虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在數(shù)字化校園建設(shè)中的應(yīng)用及前景展望

郝艷娥，曾德驊

（延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安，716000；2.中建六局有限公司華東分公司，海南?？?，570125）

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及、數(shù)字化信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)也日益成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。越來(lái)越多的高校將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到“數(shù)字化校園”的建設(shè)中，以期建立自然、逼真、動(dòng)態(tài)的三維可視化立體式虛擬校園，達(dá)到校園現(xiàn)代化、智能化的目的。虛擬校園的建立能夠?yàn)閿?shù)字化校園建設(shè)提供了一種全新的手段和補(bǔ)充。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及方法用于陜北紅色旅游業(yè)的宣傳和延安新城區(qū)建設(shè)中也具有很好的前景和推廣價(jià)值。

“數(shù)字校園”建設(shè)包括信息的獲取、處理和應(yīng)用。本文根據(jù)某校園數(shù)字平面測(cè)繪數(shù)據(jù)，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用Arch2012建筑設(shè)計(jì)軟件對(duì)校園中出現(xiàn)的實(shí)體建筑進(jìn)行三維建模，應(yīng)用UC-win/Road軟件平臺(tái)將模型與周?chē)h(huán)境按相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合，對(duì)校園中的地形、地貌、地物和自然景觀等進(jìn)行三維模擬仿真，力圖建立動(dòng)態(tài)的立體式虛擬校園，在計(jì)算機(jī)中還原真實(shí)的校園原貌。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)指的是為用戶(hù)提供一種模擬現(xiàn)實(shí)的操作環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的感觀世界，使人們對(duì)所研究的對(duì)象和環(huán)境獲得身臨其境的感受，從而提高人類(lèi)認(rèn)知的廣度和深度，拓寬人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的“認(rèn)識(shí)空間”和“方法空間”，最終達(dá)到更本質(zhì)地反映客觀世界的實(shí)質(zhì)。該技術(shù)的興起，為工程項(xiàng)目的復(fù)雜數(shù)據(jù)提供了新的處理和表現(xiàn)方法。主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容是虛擬環(huán)境的建立，需利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

（2）實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。其該技術(shù)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”，研究?jī)?nèi)容是如何在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下提高刷新頻率

（3）立體顯示和傳感技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依靠于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，有必要開(kāi)發(fā)新的三維顯示技術(shù)滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需要。

（4）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵，可使生產(chǎn)效率大幅度提高，提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)質(zhì)量。因此，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)工具。

（5）系統(tǒng)集成技術(shù)。系統(tǒng)的集成技術(shù)作用巨大，因?yàn)榇罅康母兄畔⒑湍Ｐ桶谔摂M現(xiàn)實(shí)中。

2 利用Arch2012建筑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)體建模

TH-Arch建筑設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建于AutoCAD平臺(tái)，是一套為建筑設(shè)計(jì)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)提供的CAD系統(tǒng)。該軟件擁有多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其中渲染技術(shù)和在位編輯兩大技術(shù)，可以充分發(fā)揮建筑表現(xiàn)和工程制圖兩種用途，是中國(guó)建筑設(shè)計(jì)軟件里里程碑式的突破。

2.1 構(gòu)建實(shí)體建筑的基本原理

實(shí)體建筑的建模主要運(yùn)用的是體素構(gòu)造表示的原理，使用建模工具從形狀和外觀上對(duì)實(shí)體進(jìn)行模擬，為增加模型的真實(shí)感，采用紋理映射等輔助技術(shù)手段。原理如下：

（1）獲得建模數(shù)據(jù)。建模數(shù)據(jù)主要來(lái)自學(xué)校的測(cè)繪數(shù)據(jù)和建筑圖紙。

（2）確定模型的層次結(jié)構(gòu)。按照建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次分解。

（3）進(jìn)行可視建模過(guò)程。在Arch2012軟件中利用建模工具箱逐層進(jìn)行可視建模。注意模型的尺寸形狀要與建筑圖紙標(biāo)注的相同。

（4）使用紋理映射。對(duì)于門(mén)、窗、陽(yáng)臺(tái)欄桿等每棟建筑都具有且數(shù)量較大的細(xì)節(jié)部分，一般采用紋理映射的方法。

2.2 實(shí)體建模過(guò)程

先通過(guò)Arch2012對(duì)校園中的實(shí)體建筑按照?qǐng)D1所示流程進(jìn)行三維建模，再利用Arch中的材質(zhì)系統(tǒng)，對(duì)材質(zhì)進(jìn)行編輯，然后按建材分類(lèi)挑選材質(zhì)，給場(chǎng)景中的三維模型進(jìn)行材質(zhì)附著，以備渲染之用，渲染后的校園某建筑如圖3所示，最后利用屏幕菜單命令：【渲染動(dòng)畫(huà)】→【導(dǎo)出3DS】，將Arch的三維模型分解轉(zhuǎn)換成3ds格式，同時(shí)攜帶Arch中的材質(zhì).包括貼圖坐標(biāo)。

3 利用UC-win/Road軟件進(jìn)行校園三維仿真

按照?qǐng)D2的流程利用UC-win/Road軟件首先進(jìn)行地形信息編輯，根據(jù)需要在山坡上生成森林，再利用所測(cè)校園平面圖中的道路坐標(biāo)定義道路，然后進(jìn)行景觀配置，將建模好的三維圖形以3DS格式再導(dǎo)入U(xiǎn)C-win/Road軟件里，最后進(jìn)行VR演示。演示前，首先要進(jìn)行景觀位置的保存，飛行路徑的設(shè)置，電影腳本的設(shè)置等等，為演示做準(zhǔn)備。最后采用AVI格式錄像并保存，在錄像前，先設(shè)置寬度、高度、每秒幀數(shù)。幀數(shù)30以上為標(biāo)準(zhǔn)，編解碼器控制文件容量、畫(huà)質(zhì)。然后主菜單選擇【開(kāi)始AVI錄像】，進(jìn)行動(dòng)畫(huà)錄制，此時(shí)畫(huà)面上的任何舉動(dòng)均被錄制，結(jié)束時(shí)選擇【結(jié)束AVI錄像】。此外，也可對(duì)腳本進(jìn)行錄像。VR三維模擬仿真效果圖見(jiàn)圖4和圖5。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在用Arch2012軟件進(jìn)行三維建模和應(yīng)用UC-win/Road軟件進(jìn)行三維仿真過(guò)程中碰到一些困難，經(jīng)過(guò)仔細(xì)琢磨，反復(fù)鉆研，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)方法：

（1）Arch2012軟件建模過(guò)程中，除了柱、梁、墻、板等構(gòu)件必須按設(shè)計(jì)順序布置外，其它各部分的建立沒(méi)有先后順序之分；

（2）由建筑設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出的3DS圖，在導(dǎo)入VR軟件里會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或是渲染的材質(zhì)發(fā)生變化，可以通過(guò)在VR軟件重新渲染的方法解決；

（3）在UC-win/Road軟件中進(jìn)行模型配置時(shí)，如因模型過(guò)多導(dǎo)致Frame rate（fps）下降的話(huà)，可嘗試在描繪選項(xiàng)的性能選項(xiàng)卡中加大可視角度；

（4）在校園三維仿真后期，加入的模型越來(lái)越多，UC-win/Road軟件會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)性能不足，這樣會(huì)導(dǎo)致之前保存格式為.rd文件損壞，并且無(wú)法進(jìn)行修復(fù)。為避免重復(fù)勞動(dòng)，建議每做一步（大約10分鐘左右）另存為一次；

（5）由于模擬的環(huán)境比較大，物體非常多，為了錄制比較清晰的AVI格式視頻，建議把AVI選項(xiàng)里壓縮率調(diào)到60%左右。另外用UC-win/Road進(jìn)行AVI錄像時(shí)，視頻里一秒的時(shí)間需要的實(shí)際時(shí)間平均是20秒，非常慢，建議在定義腳本時(shí)，盡量把握好時(shí)間，把視頻分段錄制，每一段控制在6至8分鐘左右。

5 VR技術(shù)應(yīng)用展望

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于數(shù)字化校園建設(shè)中，可以為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)“自主學(xué)習(xí)”的交互式虛擬校園，與傳統(tǒng)的校園網(wǎng)相結(jié)合將會(huì)帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)，也是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。如果將VR技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)方法用于地方旅游業(yè)和城市建設(shè)中也具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

若將虛擬技術(shù)用于陜北革命舊址中，建立虛擬的三維紅色旅游景區(qū)，可以為革命舊址帶來(lái)全新的展示手法，提供立體的、動(dòng)態(tài)的展示效果，也可以通過(guò)現(xiàn)代科技手段讓更多的人能了解景區(qū)的特色，而且還能最現(xiàn)時(shí)、最真實(shí)、最清楚地將歷史遺址的整體風(fēng)貌展現(xiàn)出來(lái)，極具渲染性和說(shuō)服力，也達(dá)到了豐富現(xiàn)有旅游信息系統(tǒng)的內(nèi)容與表現(xiàn)形式的目的。不僅能加速游客對(duì)景點(diǎn)的認(rèn)識(shí)過(guò)程、刺激旅游動(dòng)機(jī)，還能引導(dǎo)旅游客流，實(shí)現(xiàn)旅游增效。對(duì)于旅游部門(mén)，能夠在空中指點(diǎn)景區(qū)，用立體畫(huà)面推銷(xiāo)旅游資源，有助于旅游資源的普查，指導(dǎo)旅游景點(diǎn)景區(qū)的規(guī)劃開(kāi)發(fā)建設(shè)?？梢?jiàn)，將VR技術(shù)引入到陜北革命舊址中可以為旅游歷史文化遺址提供真實(shí)的虛擬場(chǎng)景，達(dá)到運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)手段有效地推動(dòng)陜北紅色旅游和革命遺址保護(hù)的目的。

陜北延安由于所處地理位置狹窄，城市擴(kuò)展空間受限，目前正在“削山建城”，這項(xiàng)工程是世界上在濕陷性黃土地區(qū)規(guī)模最大的巖土工程，吸引了不少人的眼球，也帶來(lái)不少爭(zhēng)議，人們擔(dān)心這座新建城區(qū)會(huì)變成“空城、鬼城”。將VR技術(shù)應(yīng)用在陜北延安新城區(qū)建設(shè)中，可以向評(píng)審者或公眾實(shí)時(shí)展示逼真的、三維的新城區(qū)場(chǎng)景和規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，也可以全方位、多種方式、完全由用戶(hù)自由控制在新城區(qū)中漫游，還可將不同時(shí)期、不同階段的城市風(fēng)貌、建筑物的變化進(jìn)行對(duì)比，以滿(mǎn)足多種不同類(lèi)型的觀察者需求，并且可以與互聯(lián)網(wǎng)信息結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行身臨其境的全方位瀏覽，以滿(mǎn)足人們對(duì)新城區(qū)建設(shè)有著全面、真實(shí)、詳盡了解，這對(duì)提高延安新城區(qū)未來(lái)人氣具有積極作用。也是傳統(tǒng)的建筑平面圖、建筑沙盤(pán)模型、建筑效果圖和渲染的三維動(dòng)畫(huà)所無(wú)法達(dá)到的。

[1]深圳市斯威爾科技有限公司.建筑工程項(xiàng)目VR虛擬現(xiàn)實(shí)高級(jí)實(shí)例教程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

[2]深圳市斯威爾科技有限公司建筑設(shè)計(jì)軟件高級(jí)實(shí)例教程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

[3]石云，劉萬(wàn)青.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游業(yè)中的應(yīng)用-以國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū)驪山景區(qū)為例[J].測(cè)繪與空間地理信息，2009，32(4)：33-35

[4]肖立，尚濤.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2001，34（6）：114-116