基于OSG的校區(qū)漫游系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)是近年來一項十分活躍的研究與應(yīng)用技術(shù)。它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要在工程設(shè)計CAD、遙控機(jī)器人學(xué)、數(shù)據(jù)可視化、飛行模擬、多媒體遠(yuǎn)程教育、臨床外科、遠(yuǎn)程醫(yī)療、藝術(shù)創(chuàng)作、游戲、娛樂等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)給現(xiàn)代生活帶來了很大的幫助，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造的虛擬世界可以模擬現(xiàn)實環(huán)境，以便幫助用戶方便地研究現(xiàn)實中各種問題，從而大大降低研究成本。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；三維建模；OpenSceneGraph；路徑漫游

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.242

1 引言

本文以某校區(qū)實際的校園環(huán)境作為原型，設(shè)計完成了某校區(qū)的漫游系統(tǒng)，并完成了最后的功能測試。首先構(gòu)造可漫游的虛擬場景是虛擬現(xiàn)實中最基本的一個環(huán)節(jié)，本文從構(gòu)造虛擬場景的一般步驟出發(fā)，闡述了三維建模的技術(shù)與方法并在平臺上加以實現(xiàn)；后用基于三維渲染引擎OpenSceneGraph場景圖進(jìn)一步的開發(fā)，運(yùn)用Visual Studio C++和OSG混合編程，實現(xiàn)了系統(tǒng)的漫游功能。

2 三維建模技術(shù)

3DS MAX是專業(yè)的三維建模軟件，是建模，渲染及動畫制作的集成軟件包。windows操作系統(tǒng)和Pentium處理器的強(qiáng)大功能與靈活性，使它在pc機(jī)上實現(xiàn)了工作站的性能和特征[1]。它具有高擴(kuò)展性、豐富的功能和面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，并且它支持多處理器系統(tǒng)和硬件加速等。

3DS MAX最基本的功能是三維模型幾何體的建立， 3DSMAX的強(qiáng)大功能還包括它提供的材質(zhì)編輯器。同時3DSMAX還提供了攝像機(jī)，各種燈光，陰影，植被等輔助對象。在本場景中，利用3DSMAX的基礎(chǔ)建模工具，建立基本模型框架，然后對模型進(jìn)行紋理映射，得到一些基本的建筑模型。

虛擬校區(qū)的構(gòu)建先是要獲取建筑物的所有數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)后要初步處理所采集的數(shù)據(jù)。除去多余的數(shù)據(jù)，把紋理圖片進(jìn)行PS處理，同時保持原有數(shù)據(jù)的精度，統(tǒng)一紋理圖片格式，把數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分類等，最后整合按照統(tǒng)一的格式存入數(shù)據(jù)庫，利用這些數(shù)據(jù)就可以構(gòu)建某校區(qū)虛擬樓群建筑模型以及地形模型。在本文里虛擬校園的三維模型構(gòu)建流程如圖1所示：

本文依據(jù)獲取的某校區(qū)平面規(guī)劃圖，確定好模型的重要程度和位置次序，依次在相應(yīng)的位置建模。在這個三維場景中所有物體尺寸與模型尺寸比例是1：1，主要步驟有[2]：

（1）通過采集到的建筑圖紙，包括剖面圖、立面圖、建筑效果圖及平面圖獲取建筑物的建模數(shù)據(jù)。（2）最終確定建筑物模型的結(jié)構(gòu)。對于大多數(shù)房屋來說可以建立基本的幾何體模型，然后給這些幾何體添加材質(zhì)屬性，對于一些較復(fù)雜的建筑物采用高級建模方法多邊形建模技術(shù)。（3）開始建模。按照前兩個步驟所確定的方案，根據(jù)模型自有的尺寸大小開始建立模型。建模的原則是要快和省。盡量對模型外部能看到的部分建模，那些在里面不需要用到的面可以刪掉或者不建模，原則上盡量用少的面表示建筑物模型，對于能合并的面盡量合并。

建筑物的實體部分采用幾何體建模，設(shè)置多個長方體、柱體等建立樓房的實體部分，然后通過不斷調(diào)整整合設(shè)置，使之符合設(shè)計的要求。另外校園里多數(shù)的屋頂都是斜坡狀，是不規(guī)則的形狀，對屋頂?shù)慕２捎枚噙呅谓＃冉⒁粋€長方體，然后轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形進(jìn)行擠出調(diào)整得到房屋的屋頂。

盡管在建模時盡量不建立多余的多邊形，但是建模過程中難免會產(chǎn)生多余的面，最后一步就是要去除多余的多邊形，樓房的底座和樓層之間的連接面都要去除，這樣可以降低場景復(fù)雜度，在以后的渲染中也會節(jié)省不少時間。

某校區(qū)的整體模型如圖2：

在紋理映射部分，需要對已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分類，并通過軟件處理，獲取符合要求的紋理圖片，對模型對象進(jìn)行紋理映射，設(shè)置好UV，指定貼圖通道，為每個建筑物加上紋理圖片。

3 基于OpenSceneGraph三維引擎的場景漫游實現(xiàn)

OSG場景圖結(jié)構(gòu)封裝并提供了數(shù)量眾多的提升程序運(yùn)行時性能的算法、及幾乎所有主流數(shù)據(jù)格式的直接數(shù)據(jù)接口，使用眾多編程語言進(jìn)行圖形系統(tǒng)的開發(fā)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合微軟提供的MFC類庫，利用VC++ 2005編程實現(xiàn)了系統(tǒng)的漫游功能，碰撞檢測，自然天氣模擬和當(dāng)前對象的查詢功能。

將做好的模型導(dǎo)入OSG中，取.ive格式，給路徑場景模型命名lujing.ive。在OSG中，可以通過對攝像機(jī)運(yùn)動的控制，實現(xiàn)漫游，攝像機(jī)通過變換它的矩陣來實現(xiàn)運(yùn)動[3]。MatrixManipulator類是OSG中操作視點(diǎn)的接口方法，它包含向量_homeEye、_homeCenter和_homeUp三個向量成員，分別定義了視點(diǎn)即觀察者的位置、攝像機(jī)瞄準(zhǔn)的參考點(diǎn)及攝像機(jī)的朝向和攝像機(jī)的向上向量。用戶只需要改變這三個變量就可以實現(xiàn)對視點(diǎn)的控制來實現(xiàn)漫游功能。對于用戶來說，在實現(xiàn)漫游時，先定義一臺攝像機(jī)，每次渲染場景前重新設(shè)置相機(jī)的狀態(tài)，只需要不斷變換外部設(shè)備的狀態(tài)如位置改變即可[4]。

在OSG中進(jìn)行場景漫游時可以通過五個虛函數(shù)來實現(xiàn)自己的攝像機(jī)，它們主要存在于osgGA：：MatrixManipulator類中[5]。

osgGA：：MatrixManipulator中的一些操作漫游器漫游會經(jīng)常用到，比如下面辨別方向的設(shè)置：

virtual void setCoordinateFrameCallback（CoordinateFrameCallback*cb）；這個語句常用來判斷坐標(biāo)系的更新。

Osg：： CoodinateFrame getCoordinateFrame（const osg：：Ve3d&position）const；這個語句取得坐標(biāo)系。

還有設(shè)置向量矩陣或者逆矩陣：endprint

Virtual void setByMatrix（const osg：： Matrixd&matrix）=0；

Virtual osg：：Matrixd getMatrix（）const=0；

測試結(jié)果如下圖3：

Virtual void setByInverseMatrix（const osg：： Matrixd&matrix）=0；

Virtual osg：：Matrixd getInverseMatrix（）const=0；

根據(jù)某校區(qū)虛擬場景操作器需求，編寫了My TravelManipulator場景漫游操作器。通過設(shè)置矩陣控制Viewer場景管理器，用addCameraManipulator（）方法把場景相機(jī)加入漫游場景中，使用外部設(shè)備控制行走的方向，按下W攝像機(jī)往上走，按下S攝像機(jī)往下走，按下A攝像機(jī)往左走，按下D攝像機(jī)往右走。

4 碰撞檢測

本文的漫游系統(tǒng)中，大多數(shù)是靜態(tài)的物體：建筑樓群和樹木花草類，因此在這個系統(tǒng)中采用“射線/體”相交的碰撞檢測算法[6][7]。OSG中由osgUtil提供進(jìn)行碰撞檢測的核心函數(shù)接口。其中，osgUtil：：Hits主要用來進(jìn)行相交測試，返回交點(diǎn)坐標(biāo)。osg：：LineSegments定義一條用于相交測試的線段或射線，起點(diǎn)和終點(diǎn)都包括任何與線段的交叉都在這里。osgUtil：：InterseetVisitor類給相交測試提供初始化設(shè)置，訪問場景的每個節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建一個列表HitList類的實例。osgUtil：：IntersectVisitor：：HitList用于返回物體碰撞之后的列表信息，在進(jìn)行相交測試時，先是創(chuàng)建一條代表視線的線段，再創(chuàng)建一個交叉訪問的實例IntersectVisitor，最后讓創(chuàng)建好的線段在場景中遍歷場景層次，與場景對象進(jìn)行相交測試。

經(jīng)過碰撞檢測發(fā)現(xiàn)碰撞結(jié)果符合本系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)束語

由此完成了整個校區(qū)漫游系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)過以上測試充分說明這個校區(qū)漫游系統(tǒng)實現(xiàn)了所需要的功能如漫游瀏覽場景的實現(xiàn)，在系統(tǒng)中添加了碰撞檢測功能，使系統(tǒng)運(yùn)行更加逼真，操作更加完善。

參考文獻(xiàn)：

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[4]溫轉(zhuǎn)萍，申閆春.基于OSG的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J] .計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（01）：218-219.

[5]劉少華，張茂軍，張恒.大規(guī)模三維地形場景實施漫游系統(tǒng)的構(gòu)建[J].計算機(jī)仿真，2005，22（06）：178-182.

[6]范昭煒.實時碰撞檢測技術(shù)研究[D].博士學(xué)位論文.浙江大學(xué)，2003（20）.

[7]高麗娜，馬堯海.虛擬漫游中的碰撞檢測問題的解決方法[J].計算機(jī)仿真，2006，23（02）：189-191.

作者簡介：張慧（1980-），女，河南登封人，工程碩士。endprint