基于幾何建模技術創(chuàng)建虛擬校園漫游系統(tǒng)

劉菲菲

摘 ?要： 虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)是虛擬現(xiàn)實技術的主要應用。將某校園作為虛擬仿真環(huán)境，利用3DS MAX建模工具實現(xiàn)校園模型的建模，基于Google Earth衛(wèi)星截圖實現(xiàn)場景精準布局設計。融入Virtools虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺實現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)流程的設計，并且在微機平臺中設計復雜場景校園實時漫游系統(tǒng)。此虛擬校園漫游系統(tǒng)不僅能夠為用戶提供良好的Web界面，還能夠實現(xiàn)基于導航圖控制的人機交互機制，方便利用多種漫游模式實現(xiàn)校園內場景的快速漫游。

關鍵詞： 幾何建模; 虛擬技術; 校園漫游系統(tǒng); 三維模型; 3DS MAX; 人機交互

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）13?0127?04

Virtual campus roaming system based on geometric modeling technology

LIU Feifei

（College of Science & Arts， Jianghan University， Wuhan 430345， China）

Abstract： Virtual roaming system development is the main application of virtual reality technology. The modeling of campus model is realized with the 3DS MAX modeling tool by taking a campus as a virtual simulation environment. The optimization measures of the geometric modeling scene are adopted to， realize the precise layout design of the scene on the basis of the Google Earth satellite screenshot. The development process design of the virtual campus roaming system is realized with Virtools virtual reality development platform. A real?time complex scene campus roaming system is designed on the computer platform. This virtual campus roaming system can not only provide users with a good web interface， but also realize the human?computer interaction mechanism based on navigation chart control. It is convenient to use many kinds of roaming modes to achieve rapid roaming of campus scenes.

Keywords： geometric modeling; virtual technology; campus roaming system; 3D model; 3DS MAX; human?computer interaction

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實生成逼真三維聽覺、視覺、嗅覺及觸覺等虛擬感覺世界，利用Internet直接在用戶中作用，使其產生身臨其境的感覺，尤其是和其中的物體實時交互之后，使人具有和計算機融為一體的感覺。創(chuàng)建虛擬校園屬于現(xiàn)代教學的主要需求，虛擬校園對于校園常見的展現(xiàn)全面、生動且形象[1]。另外，校園場景還要求具有自動瀏覽功能，并且虛擬校園能夠對學校網(wǎng)站進行充實，還具備實時交互性。用戶能夠快速到達想要瀏覽的場景，并且通過不同視角實現(xiàn)查看。對重要校園建筑實體和多媒體技術相互整合，從而介紹實體功能，提供校園信息。所以，虛擬校園不僅屬于學校網(wǎng)絡門戶，還能夠幫助教師及學生熟悉校園[2]。

1 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的功能分析

此系統(tǒng)主要是以第一人稱視角實現(xiàn)校園三維全景系統(tǒng)漫游，系統(tǒng)的功能目標為：

1） 直觀了解校園。實現(xiàn)真實校園環(huán)境的模擬，包括實驗樓、教學樓、行政樓、信息樓、圖書館、校史館、培訓樓、操場等的模擬，能夠將校園中的各個場景都充分為用戶展現(xiàn)，以此能夠使用戶快速認知環(huán)境。

2） 網(wǎng)絡宣傳。實現(xiàn)三維虛擬校園的創(chuàng)建，能夠有效促進對外宣傳，提高學校形象，從而使網(wǎng)站點擊率得到進一步的提高。

3） 應用接口功能的豐富。虛擬漫游校園系統(tǒng)的開放性良好，能夠為其他信息提供載體，系統(tǒng)能夠直接在學校主頁網(wǎng)站中嵌入。

在實現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)的過程中，要實地拍攝現(xiàn)有建筑和場景，并且對其進行實地觀察，利用幾何建模方法創(chuàng)建場景[3]。圖1為虛擬校園漫游設計的流程。

圖1 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計流程

2 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的創(chuàng)建

2.1 ?收集數(shù)據(jù)

對校園中的外景及內景圖片進行實地拍攝，使此圖片能夠成為校園虛擬漫游場景貼圖。通過校方提供的校園平面規(guī)劃圖及建筑物的施工圖紙，對各個建筑物的各種物理數(shù)據(jù)進行測量，使其成為場景布局及三維模型創(chuàng)建的根據(jù)。為了能夠使場景更加真實，還要拍攝部分場景對象的數(shù)碼照片，準備材質貼圖中的部分圖片，比如草地圖片、磚紋圖片等。

2.2 ?簡單場景建模

使用VRML中自帶的節(jié)點模型實現(xiàn)簡單場景建模，在建模的過程中使用紋理映射等多種輔助措施使模型復雜度得到降低?，F(xiàn)場收集建筑物外部紋理照片，后期使用圖像處理軟件將核實部分進行截取，適當?shù)卣{整大小、色調和亮度之后實現(xiàn)紋理貼圖。在實現(xiàn)地形模型創(chuàng)建的過程中，充分考慮校園中的道路規(guī)整且平坦，根據(jù)場景中的平面圖坐標位置創(chuàng)建植物模型及綠化帶，基于此創(chuàng)建完整美觀的三維虛擬場景。在定位整體視覺之后，對復雜教學樓建筑群設計的過程中，設計人員能夠使用3DS MAX專業(yè)建模軟件對單建筑進行創(chuàng)建并且貼圖，最終依次實現(xiàn)wr1文件的輸出[4]。

2.3 ?安裝VRML瀏覽器

在此過程中最常見的插件包括Viscape，BS，只需要在IE或者Goole瀏覽器中實現(xiàn)VRML插件的安裝，相當于對整個瀏覽器進行了升級。使建模軟件中所導出的[.wrl]文件使用瀏覽器打開，對效果進行觀察，并且以實際情況進行調整。

為了能夠實現(xiàn)模塊的管理及組織，可以利用Inline節(jié)點實現(xiàn)。在wrl文件中使用Inline節(jié)點中包括其他建筑物模型文件和地形模型等文件，從而能夠避免使全部數(shù)據(jù)都在一個wrl文件中寫入，有效實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)總體的三維模型整合，最后實現(xiàn)VRML文件中子文件的綜合[5]。

2.4 ?渲染及烘焙

在創(chuàng)建模型之后就要對其實現(xiàn)渲染，從而使模型能夠更加漂亮，具有較強的真實感。渲染工作主要指的是物體材質及燈光，由于此三維場景模擬太陽光，所以使用平行光源實現(xiàn)?；诖藢崿F(xiàn)渲染，之后和燈光結合渲染，對陰影、漫射及反射等進行計算，所以渲染度比較慢。烘焙的主要目的就是要使光照的效果在物體紋理中添加，并且使其作為圖片文件進行保存，利用烘焙之后的物體模型到啟動平臺中導入，從而能夠產生光照效果。另外，不需要計算機重新計算，可降低計算機運算量。

2.5 ?對VRML場景交互方法進行確定

在實際使用過程中，假如利用VRML無法滿足理想效果，就要根據(jù)其他輔助文件實現(xiàn)。目前根據(jù)第三方進行。最后編寫代碼，實現(xiàn)三維場景的優(yōu)化及測試[6]。

3 ?創(chuàng)建三維虛擬場景數(shù)據(jù)庫

在創(chuàng)建高逼真程度虛擬漫游系統(tǒng)的過程中，逼真化的三維場景模型屬于重要內容。在實現(xiàn)建模的過程中，對場景細節(jié)表現(xiàn)和圖形的負荷進行平衡，為了能夠使創(chuàng)建的漫游場景有效滿足實時繪制的需求，還要利用系統(tǒng)實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)的實例化、層次化等技術對場景進行優(yōu)化。空間數(shù)據(jù)庫存儲結構如圖2所示。

圖2 ?空間數(shù)據(jù)庫存儲結構

在虛擬場景中，實體建筑是較為重要的部分，也是主要的場景內容。創(chuàng)建建筑模型和優(yōu)化過程的步驟為：

1） 獲得相應的數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)建筑幾何形狀及外觀模型創(chuàng)建的過程中，如果沒有建筑圖紙，可以通過實體拍攝照片，通過3DS MAX進行建模。

2） 確定模型的層次結構。由于系統(tǒng)在建模過程中沒有建模工具，無法實現(xiàn)場景模型管理，所以在實現(xiàn)模型創(chuàng)建過程中就要實現(xiàn)Virtools的導入，從而進行層次設計。比如，以主題分組，然后實現(xiàn)各主體結構的分解，創(chuàng)建圖元結構。

3） 有效去除冗余的多邊形。描述實體模型表面數(shù)據(jù)的冗余情況，主要是模型中不可見部分，比如樓體底面、連接面、內墻面，由于在場景瀏覽過程中為不可見的部分，將其去除并不會對實體視覺效果造成影響，將此冗余多邊形消除能夠使場景復雜度得到降低。在此過程中只考慮建模過程中的模型可見性裁剪，實現(xiàn)校園實時漫游過程中以Virtools中的SDK剔除非基本圖元層的不可見體，從而將GPU的性能充分發(fā)揮出來，繪制復雜校園室內場景[7]。

4） 通過紋理實現(xiàn)映射。由于部分建筑物中具有大量的門窗、欄桿等問題，一般都是通過紋理映射提取相應位置多邊形的表面紋理圖片，將其代替詳細的模型。此種處理方法能夠使模型多邊形數(shù)量和復雜程度得到降低，從而有效提高繪制圖像的速度。

5） 通過LOD技術能夠實現(xiàn)幾何場景及模型的簡化，校園漫游系統(tǒng)在定義LOD中都是利用3DS MAX實現(xiàn)的。

6） 漫游場景中的外部景觀屬于較為重要的部分，適當、美觀的外部景觀能夠使場景逼真度及真實感得到有效的提高，在此系統(tǒng)虛擬校園中，外部景觀主要指的是草叢、樹木、路燈、花叢、花壇及涼亭等。為了使校園場景氛圍更加逼真，在實現(xiàn)場景創(chuàng)建之后，后期還設置了人群及汽車等實體[8]。

4 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 ?數(shù)據(jù)庫的使用

4.1.1 ?位置修改及功能查詢的實現(xiàn)

圖3為樹形結構，將樹形結構打開，利用鼠標右鍵對節(jié)點單擊，從而彈出菜單，其中就有修改位置的選項，其主要目的就是對試點中的位置進行記錄，將其在數(shù)據(jù)庫中存儲，此功能能夠便于用戶修改數(shù)據(jù)庫場景的位置，主要代碼為：

圖3 ?樹形結構

查詢功能的作用就是用戶不知道虛擬場景中的位置，通過雙擊樹形結構中的節(jié)點，在系統(tǒng)左面三維虛擬場景渲染的地方，畫面就會從目前節(jié)點視點地方對用戶雙擊節(jié)點視點地方切換，也就是從目前位置飛到目的地，實現(xiàn)查詢，使用戶對于三維虛擬場景認知得到提高，還能夠提高虛擬校園漫游系統(tǒng)的沉浸感及交互性。以下為查詢功能的實現(xiàn)代碼：

4.1.2 ?修改節(jié)點屬性

在用戶點擊樹形結構中的某個節(jié)點對象時，基于樹形結構下方節(jié)點對象屬性顯示欄，就會將此節(jié)點屬性信息進行展現(xiàn)，詳見表1。在修改屬性信息內容時，用戶能夠利用鼠標右鍵對文本框內容單擊，從而對屬性信息進行修改[9]。

表1 ?顯示屬性信息

4.2 ?系統(tǒng)的展現(xiàn)

本文將GPS和全站儀結合，實現(xiàn)某大學實地測量，得出校園二維平面地圖，從而創(chuàng)建虛擬三維場景。綜合使用Vega Prime軟件，以MFC框架為基礎創(chuàng)建虛擬校園漫游系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)查詢功能、駕駛漫游、虛擬場景物體節(jié)點屬性展現(xiàn)和二維漫游導航等功能，圖4為系統(tǒng)的啟動界面結構。

圖4 ?系統(tǒng)的啟動界面結構

圖5 ?系統(tǒng)驅動構成

5 ?結 ?語

校園虛擬漫游系統(tǒng)以瀏覽器為基礎，不需要任何的瀏覽器插件，具有良好的用戶操作界面。用戶的操作較為簡單方便，能夠使用鼠標任意地拖動、縮小和放大。利用校園虛擬漫游系統(tǒng)，使用戶能夠直觀地掌握校園各個區(qū)域，更加容易實現(xiàn)空間次序的視覺理解及感知，對于校園環(huán)境具有身臨其境的感覺。此系統(tǒng)能夠為校園宣傳提供全新的表現(xiàn)方式，對于學校后期創(chuàng)建數(shù)字化校園具有重要的作用。

參考文獻

[1] 歐陽攀，李強，盧秀慧.基于Unity3D的虛擬校園開發(fā)研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（4）：19?22.

OUYANG Pan， LI Qiang， LU Xiuhui. Research and implementation of virtual campus development based on Unity3D [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（4）： 19?22.

[2] 孫君菊，甘露.基于Pano2VR的三維全景校園漫游系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].福建電腦，2016，32（6）：129?130.

SUN Junju， GAN Lu. Design and implementation of a three?dimensional panoramic campus roaming system based on Pano2VR [J]. Fujian computer， 2016， 32（6）： 129?130.

[3] 吳曉雪，王魏，李響，等.基于osgEarth虛擬校園漫游的研究[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（20）：18?21.

WU Xiaoxue， WANG Wei， LI Xiang， et al. Research on virtual campus roaming based on osgEarth [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（20）： 18?21.

[4] 王麗.基于Untiy3D的三維虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].中國教育信息化，2016，12（9）：60?63.

WANG Li. Design and implementation of three?dimensional virtual campus roaming simulation system based on Untiy3D [J].China education informatization， 2016，12（9）： 60?63.

[5] 范國華，吳國棟，張友華，等.基于Unity的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].安徽農業(yè)科學，2016，11（1）：325?327.

FAN Guohua， WU Guodong， ZHANG Youhua， et al. Design and implementation of virtual campus roaming system based on Unity [J]. Anhui agricultural science， 2016， 11（1）： 325?327.

[6] 王飛，孟麗麗，楊蕾，等.基于Web的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計[J].科學技術創(chuàng)新，2017，21（31）：125?126.

WANG Fei， MENG Lili， YANG Lei， et al. Design of web?based virtual campus roaming system [J]. Scientific and technological innovation， 2017， 21（31）： 125?126.

[7] 楊曉波，陳邦澤，張文翔，等.基于三維激光掃描技術和VR?Platform的校園虛擬漫游系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（10）：110?114.

YANG Xiaobo， CHEN Bangze， ZHANG Wenxiang， et al. Design of campus virtual walkthrough system based on three?dimensional laser scanning technology and VR?Platform [J]. Laboratory research and exploration， 2017， 36（10）： 110?114.

[8] 荊東星，田維.基于Flash虛擬校園漫游系統(tǒng)設計研究[J].電腦編程技巧與維護，2017，11（2）：70.

JING Dongxing， TIAN Wei. Design and research of Flash?based virtual campus roaming system [J]. Computer programming skills and maintenance， 2017， 11（2）： 70.

[9] 曾雪松，尚光龍.基于Unity3D的三維虛擬校園漫游動畫設計與實現(xiàn)[J].漯河職業(yè)技術學院學報，2016，15（2）：51?52.

ZENG Cedar， SHANG Guanglong. Design and implementation of 3?D virtual campus roaming animation based on Unity3D [J]. Journal of Luohe Vocational and Technical College， 2016， 15 （2）： 51?52.

[10] 劉萍萍，陸兆攀，高武奇.基于OpenGL的三維校園漫游系統(tǒng)可視化研究[J].計算機技術與發(fā)展，2018，14（4）：85?86.

LIU Pingping， LU Zhaopan， GAO Wuqi. Research on visua?lization of three?dimensional campus roaming system based on OpenGL [J]. Computer technology and development， 2018， 14（4）： 85?86.