三維校園虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2015-01-06 18:28:44劉小英張健

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年12期

劉小英+張健

摘要：虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方面，通過(guò)虛擬校園，人們只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可了解校園整體風(fēng)貌。以攀枝花學(xué)院主體建筑為研究對(duì)象，利用SketchUp構(gòu)建三維模型，應(yīng)用GIMP進(jìn)行紋理貼圖處理。運(yùn)用VC++6.0結(jié)合OpenGL技術(shù)，讀取三維模型，實(shí)現(xiàn)漫游交互控制及碰撞檢測(cè)功能。系統(tǒng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)場(chǎng)景逼真，能夠展現(xiàn)學(xué)校風(fēng)貌，為學(xué)校提供了一個(gè)新的窗口。

關(guān)鍵詞：虛擬校園;OpenGL;VC++6.0;SketchUp

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）12-2909-04

Design and Implementation of Virtual Reality Platform for 3D Campus

LIU Xiao-yinga，ZHANG Jianb

（a. School of Mathematics and Computer Science; b. School of Transportation and Automobile Engineering， Panzhihua University，

Panzhihua ?617000， Sichuan， China）

Abstract： Virtual campus is an important application about virtual reality technology. People only need a computer to have the overall view of the campus through the virtual campus. Taking the main building of Panzhihua university as a research object， using SketchUp to build 3D model and GIMP to process texture mapping， and VC++6.0 and OpenGL technology， the 3D model was read， and then the roaming interactive control and collision detection function were implemented. The system operation showed that the system could show realistic scenes of the school and provide school views with a new window.

Key words： virtual campus; OpenGL; VC++6.0; SketchUp

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種融合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)等多種技術(shù)的綜合集成技術(shù)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于視景仿真、虛擬工程設(shè)計(jì)、文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)等領(lǐng)域[2，3]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬校園的構(gòu)建已經(jīng)成為各大高校學(xué)者研究的熱點(diǎn)。虛擬校園結(jié)合地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)校園環(huán)境中的三維景觀的數(shù)字化和虛擬化[4]。構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)，并發(fā)布在校園網(wǎng)站或者其他網(wǎng)絡(luò)上，使很多使用者不用親臨學(xué)校，即可了解校園整體風(fēng)貌。

SketchUp是目前最流行的三維建模及渲染軟件，被廣泛用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域[5，6]，其構(gòu)造模型方法簡(jiǎn)單易上手，模型美觀，便于虛擬校園多場(chǎng)景構(gòu)建。OpenGL作為開(kāi)發(fā)交互式的三維應(yīng)用程序方面使用最為廣泛且有著高度評(píng)價(jià)的3D圖形接口，作為一個(gè)性能優(yōu)越的圖形API，OpenGL主要能實(shí)現(xiàn)基本圖形的繪制、三維圖形的幾何變換、提供RGBA和顏色索引兩種顏色模式、提供輻射光、漫反射光和鏡面光以及制定圖形表面的反射特性，即材質(zhì)屬性設(shè)置、提供紋理映射功能、提供三維人機(jī)交互接口，用戶可以通過(guò)輸入輸出設(shè)備進(jìn)行交互操作[7，8]。利用SketchUp構(gòu)建了攀枝花學(xué)院主體建筑的三維場(chǎng)景模型，應(yīng)用VC++6.0并結(jié)合OpenGL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了攀枝花學(xué)院校園的虛擬漫游。

1 ?校園虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建

通過(guò)導(dǎo)入學(xué)校的衛(wèi)星地圖來(lái)參照各個(gè)建筑之間的位置關(guān)系，進(jìn)行場(chǎng)景的逼真布局。以攀枝花學(xué)院為真實(shí)場(chǎng)景參照，利用SketchUp構(gòu)建虛擬模型。由于模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)量較大，所以在構(gòu)建場(chǎng)景時(shí)采用對(duì)模型先建造后合并的方法。校園虛擬場(chǎng)景構(gòu)建流程如圖1所示。

1.1 ?數(shù)據(jù)采集與處理

要使構(gòu)建的校園建筑形象逼真，需對(duì)建筑表面進(jìn)行逼真的紋理貼圖，使構(gòu)建的校園場(chǎng)景具有沉浸感。因此需要大量的平面及立體資料，數(shù)據(jù)采集工作就顯得尤為重要，主要分為以下兩個(gè)方面：

1）校園平面信息的獲取及建筑物的高度信息確定。衛(wèi)星地圖是部分地理數(shù)據(jù)的真實(shí)反映，通過(guò)電子地圖和衛(wèi)星地圖作為參考。衛(wèi)星地圖具有比例尺，根據(jù)地圖的比例尺來(lái)確定模型的長(zhǎng)寬比例和在校園內(nèi)的相對(duì)位置。采用測(cè)量和幾何估算來(lái)獲取建筑物的高度信息，如可以通過(guò)測(cè)量某建筑單層的高度乘以樓層數(shù)來(lái)估算出該建筑的整體高度。

2）對(duì)建筑整體和局部的細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的建筑局部細(xì)節(jié)需進(jìn)一步處理作為紋理貼圖。數(shù)據(jù)的處理主要是利用Photoshop軟件對(duì)采集回來(lái)的圖片資料進(jìn)行裁剪，調(diào)整大小，并導(dǎo)出為.bmp格式的位圖，用做模型的紋理貼圖。

1.2 ?校園建筑物場(chǎng)景模型的建立

1.2.1 ?模型建立 ?虛擬三維立體建模和漫游技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)[9，10]。系統(tǒng)模型是由SketchUp建立的，首先將采集到的衛(wèi)星地圖導(dǎo)入SketchUp，將其做為背景構(gòu)建虛擬校園地平面，以確定建筑的相對(duì)位置及方位的逼真度，然后參照此信息進(jìn)行建模。校園的衛(wèi)星地圖及平面三維建模圖如圖2所示。endprint

圖3展示的是校園主要建筑物分析測(cè)試中心主觀比例建模和真實(shí)尺寸建模的對(duì)比圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，主觀建模不美觀且不真實(shí)，和實(shí)際建筑相差甚遠(yuǎn);而真實(shí)尺寸建模美觀大方，符合建筑美學(xué)以及黃金分割比例，真實(shí)感較強(qiáng)，有沉浸感。因此，具體建模時(shí)一定要運(yùn)用真實(shí)尺寸建模，利用SketchUp中的測(cè)量工具，測(cè)出建筑的真實(shí)尺寸比例，只有嚴(yán)格按照真實(shí)尺寸建模才能達(dá)到美觀逼真的效果。

1.2.2 ?模型優(yōu)化與貼圖 ?模型建立好后，在貼圖之前還需要對(duì)模型進(jìn)行一些優(yōu)化操作，需要去掉模型表面不需要的線條和隱藏的平面，一方面可以減少紋理圖片的數(shù)量;另一方面在模型文件被加載到程序中時(shí)可以避免因計(jì)算多余的面而造成的系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。

紋理貼圖的制作是通過(guò)SketchUp對(duì)某一平面設(shè)置自定義紋理，并導(dǎo)出紋理為圖像。導(dǎo)出的紋理圖像用來(lái)作為紋理貼圖制作時(shí)的尺寸模板，將其用GIMP作為圖層打開(kāi)。然后，在GIMP中導(dǎo)入墻體、門窗圖片作為圖層，制作建筑物墻面的紋理貼圖。在GIMP中將制作好的紋理貼圖導(dǎo)出為位圖格式的圖片，通過(guò)SketchUp導(dǎo)入到虛擬模型中，并勾選“用作圖像”選項(xiàng)，將紋理圖像貼在正確的平面上。此時(shí)就可以將貼上紋理圖像的平面刪掉，只保留紋理圖像。用同樣的方法對(duì)其他平面進(jìn)行紋理貼圖。建好模型后，選用SketchUp的導(dǎo)出功能導(dǎo)出成3DS文件。

分析測(cè)試中心、會(huì)堂、辦公樓、圖書(shū)館及第二教學(xué)樓等校園主要建筑的建模及貼圖后的SketchUp渲染效果如圖4所示。

1.2.3 ?模型合并 ?在單個(gè)建筑的模型建好后，將所有模型加載到同一個(gè)場(chǎng)景中，并對(duì)模型的位置和大小進(jìn)行調(diào)整，使其看起來(lái)更自然更逼真。圖5所示為建好后的虛擬場(chǎng)景部分展示。

2 ?3DS模型文件的讀取

將模型轉(zhuǎn)換為3DS模型文件以后，需要導(dǎo)入到OpenGL程序框架中，首先需要對(duì)VC++6.0中的OpenGL編譯環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，環(huán)境設(shè)置好后，開(kāi)始導(dǎo)入3DS格式文件，在OpenGL中重新構(gòu)建并顯示學(xué)校建筑模型。在讀入3DS格式文件時(shí)，程序首先要判斷該文件是不是3DS格式，若不是則直接返回，不進(jìn)行任何操作，若是3DS文件則進(jìn)入下一步操作，即讀取文件中的模型數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇性地讀入需要的塊，忽略一些未知的塊。在讀入塊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)，可以用遞歸的方法實(shí)現(xiàn)，返回上一級(jí)的條件是當(dāng)前已經(jīng)讀入的塊的字節(jié)數(shù)是否等于塊的長(zhǎng)度;從父塊轉(zhuǎn)向讀入其子塊，用Switch語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，通過(guò)子塊的ID號(hào)來(lái)判斷進(jìn)入哪個(gè)分支。程序流程圖如圖6所示。

讀取3DS文件后，利用OpenGL自帶的函數(shù)添加燈光效果，并利用貼圖函數(shù)添加天空、水泥地面及草地，使其場(chǎng)景顯得更為真實(shí)。

3 ?人機(jī)交互漫游的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互漫游是通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)漫游視角進(jìn)行控制，當(dāng)視點(diǎn)的位置、方向和參考點(diǎn)發(fā)生改變時(shí)，場(chǎng)景中的物體相對(duì)于觀察者的方位也發(fā)生了改變，從而產(chǎn)生了“動(dòng)感”，達(dá)到能進(jìn)能退、能夠旋轉(zhuǎn)、視角俯仰、沉浸其中的效果。

系統(tǒng)中的視點(diǎn)即為人的眼睛，對(duì)場(chǎng)景顯示的漫游控制在OpenGL中利用gluLookat（）函數(shù)，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來(lái)達(dá)到漫游的效果。由于OpenGL的坐標(biāo)系和3DS Max的坐標(biāo)系是不同的，3DS Max中模型的z軸指向上方，而OpenGL中模型的z軸是垂直屏幕指向用戶的，因此需要將頂點(diǎn)坐標(biāo)的y軸和z軸翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。本系統(tǒng)由鍵盤(pán)執(zhí)行的漫游命令包括場(chǎng)景左右旋轉(zhuǎn)、場(chǎng)景縮放、視點(diǎn)改變等。響應(yīng)左、右旋轉(zhuǎn)命令時(shí)，視點(diǎn)保持不變，分別繞z軸沿逆、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度;響應(yīng)場(chǎng)景縮放命令時(shí)，視點(diǎn)分別沿視線方向移動(dòng)一定距離。按照這種響應(yīng)方法，通過(guò)空間向量分解運(yùn)算，即可計(jì)算出新的視點(diǎn)和參考點(diǎn)坐標(biāo)。人機(jī)交互控制功能鍵及功能如表1所示。

4 ?碰撞檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

確定了建筑的位置信息后，參照建筑的方位，才能確定出需要碰撞檢測(cè)的墻面位置信息。系統(tǒng)要能進(jìn)行碰撞檢測(cè)，也就是說(shuō)檢測(cè)觀察者在行進(jìn)中是否遇到了阻礙，如到了墻邊，則不能繼續(xù)前進(jìn)，不能出現(xiàn)穿墻而過(guò)的情況。碰撞檢測(cè)的原理是首先通過(guò)if函數(shù)判斷障礙，遇到障礙則返回為真，沒(méi)遇到則返回為假。對(duì)樹(shù)木實(shí)行碰撞繞行方法，即視點(diǎn)行走到樹(shù)木面前，如果有障礙，則x方向回原點(diǎn)，或者x方向不變，y方向回原點(diǎn)，如果沒(méi)障礙，繞行。

以圖書(shū)館及樹(shù)木的碰撞檢測(cè)為例，核心代碼如下：

BOOL baiscobj：：iftf（float x，float z，int i） ? ? ?//判斷障礙

{ if ?（x>=295 && x<=310）//判斷圖書(shū)館凸出墻

{

if （（ z<= -313 && z>= -335） || （z<= -473 && z>= -495））

// AfxMessageBox（"22222111111"）;

return TRUE;

}

else if （x>=290 && x<=297）//判斷圖書(shū)館正面墻

{

if （（z<= -265 && z>= -380） || （z<= -435 && z>= -545））

{

return TRUE;

}

對(duì)樹(shù)木的碰撞繞行核心代碼如下：

void baiscobj：：zangan（float x，float z）//碰撞繞行

{endprint

//AfxMessageBox（"11111"）;

float pp;

for（int ?i=0;i<=40;i++） //樹(shù)木障礙檢測(cè)

{

if（iftf（g_eye[0]，g_eye[2]，i）） //有障礙

{

pp=g_eye[0];g_eye[0]=x; //x方向回原點(diǎn)

if（！iftf（g_eye[0]，g_eye[2]，i））

continue ; //沒(méi)障礙，繞行。

else

g_eye[0]=pp; //有障礙，x方向不變

pp=g_eye[2];

g_eye[2]=z; //y方向回原點(diǎn)

if（！iftf（g_eye[0]，g_eye[2]，i）） ?; //沒(méi)障礙了，繞行。return

else

g_eye[2]=pp; //有障礙，y方向不變

}

5 ?結(jié)論

應(yīng)用SketchUp建模工具對(duì)攀枝花學(xué)院的主體建筑和校園整體平面建立虛擬模型，利用GIMP建立建筑紋理貼圖，最后進(jìn)行模型合并，結(jié)合Windows環(huán)境下OpenGL圖形編程實(shí)現(xiàn)了三維校園虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互控制及碰撞檢測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)場(chǎng)景逼真，能夠展現(xiàn)學(xué)校風(fēng)貌，使用戶不必親臨攀枝花學(xué)院即可了解學(xué)校的整體風(fēng)貌，具有較強(qiáng)的沉浸感及實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王振德，王艷春.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在虛擬校園中的應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（7）：3223-3224，3235.

[2] 任 ?鏷，王文劍，白雪飛. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的山西大學(xué)堂建筑復(fù)原[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（11）：20-24.

[3] 黃志鋒，李 ?笑，秦輝明.基于OpenGl和SolidWorks的遙操作工程機(jī)器人建模與仿真[J].機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（12）：157-159.

[4] 王艷安，曾俊峰，安運(yùn)華.長(zhǎng)江大學(xué)校園虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49（9）：2237-2240.

[5] 蘭玉芳，付金霞，徐霞華，等.基于SketchUp與ArcGIS的校園3DGIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2013，28（2）：346-351.

[6] 張瑞菊. SketchUp 結(jié)合Google Earth在虛擬校園中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S1）：271-272，297.

[7] 柏 ?林，陳根浪，徐 ?靜. OpenGL編程精粹[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1-2.

[8] 樊雅萍，黃生學(xué)，溫佩芝，等. 基于OpenGL的機(jī)器人虛擬漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（10）：2426-2428，2441.

[9] 原發(fā)杰，路立偉，邱健壯.校園三維虛擬漫游系統(tǒng)的建設(shè)研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（4）：586-590.

[10] 張青峰，吳發(fā)啟，周 ?淑，等.校園虛擬漫游設(shè)計(jì)初探[J].測(cè)繪科學(xué)，2005，30（6）：124-126.endprint