虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬校園漫游系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

韓國新

摘要：VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）科技在教育中的應(yīng)用——建立虛擬校園，是為了讓未進(jìn)入校園的人們能夠置身在一個計算機(jī)模擬、虛擬的三維空間中，通過圖像、聲音、味覺等模擬現(xiàn)實的體驗，通過動態(tài)交互等，讓體驗者如同真的置身于校園中，達(dá)到身臨其境的效果。該文以某學(xué)校校園為研究對象，利用校園內(nèi)的航空影像、地圖照片數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)以及區(qū)內(nèi)建筑物的影像信息，在MultiGen Creator/Vega軟件平臺上建立整個校園的虛擬場景，結(jié)合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：虛擬化；校園系統(tǒng)；模擬；設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）34-0233-04

1構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)的意義

虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，隨著計算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、圖形圖像學(xué)的發(fā)展、人類想利用計算機(jī)拓展視覺、聽覺、嗅覺等感知的興趣愈加濃厚，開始探索模擬環(huán)境下人類實際體驗的交互技術(shù)問題。近些年來，計算機(jī)科技的快速進(jìn)步，學(xué)校數(shù)字化建設(shè)也應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，虛擬校園成為數(shù)字化校園建設(shè)的重要組成。虛擬校園本身就是一個信息系統(tǒng)，具有沉浸感以及交互性兩個非常重要的特征。虛擬校園能夠通過對校園環(huán)境的虛擬化、全景化展示，更好地呈現(xiàn)學(xué)校人文環(huán)境，讓教師、家長、學(xué)生足不出戶，就可以全面了解學(xué)校，方便進(jìn)行日常教學(xué)與生活。虛擬校園的另一個作用是，校園經(jīng)過數(shù)字化和虛擬化后，可以成為數(shù)字校園建設(shè)的基礎(chǔ)，在這個虛擬的數(shù)字空間里，管理者可以對校園規(guī)劃、優(yōu)化管理、學(xué)校發(fā)展等通過網(wǎng)絡(luò)積極提出整改意見，可以更高效的為發(fā)展教育做出更大貢獻(xiàn)。

2 虛擬校園系統(tǒng)模型分析與設(shè)計

2.1虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)

虛擬校園系統(tǒng)需實現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）具有良好的交互界面，可以為用戶提供身臨其境的感覺，用戶能夠方便地對系統(tǒng)進(jìn)行各種交互操作。

2）系統(tǒng)界面簡單化，能夠讓計算機(jī)操作水平很低的人進(jìn)行操作，具有簡易性和普遍性的特點(diǎn)。

3）系統(tǒng)中的模型與現(xiàn)實景觀達(dá)到盡量高度貼切。

4）為適應(yīng)校園建設(shè)的變化，系統(tǒng)具備建筑模型的增刪功能。

5）對虛擬環(huán)境中的模型可以進(jìn)行參數(shù)的修改，如大小、位置、方向等屬性。

6）具備良好的漫游功能，用戶能夠在虛擬環(huán)境中任意角度和方向進(jìn)行瀏覽。包括自動漫游和場景定位等功能。

7）具有較好的可移植性和擴(kuò)展性，能夠運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)平臺。

2.2虛擬校園模型建立

項目組以某學(xué)校虛擬化和信息化為目標(biāo)，通過3D虛擬場景創(chuàng)建軟件建立校園虛擬模型和三維模型庫。整個系統(tǒng)模型采用針對局部物體的建模，最后用合成的方法構(gòu)建整個模型。以下是虛擬校園的整體工藝流程圖。如圖1所示。

2.3虛擬校園數(shù)據(jù)信息獲取

要建立一個形象逼真的3D虛擬校園首先需要獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要包括地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)兩類。獲取地形數(shù)據(jù)主要通過數(shù)字?jǐn)z影，利用圖像匹配可以自動生成模型數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成DED格式。校園建筑的信息采集來源于校園建筑圖紙數(shù)據(jù)和飛機(jī)遙感測繪數(shù)據(jù)。利用軟件Auto CAD提取二維場景數(shù)據(jù)信息，在系統(tǒng)內(nèi)準(zhǔn)確顯示采集結(jié)果，完成對校園建筑三維建模與定位。校園信息需要采集，采集的數(shù)據(jù)直接關(guān)系到建筑物各類信息的準(zhǔn)確性，諸如長、寬、高、深等信息。根據(jù)對象在場景中的表現(xiàn)不同，我們在校園里，將紋理信息分為動態(tài)和靜態(tài)兩類信息。針對靜態(tài)紋理信息，我們采用照相的方式；針對動態(tài)紋理信息，我們采用模擬或者用靜態(tài)紋理代替的原則，加快開發(fā)進(jìn)度。

2.4數(shù)據(jù)預(yù)處理

虛擬校園數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括兩個方面的預(yù)處理：

2.4.1 AutoCAD文件的預(yù)處理

虛擬校園二維信息一半都存儲在校園的AutoCAD文件里，通過經(jīng)驗得知，直接將校園AutoCAD文件導(dǎo)入到Creator中，由于數(shù)據(jù)量大，會花費(fèi)很長時間。

2.4.2 紋理預(yù)處理

紋理處理的好壞影響虛擬校園系統(tǒng)的實現(xiàn)。采集的數(shù)據(jù)直接關(guān)系到建筑物信息的準(zhǔn)確性，紋理處理需要一個精細(xì)的過程，捕獲的圖像與現(xiàn)實會略有不同，因為照片會因為天氣、投影、障礙物等方面的原因與我們已經(jīng)生成的紋理是不完全相同的。

圖 2和圖 3 分別是計算機(jī)學(xué)院南墻的原始照片和處理后的墻面紋理效果。

紋理加工是通過專業(yè)軟件完成的，本文采用Photoshop圖形處理軟件對之前所拍攝的紋理照片進(jìn)行紋理處理，處理內(nèi)容包括亮度、對比度和傾斜角度的微調(diào)，其中注意的一點(diǎn)是，從照片中提取的紋理，要保證紋理的大小是2的N次冪。

2.5虛擬校園模型的層級結(jié)構(gòu)

校園場景層次規(guī)劃如4所示，校園場景層次規(guī)劃，分為天空，地貌特征，景觀環(huán)境，教學(xué)區(qū)等四類。

2.6場景構(gòu)建過程

2.6.1 地形建模過程

根據(jù)實際地形，構(gòu)建虛擬校園地形，地形在虛擬校園中是整個場景的基礎(chǔ)，紅色代表建筑，綠色植被等等，我們可以在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行更深層次設(shè)計。在具體采集地形數(shù)據(jù)時，我們采用衛(wèi)星圖獲得校園地形圖，再結(jié)合實際測量，就可以準(zhǔn)確獲得道路、建筑物等的具體信息，在Creator軟件中只需要把校園衛(wèi)星地圖作為參考背景，就可以構(gòu)建學(xué)校的平面分布圖。虛擬校園衛(wèi)星地圖如圖5所示，虛擬校園平面分布圖如圖6所示。

2.6.2 道路建模實現(xiàn)

虛擬建筑模型通過使用Multigen Creator軟件完成，為方便建模，Creator將設(shè)計文件打開，利用中心工具，使參觀者位于網(wǎng)格的中心點(diǎn)。Creator軟件本身提供了強(qiáng)大的道路建模功能模塊，設(shè)計者直接調(diào)用External Reference外部參考就可以輕松定義道路分界線、路肩、路燈、綠化帶等，可以輕松設(shè)計道路的各種交叉、坡度、道路類型，道路的轉(zhuǎn)彎半徑，不同類型道路的紋理設(shè)計等。

2.6.3 建筑物建模

在校園里，建筑物是主要的模型物體。就本研究對象來說，建筑物相對不具有復(fù)雜的造型，數(shù)量少，外形基本上是較規(guī)則的形狀，絕大多數(shù)建筑物是箱體式的建筑風(fēng)格，因此本文討論的建筑物模式基本上就采用這種箱體模式。在Creator軟件中導(dǎo)入校園DXF數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，首先把建筑物位置做準(zhǔn)確的定位，使用Face中的Polygon命令作為校園建筑物的地基面；以建筑物高度作為標(biāo)準(zhǔn)，利用Geometry工具設(shè)計校園建筑物的基本造型，構(gòu)建建筑物虛擬模型[5]。

下面以19號宿舍為例，詳細(xì)介紹建筑物建模的過程。首先，需要前期準(zhǔn)備好宿舍樓的影像和尺寸、方位信息數(shù)據(jù)。然后再Creator中創(chuàng)建一個基礎(chǔ)的幾何模型，還要對各處細(xì)節(jié)做處理，盡量使用最少的面創(chuàng)建模型，后期再增加紋理信息，增強(qiáng)逼真感。圖7所示是19號宿舍的幾何模型。

在構(gòu)建初步的幾何模型后，要進(jìn)行模型優(yōu)化。Creator軟件建立起來的三維幾何模型實際上由很多數(shù)量的多邊形組成，結(jié)構(gòu)一旦很復(fù)雜，多邊形的數(shù)量就非常龐大，這就對計算機(jī)性能提出了很大挑戰(zhàn)，因此在能夠保證模型逼真感前提下，一定要對Creator幾何模型進(jìn)行優(yōu)化處理，盡可能減少三維幾何模型的頂點(diǎn)和多邊形數(shù)目，主要通過刪除不可見多邊形或者合并多邊形實現(xiàn)。優(yōu)化后的19號宿舍樓模型如圖8所示，表1中的數(shù)據(jù)為優(yōu)化前后幾何模型多邊形數(shù)量的變化。

2.6.4樹的建模

在場景中使用綠色植被，場景視覺效果會更好、更接近自然。因此建模的重點(diǎn)研究內(nèi)容還包括樹建模方法。因為樹是不規(guī)則的形狀，與普通的建筑物一樣，仍然可以使用幾何表示。首先創(chuàng)建植物幾何模型，然后添加紋理就可以形成植物模型。樹的紋理如圖12所示。

圖12 樹的正常紋理和黑白紋理

大量的植物模型，可以通過復(fù)制的方式快速生成。對于幾何模型大致相同，位置或者朝向不同的模型，可以采用實例的方式大量生成。

3模型優(yōu)化及實現(xiàn)

虛擬場景建模模型應(yīng)和相應(yīng)的實體盡可能一致，影響系統(tǒng)性能的主要原因是視覺圖像的高質(zhì)量和高效率的圖形的繪制。

3.1模型優(yōu)化

考慮到圖形加速器的運(yùn)行性能，我們應(yīng)該盡量減少多邊形數(shù)量，否則，大量圖形計算將導(dǎo)致系統(tǒng)不夠流暢。Creator提供各種技術(shù)可以幫助用戶減少多邊形數(shù)量，圖形加速卡自身硬件的性能具有局限性，單位時間處理多邊形的數(shù)量具有臨界點(diǎn)，如果系統(tǒng)負(fù)載模型太多，除了刪除不必要的多邊形外，如果對象背面是不可見時，刪除背面多邊形。

3.1.1刪除背面多邊形消除影響

Creator軟件可以自動消除背部多邊形，這樣就只有前表面被展示出來。消除背面的多邊形可能無法提高圖形系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但它是提高繪圖速度的方法。

3.1.2可以刪除非必要的多邊形

在Creator軟件中，可使用Virtue3D VSimplify多邊形智能減少插件工具刪除非必要的多邊形。該插件安裝在Creator插件目錄中，可以在LOD菜單中找到。

3.1.3利用紋理代替多邊形

紋理有時候可以替代多邊形的效果，在給定數(shù)量的多邊形前提下，設(shè)計者可以通過使用紋理映射代替多邊形建模，改善現(xiàn)有模型，提高逼真度。如果物體每個表面相應(yīng)的紋理映射，從遠(yuǎn)處看，就像增加許多細(xì)節(jié)，能夠讓畫面更清晰、更逼真。

3.2場景的整合

各個模型完成構(gòu)建并優(yōu)化后，就可以進(jìn)行場景的整合，形成完整的虛擬校園。在Creator/Vega中，把一個個獨(dú)立模型合并成完成的虛擬校園如圖13所示。

作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的典型應(yīng)用，虛擬校園以開放平臺的形式，將為學(xué)校教學(xué)、科研、管理等各項教育事業(yè)提供基礎(chǔ)平臺環(huán)境，根據(jù)學(xué)校校園的基本需求，自主設(shè)計了虛擬校園系統(tǒng)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，通過建模構(gòu)建虛擬校園建筑、道路等實物，在Multigen Creator Vega以及數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上設(shè)計出了虛擬校園系統(tǒng)，希望對更好地構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)能起到一定的參考借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 張更路，袁洪銳，張勝發(fā).基于地圖技術(shù)的虛擬校園技術(shù)分析[J].教育教學(xué)論壇， 2013（14）.