UDK虛擬現(xiàn)實引擎；物理碰撞檢測技術(shù)

中圖分類號：TP319.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

如今虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通模擬、城市規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實、游戲、文物保護(hù)及遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域；基于計算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)和傳感技術(shù)多個領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠通過計算機(jī)平臺把現(xiàn)實的實景完美逼真的呈現(xiàn)出來，三維立體視覺效果，讓使用用戶能夠以完全沉浸式地對三維虛擬實景進(jìn)行體驗和溝通，達(dá)到如臨其境的體驗感覺，特別是在那些尚未實現(xiàn)、實施的項目或有危險很難實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本太高的項目中，效益效果就更加明顯?！叭S虛擬數(shù)字校園”因互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等的日臻成熟應(yīng)運而生。并引起了學(xué)界和學(xué)校的高度關(guān)注和重視，其中的數(shù)字化校園虛擬漫游系統(tǒng)又是數(shù)字校園建設(shè)計劃的核心平臺。

2 基于UDK虛擬現(xiàn)實引擎的設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究（Research on key technologies of virtual reality engine design based on UDK）

UDK是由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎的免費版開發(fā)工具，是一套為Xbox 360，DirectX 9/10 PC，P1ayStation 3平臺準(zhǔn)備的完整的游戲開發(fā)構(gòu)架，對64位HDR高精度多種類光照、高級動態(tài)陰影特效和動態(tài)渲染均支持，能將數(shù)百萬個多邊形模型才有的高精度在低多邊形數(shù)量（通常在5000-15000多邊形）的模型上表現(xiàn)出來，如此就能用最低的計算資源達(dá)到極高畫質(zhì)渲染，滿足了虛擬場景的真實感要求。本文我將三維數(shù)字校園虛擬場景構(gòu)建及場景瀏覽功能通過運用UDK關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并予以了設(shè)計和實現(xiàn)。

2.1 基于專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的模型導(dǎo)入

OpenGL的API是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的高性能圖形及交互場景處理的接口的函數(shù)集合，由于缺乏一系列的三維模型的高級命令，如通過點、線、多邊形幾何圖元建立三維模型，但像MAYA、3DMAX等市場流行的建模軟件卻很容易實現(xiàn)，然而這些三維設(shè)計軟件對建立的模型卻很進(jìn)行交互控制，因此為了綜合三維軟件和OpenGL的軟件的優(yōu)勢特點，由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎UDK的優(yōu)勢就凸現(xiàn)了出來，利用UDK開發(fā)環(huán)境可以導(dǎo)入由專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的三維模型，然后進(jìn)行相應(yīng)的交互控制設(shè)計操作、渲染。這樣既減少了建三維模型的時間和難度，更重要的是又提高了虛擬現(xiàn)實引擎的開發(fā)速度。

2.2 基于專業(yè)三維設(shè)計軟件設(shè)計的模型的導(dǎo)入方法[1]

考慮到無錫城院數(shù)字校園的三維立體模型數(shù)據(jù)量巨大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，UDK開發(fā)環(huán)境對三維模型文件進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)化處理，導(dǎo)入轉(zhuǎn)化處理過程如圖1所示。

（1）三維模型文件二進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。

UDK開發(fā)環(huán)境專業(yè)設(shè)計了一個讀取三維模型數(shù)據(jù)的主類——3dsToBin類，包含了像T3dsFile類及其他輔助類，來讀取導(dǎo)入的三維模型的每個塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)ID塊頭所含的信息將其以二進(jìn)制緩存數(shù)組的方式存在二進(jìn)制文件當(dāng)中，并設(shè)計了一個關(guān)聯(lián)索引數(shù)組把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)起來。

（2）將導(dǎo)入的二進(jìn)制文件存儲的信息再還原轉(zhuǎn)化為三維場景中的幾何節(jié)點信息。

無錫城院數(shù)字校園三維模型信息，包含每個節(jié)點的頂點、法向量、顏色信息、紋理及標(biāo)識及位置的順序數(shù)字代碼，這些信息存儲在緩存中，其對應(yīng)的紋理是通過數(shù)組列表方法與其相關(guān)聯(lián)，以二進(jìn)制文件作為參數(shù)加載在UDK引擎當(dāng)中，作為構(gòu)建三維虛擬場景的依據(jù)。

2.3 UDK材質(zhì)編輯與設(shè)計

UDK材質(zhì)主要使用了抽象基類MaterialInterface（材質(zhì)接口）。這個類是已應(yīng)用的材質(zhì)的表達(dá)式和參數(shù)值的接口。Material（材質(zhì)）類是定義了表達(dá)式和默認(rèn)參數(shù)值的MaterialInterface的子類。材質(zhì)實例常量和隨時間變化的材質(zhì)實例類是有一個MaterialInstance父類的MaterialInterface的子類。這些類型都會從它們的父類中繼承它們的表達(dá)式和參數(shù)值，可以選擇重新載入某些參數(shù)值或?qū)ζ溥M(jìn)行動畫處理。圖2顯示了材質(zhì)通道、材質(zhì)節(jié)點和材質(zhì)表達(dá)式三者之間的關(guān)系，最終材質(zhì)設(shè)定好以后呈現(xiàn)出如圖2所示的效果。

2.4 基于UDK引擎虛擬校園的仿真技術(shù)——物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)[2，3]

為了防止在虛擬環(huán)境中出現(xiàn)物體交叉或物體相互進(jìn)入等反自然的現(xiàn)象，增強(qiáng)仿真度，UDK引擎中引入了物理碰撞及碰撞檢測技術(shù)，在UDK中有只能均勻縮放的球體碰撞體，有既能均勻縮放又能沿著其長或?qū)挿较蚩s放的膠囊體碰撞體，更有既可均勻又可非均勻縮放的盒體碰撞體。UDK開發(fā)環(huán)境使用phat修改器能夠非常便捷的修改物理資源的碰撞物體。打開phat中的phys_ capsule3 physics，就能看到物理資源體周圍環(huán)繞著線框球體或膠囊體，這些線框就是該物體骨骼的碰撞物體，通過單擊simulate（模擬）按鈕甚至可以看到物體行為的模擬效果，再單擊就可停止。用左擊選擇一個碰撞物體，橙色高亮顯示表示被選擇了，可直接與其相鄰的單元則變成白色。則表示這些碰撞體間的碰撞已經(jīng)被禁止了，原因是約束正在處理它們之間的相互作用。

三維動態(tài)交互立體三維數(shù)字校園的人物模型在走動觀看的時候，獨創(chuàng)設(shè)計并實現(xiàn)了Capsule包圍盒碰撞檢測方法，避免不符合自然現(xiàn)象的情況出現(xiàn)如人物沿著墻壁走上去或從障礙物中穿過等。如果人物模型與另一個模型對象發(fā)生了碰撞，通過兩個測試的對象外包圍盒的相交情況就可判斷，從而對虛擬人物的位置方向做相應(yīng)的調(diào)整，繼續(xù)前行。如圖3所示。

3 結(jié)論（Conclusion）

本研究以無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字校園為例，旨在探討基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字化校園的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，結(jié)合UDK虛擬現(xiàn)實引擎的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，深入探討了三維動態(tài)交互立體數(shù)字校園開發(fā)平臺中所應(yīng)用到的幾項關(guān)鍵技術(shù)：三維立體模型導(dǎo)入及方法、材質(zhì)編輯技術(shù)、物理碰撞技術(shù)及碰撞檢測技術(shù)等，為三維數(shù)字虛擬化校園建設(shè)探索了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 王濤.中文3ds max三維動畫基礎(chǔ)與實例教程[M].北京：研究出版社，2008.

[2] 劉陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/open GI的虛擬海大校園導(dǎo)航系統(tǒng)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報.2007，19（2）：263-267.

[3] Gerard F. Fibre optic sensor systems for monitoring compositestructures[J]. Reinforced Plastics，2005，49（11）：41-49.

作者簡介：

王 濤（1969-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計算機(jī)應(yīng)用、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù).endprint