三維虛擬校園自動漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蔡靖

摘要：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代教育的考慮，三維虛擬校園的研究逐漸興起。以校園布局、環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行三維虛擬校園自動漫游系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，從而實現(xiàn)校園的數(shù)字化與虛擬化的研究思路逐漸成型。本文主要分析三維虛擬校園的開發(fā)設(shè)計及其自動漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：三維虛擬校園；自動漫游系統(tǒng)；開發(fā)設(shè)計；實現(xiàn)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0175-02

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維虛擬校園

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)研究的一個重要方向，基于相關(guān)技術(shù)的支持，能夠創(chuàng)建一個虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的模擬環(huán)境融合了多源信息，以交互式的三維動態(tài)視景、實體行為的系統(tǒng)仿真，讓用戶獲得真實的體驗，沉浸其中。

三維虛擬校園的靈感源于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代教育的應(yīng)用，在教學(xué)環(huán)境的規(guī)劃、教學(xué)資源的管理等方面，實現(xiàn)數(shù)字化與虛擬化具有極為重要的意義?；谔摂M仿真技術(shù)的學(xué)校環(huán)境，一方面為學(xué)校自身樹立了良好的形象，另一方面也給教師和學(xué)生帶來了更好的體驗。此外，虛擬校園作為一種輔助工具，對提升校園的現(xiàn)代化管理水平起到了較好的促進(jìn)作用。

近年來，國內(nèi)高校掀起了建立虛擬校園的熱潮，如東北大學(xué)基于Vega建立的虛擬校園漫游系統(tǒng)，清華大學(xué)建立的平面俯瞰式虛擬校園，浙江大學(xué)建立的三維立體虛擬校園。此外，上海交通大學(xué)、中國海洋大學(xué)、南京大學(xué)等高校也紛紛加入建設(shè)三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的隊伍之中。

2 開發(fā)設(shè)計

現(xiàn)階段的三維虛擬校園自動漫游系統(tǒng)的開發(fā)，大致可以分為數(shù)據(jù)采集、三維建模、模型優(yōu)化、導(dǎo)入仿真幾個步驟，形成整個系統(tǒng)后，最終完成開發(fā)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)之前，應(yīng)當(dāng)對校園各維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的采集，轉(zhuǎn)化為Maya等相關(guān)建模軟件支持的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)開發(fā)的準(zhǔn)備工作，同時也是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其精準(zhǔn)與否直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的生成質(zhì)量。基于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢采集校園的相關(guān)數(shù)據(jù)是一個較為普遍的方法，在此基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有的建筑平面圖進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充。對各個建筑物的紋理圖的采集，應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確反映實際數(shù)據(jù)，實地進(jìn)行考察，可采用高分辨率的相機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝時需要注意建筑物的宏觀結(jié)構(gòu)與微觀細(xì)節(jié)，同時統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，選擇建模軟件支持的文件格式，方便后期建模。為了解決因為拍攝距離、建筑物高度等因素而出現(xiàn)相片的比例失調(diào)現(xiàn)象，每張照片都需要使用圖像軟件進(jìn)行處理。

2.2 三維建模

三維建模是整個開發(fā)過程中一個重點(diǎn)內(nèi)容，同時也存在著較大的難度。建模的首要任務(wù)是根據(jù)校園平面圖等信息創(chuàng)建地形。創(chuàng)建地形時可導(dǎo)入相關(guān)圖像，利用線條描繪出地形的輪廓，根據(jù)實際地形的相對高低對線條進(jìn)行局部的調(diào)整，以保證線條呈現(xiàn)的效果與實際的情況相符。完成地形的創(chuàng)建后，就應(yīng)當(dāng)對校園進(jìn)行合理的分區(qū)，對每個分區(qū)內(nèi)的建筑物進(jìn)行逐個建模。建模過程中所用的模型應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際的地形需要進(jìn)行分配。為防止場景運(yùn)行速度過慢，同時方便后期的處理，建模時應(yīng)當(dāng)在不影響整個模型的效果的前提下盡量簡化模型。此外，對建模需要用到的照片，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行篩選，保證能夠精確反應(yīng)實際模型。

2.3 模型優(yōu)化

模型建好后參考采集的數(shù)據(jù)選擇合適的材質(zhì)和貼圖，保證其接近真實情況?？紤]到模型的場景一般較大，為了防止系統(tǒng)整體的運(yùn)行速度過慢，可對模型進(jìn)行整合：在創(chuàng)建好的模型中，依次序?qū)Ω鱾€分區(qū)所在的模型進(jìn)行合并與導(dǎo)入，標(biāo)記并保存，保存時注意命名的合理性，避免出現(xiàn)貼圖錯位等問題。對虛擬場景中的草地、樹木等，可通過十字交叉的兩個固定矩形面進(jìn)行構(gòu)造，以優(yōu)化整個場景。就草地與樹木的種植而言，為了盡量優(yōu)化整個模型，可采用大區(qū)域內(nèi)添加少數(shù)的模型的方式。在完成上述步驟后，選擇3D視景仿真軟件支持的格式FYF，導(dǎo)出模型。

2.4 導(dǎo)入仿真

虛擬環(huán)境要實現(xiàn)漫游就需要與周圍環(huán)境產(chǎn)生交互，包括對天氣環(huán)境的模擬、燈光環(huán)境、漫游的路徑與速度等。天氣模擬可以添加晴天、雷雨、陰天、雪花等天氣效果；對關(guān)鍵的步驟可以通過添加文字進(jìn)行提示；漫游路徑與漫游速度的設(shè)置對整個系統(tǒng)的效果極為重要，因此需要結(jié)合實際情況做出最優(yōu)設(shè)置。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 模型貼圖

在虛擬校園自動漫游系統(tǒng)中，需要將整個校園環(huán)境進(jìn)行呈現(xiàn)。要實現(xiàn)這一目的，就需要依靠大量的真實圖片，包括各個不同角度拍攝的圖片，以坐標(biāo)向量的方式進(jìn)行輸入，計算其仿真模型。在模型中所使用的參考圖像，應(yīng)當(dāng)是真實物體的映射。從此點(diǎn)出發(fā)，在進(jìn)行圖片采集時，應(yīng)當(dāng)盡量排除雜質(zhì)的干擾，以減少后期對圖片處理的工作量。此外，拍攝圖片時應(yīng)當(dāng)注意實物的形狀變化。

制作模型時，采用多邊形建模是一種較為常見的建模手段，容易實現(xiàn)，也容易控制，將校園場景中的各個元素進(jìn)行合理防止，同時對整個布局設(shè)計的過程進(jìn)行規(guī)范化，才能使得最終呈現(xiàn)的虛擬校園場景反應(yīng)出實際情況。

3.2 環(huán)境生成

對地形的繪制除了符合真實情況外，在創(chuàng)建湖泊等時需要適當(dāng)降低地形的高度。在完成地形的會之后，應(yīng)當(dāng)添加紋理使整個地形的效果更加真實。在進(jìn)行植物的種植時，應(yīng)當(dāng)注意參數(shù)的設(shè)置，使用縮放、移動等工具調(diào)節(jié)各種植物的位置，同時保證植物的多樣性，使得整個模擬環(huán)境更接近真實的校園環(huán)境。

燈光的設(shè)置對整個模型所呈現(xiàn)的效果有著重要的影響。由于整個校園場景較大，對燈光的設(shè)置，應(yīng)當(dāng)采取以太陽光為主，適當(dāng)添加局部泛光燈的模式，再配上一定的光影效果，增強(qiáng)現(xiàn)實感。

3.3 自動漫游

自動漫游的實現(xiàn)途徑較為單一，主要是通過創(chuàng)建360°全角度的相機(jī)及其設(shè)置對路徑進(jìn)行約束，通過對相機(jī)的時間配置的調(diào)整，能夠獲得更好的視覺效果。整個漫游過程的動畫效果借由對攝像頭運(yùn)動的控制實現(xiàn)。基于此點(diǎn)出發(fā)，在自動漫游的系統(tǒng)中，需要針對整個過程中可能出現(xiàn)的不同階段，制作相對應(yīng)的動畫并進(jìn)行錄制保存。在進(jìn)行動畫制作的過程中，應(yīng)當(dāng)注意相機(jī)的攝像頭的移動，避免整個動畫過于僵硬，同時，為了使整個漫游的效果更加逼真，需要對漫游的速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)語

三維虛擬校園自動漫游系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)存在很多難題，需要在實踐的過程中不斷思考，對各個環(huán)節(jié)所使用的方法進(jìn)行不斷的改進(jìn)與完善。在實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同時，用戶能夠通過漫游觀看不同角度的校園場景，對校園文化的宣傳與校園形象的塑造都有重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉爽，劉仁鋒.三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)， 2013，（15）：3527-3531.

[2]胡光軍.三維虛擬校園自動漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2013.

[3]張曉宇.虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2013.