徐州農(nóng)干校三維虛擬校園的設(shè)計與實現(xiàn)

姚俏

摘 要：VR技術(shù)是以計算機技術(shù)為核心，利用VR的交互技術(shù)、實時監(jiān)控和沉浸感技術(shù)，生成逼真的虛擬環(huán)境，讓瀏覽者以自然方便的形式在虛擬環(huán)境中自由漫游，從而產(chǎn)生等同真實環(huán)境的感受和體驗。文章以設(shè)計制作徐州市農(nóng)業(yè)干部中等專業(yè)學校三維虛擬校園為例，借助VRP，SQL Serve等技術(shù)進行開發(fā)，并結(jié)合視景仿真軟件3ds Max，最終構(gòu)建出功能相對完善的虛擬校園漫游系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：VR；三維交互；虛擬校園；鷹眼；三維場景

1 虛擬現(xiàn)實概述

在計算機領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的背景下，虛擬三維技術(shù)在近年來已經(jīng)成為重要的核心分支，其通常被稱為虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）[1]。VR技術(shù)涉及的專業(yè)領(lǐng)域極其廣泛，其中具有代表性的有光學、力學、圖形學、計算機科學、傳感技術(shù)等，經(jīng)過設(shè)計與研究后最終構(gòu)成了較為逼真的虛擬環(huán)境，其作用與功能是對運動、視覺以及聽覺等方面進行模擬，讓用戶虛擬體驗產(chǎn)生身臨其境的感覺[2]?？偟膩碚f，VR技術(shù)在不斷發(fā)展的進程中，已經(jīng)深入生活的各個方面。

美國作為VR技術(shù)的起源，在VR技術(shù)的發(fā)展過程中起到重要的引領(lǐng)作用。VR技術(shù)涉及的領(lǐng)域有：機械制造、建筑裝潢設(shè)計、商業(yè)產(chǎn)品的外包裝設(shè)計和造型、影視以及商業(yè)廣告。

2 相關(guān)技術(shù)簡介

目前三維建模的軟件主要有3DS MAX，MAYA，CAD，SolidWorks，Pro/E，UG等[3]。三維虛擬校園需要具有真實性和交互性，因此本文建模軟件選擇了3DS MAX，3DS MAX是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件。開發(fā)平臺選擇虛擬現(xiàn)實仿真平臺（Virtual Reality Platform，VRP），其功能強大，能夠兼容不同版本的Windows操作系統(tǒng)，能實時顯示三維效果功能，同時可以與3DS MAX的多個版本無縫對接；支持精準度高的導航圖功能，能夠設(shè)置較好的物理碰撞檢測效果；還支持各種自然特效如霧特效、太陽光暈、天空盒、流水、火等；支持各種相機功能，如行走相機、飛行相機等，使用VRP可以制作出優(yōu)秀的高仿真三維作品，讓廣大用戶感受到制作精良的VR作品已經(jīng)不是遙不可及的夢想[4]。

2.1 三維模型技術(shù)

VR軟件有很多，本文在虛擬校園建筑等三維模型用3DS MAX軟件，開發(fā)環(huán)節(jié)選擇VRP編輯器。VRP編輯器是一款直接面向三維美工的VR軟件。VRP具有一鍵發(fā)布、在編輯器內(nèi)直接編譯等特征。同時，VRP可以和3DS MAX實現(xiàn)完美的結(jié)合。這兩款優(yōu)秀軟件的結(jié)合使我們可以做出交互性更強、沉浸感更強，更加具有真實感的仿真三維虛擬校園。

2.2 平面模型技術(shù)

平面模型技術(shù)主要是由CAD軟件與Photoshop軟件所構(gòu)成的。具體來說，Photoshop軟件在平面模型當中更加常用，主要是被運用在數(shù)字圖像的處理方面[5]。平面模型技術(shù)除了應用PS軟件，還常常用到建筑行業(yè)最常用的軟件CAD，其是用來進行平面制圖的，平面布置圖、施工圖、立面圖以及三維圖的繪制都是用CAD這個軟件來執(zhí)行[6]。

3 三維虛擬校園總體設(shè)計

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)是以徐州市農(nóng)業(yè)干部中等專業(yè)學校為虛擬空間，根據(jù)VR技術(shù)原理，進行資料收集、圖片處理、建立仿真三維模型、提出虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計思路和運行方案，然后以VRML語言作為核心來對虛擬校園漫游系統(tǒng)進行構(gòu)建，使瀏覽者沉浸其中，產(chǎn)生身臨其境的感覺。

3.1 需求分析與可行性分析

需求分析的最終目的就是為了能夠明確用戶對虛擬系統(tǒng)的基本需求。獲取用戶需求的方式有很多，其中可以采用訪談的方式讓用戶更加了解虛擬系統(tǒng)的構(gòu)建價值。

虛擬校園的可行性分析是當前工作的重點內(nèi)容，可行性分析和研究主要就是從以下幾個方面進行著手，分別為：采用技術(shù)、投資額度、設(shè)計領(lǐng)域、所處環(huán)境、獲得效益等，由此可見，三維虛擬校園系統(tǒng)建設(shè)無論在學校發(fā)展建設(shè)上、經(jīng)濟適應性上、技術(shù)保證上等都是必要可行的

3.2 虛擬校園設(shè)計流程

最近幾年，隨著計算機技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，計算機的普及應用，校園信息化的建設(shè)也得到了進一步的提升，虛擬校園成為信息化建設(shè)的關(guān)鍵組成要素。傳統(tǒng)虛擬校園是由二維技術(shù)進行設(shè)定的，進而已經(jīng)無法滿足當前管理需求[7]。借助于計算機虛擬和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實現(xiàn)三維虛擬校園的技術(shù)，相對來說，三維比二維更加直觀具體，可以更為真實地感受智能化特性，成為虛擬校園構(gòu)建的強大動力，也成為二維平面之后的一大創(chuàng)新突破。

3.2.1 收集資料

資料主要是有數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)的收集、地形數(shù)據(jù)的整理、CAD圖紙的獲取、建筑實景照片的拍攝、校園建筑信息的收集等構(gòu)成，用于后期整個三維建筑模型的設(shè)計。

3.2.2 圖片處理

收集來的圖片大小不一、尺寸不同，甚至色彩單一，畫面不均，這時需要用到Photoshop軟件，更改圖片大小、調(diào)整畫面色彩，通過圖片處理有效地解決由于紋理數(shù)據(jù)冗余的問題，以及對幀速率所產(chǎn)生的影響。

3.2.3 創(chuàng)建模型和賦予燈光材質(zhì)

本階段使用3DS MAX建立校園的整個建筑模型，包括教學樓、宿舍樓、實驗樓、辦公樓、小花園等，在現(xiàn)實生活中任何實體都由不同的材質(zhì)組成，任何物體都由質(zhì)感、顏色和屬性，這不僅包括物體表面的顏色、紋理，還包括對光的屬性等[8-9]。

3.2.4 渲染處理

在使用3DS MAX制作校園建筑時，需要渲染多幀或者渲染成影片格式，這樣才能不影響渲染速度和畫面質(zhì)量。

3.2.5 碰撞檢測

首先了解什么是碰撞，假如兩輛車之間的車距為100 m，從此車距中可以看出，兩輛車之間的距離非常遠，進而不會出現(xiàn)輛車相撞的情況。然而，當兩車的本身長度分別為6 m和12 m，那么兩輛車的中心距離如果僅僅只有5 m的距離，那么就非常的有可能會發(fā)生碰撞。這就是一種距離和中心距離的碰撞測試理念。因此在3DS MAX中，需要做碰撞檢測。endprint

3.2.6 相機的創(chuàng)建

在制作大型3D場景時，通過創(chuàng)建相機，可以讓用戶從不同的角度瀏覽制作場景。文中讓體驗者以不同觀察方式、不同的高度、不同的視覺角度游覽虛擬校園場景，給用戶帶來了一場視覺盛宴。

3.2.7 導航圖

徐州市農(nóng)業(yè)干部中等專業(yè)學校校園場景比較大，新用戶在校園中瀏覽體驗時，容易不知所措，找不到方向，所以需要制作導航圖方便用戶瀏覽校園。同時導航圖還有放大縮小、熱點區(qū)域響應、熱點圖標響應等功能。

3.2.8 數(shù)據(jù)庫查詢與信息查詢

數(shù)據(jù)庫查詢中包括建筑物的字段名稱和類型以及建筑物的詳細數(shù)據(jù)信息等，通過與徐州市農(nóng)業(yè)干部中等專業(yè)學校虛擬校園場景的連接和控制，在虛擬校園系統(tǒng)中對相關(guān)數(shù)據(jù)進行查詢和掌控，對學校信息進行了解，那么就可以對虛擬場景信息進行及時的跟蹤，并進行不間斷的更新信息。

3.2.9 項目發(fā)布

由于制作的工程比較大，有可能會出現(xiàn)各種失誤，所以要進行項目發(fā)布，以確保各項功能完整性。

虛擬校園要制作出逼真的空間立體感，并且形象、仿真、可互動性，使參與者能在創(chuàng)建的栩栩如生的虛擬建筑場景中游走、體驗。

4 結(jié)語

通過不斷的研究探索，Photoshop，CAD，3DS MAX等軟件的優(yōu)點充分發(fā)揮出來，以徐州市農(nóng)業(yè)干部中等專業(yè)學校為例的三維虛擬校園建設(shè)已經(jīng)完成。本文在研究階段，重點將三維虛擬場景的制作作為研究核心，并經(jīng)過反復的系統(tǒng)測試，得出了場景建模優(yōu)化的方法，速度和畫面得到了統(tǒng)一。讓瀏覽者可以身臨其境地在虛擬校園里交互漫游。

[參考文獻]

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Abstract：VR technology uses interactive technology， real-time monitoring and immersive technology to generate a realistic virtual environment， allowing viewers to freely roam in a virtual environment in a natural and convenient manner， thereby creating a feeling and experience equivalent to a real environment， with computer technology as the core. Taking the design and manufacture of three-dimensional virtual campus of Xuzhou agricultural cadre secondary specialized school as an example， the article develops with VRP， SQL Serve and other technologies， and combines the visual simulation software 3DS MAX to build a relatively perfect virtual campus roaming system.

Key words：VR； three-dimensional interaction； virtual campus； Hawkeye； three-dimensional sceneendprint