虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字校園中的應用

杜沁雯 李浩銘 馮留柱 王斌

摘 要：虛擬仿真相關(guān)技術(shù)為建筑設計提供了新的手段，也帶來了創(chuàng)作方法和概念的變革。文章記錄了借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，規(guī)劃虛擬現(xiàn)實場景以及搭建三維模型等步驟實現(xiàn)校園的虛擬化可交互展示，提供沉浸式場景體驗的全過程，并對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字校園中的應用發(fā)展方向進行了討論。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;三維建模;數(shù)字校園;輔助建筑設計

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應用的不斷深入，在建筑輔助設計領(lǐng)域，領(lǐng)域化、數(shù)字化和虛擬化成為目前非常重要的技術(shù)方式。數(shù)字校園是在現(xiàn)實校園的基礎上，利用信息化及計算機技術(shù)，構(gòu)建一個數(shù)字空間以拓展現(xiàn)實校園的時間和空間維度，從而提升傳統(tǒng)校園的效率，擴展其功能，最終通過數(shù)字形式表現(xiàn)與分析建筑空間，實現(xiàn)建筑設計多樣化的研究。

本研究采用三維成像和虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建校園全景，將學校風光和學校地圖有機結(jié)合起來，既是對學校全方位、立體化、真實客觀的展示，讓來訪者足不出戶就可盡覽校園風光和有關(guān)介紹信息，親歷校園風貌，感受校園氛圍;也可以作為校園規(guī)劃的輔助工具，為使用者出謀劃策，將其與學校的有關(guān)信息相結(jié)合，提供給師生一個三維可視化的信息環(huán)境[1]。

1 項目簡介

（1）為用戶提供三維立體的虛擬環(huán)境。我們生活的現(xiàn)實場景是一個立體多維世界，場景是建立在三維立體基礎上的，因此要做到完全模擬現(xiàn)實，僅僅靠簡單的平面二維圖形是不夠的，只有用三維系統(tǒng)才能真正地模擬三維世界，給用戶一種身臨其境的體驗，生成一種三維立體的虛擬境界是構(gòu)成虛擬現(xiàn)實的一個最基本元素。（2）給用戶第一人稱的視角，并有任意活動的自由。用戶能夠在場景中有和現(xiàn)實生活相似的感受，視點的設置就好像用戶親身經(jīng)歷前進、后退、轉(zhuǎn)彎、穿越廊架。只有擁有這種視角，用戶才能有沉浸和參與感。（3）用戶能夠通過一些控制裝置實時操縱和改變用戶所進入的虛擬環(huán)境。在前兩項的基礎上，用戶對虛擬環(huán)境實現(xiàn)互動操作。

考慮到諸上問題，研究團隊通過引入AR，VR技術(shù)，基于三維模型的建立，利用虛擬現(xiàn)實unity平臺，利用相關(guān)VR交互設備實現(xiàn)沉浸式交互漫游。

2 關(guān)鍵性實施步驟

本項目利用Mars軟件制作規(guī)模較大的三維場景，通過VR交互設備，訪問者可以走入校園，觀賞校園的自然風貌，領(lǐng)略校園的生活氛圍[2-3]。為了比較真實地反映校園風貌，我們通過3個步驟實現(xiàn)虛擬場景搭建（如圖1所示）。

2.1 建模

在項目初期，團隊以學校的現(xiàn)有建筑作為研究對象，在校檔案室查找相關(guān)CAD設計圖紙作為參照，通過學習并運用多種數(shù)字建模軟件對學校的教學樓等建筑物、整體地形進行了相關(guān)的“可視化”數(shù)字建模。

2.2 渲染，場景制作

融合地形與建筑模型，根據(jù)實際的自然場景對校園內(nèi)各個場景進行深入制作。根據(jù)需求對建筑的材質(zhì)貼圖進行更換，置入自然樹木和一定數(shù)量的配景增強真實感，細化馬路牙、噴泉、路邊花壇等具體細節(jié)。調(diào)整光源和場景視角，輸出校園各主要節(jié)點全景圖。在主樓、圖書館等考慮加入運動場上運動的學生、路上匆匆前行的同學及樹上的鳥鳴增強校園生機盎然的氣氛，對校園一些細節(jié)場景，如標志?；?、先鋒角、夜晚操場等特定場景進行單獨制作，以保留較高還原度，增強代入感。

2.3 后期，信息補充

通過聲音、文字、圖片、視頻等多媒體技術(shù)手段輔助性地介紹大學的概況、歷史、學科設置等情況。對重要節(jié)點、標志性場景設置漫游路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)預定路線游覽，并將全景圖輸出制作為二維碼成果展示。

3 項目技術(shù)小結(jié)

3.1 建立模型使用軟件不同導致模型大小格式問題

以項目整體地形為例，在制作過程中首先遇到了地形圖較為復雜，建模經(jīng)常發(fā)生碰撞，地形高低起伏變化較多經(jīng)常報錯的問題，仔細研究revit地形拆分工具，成功制作了整體地形模型（如圖3所示）。另外，建好的整體地形模型受限，大小細致程度不高，且部分比例與建筑模型有一些出入，先轉(zhuǎn)化成其他格式模型文件進行了調(diào)試和測試，效果并未達到預期，于是采用重新分塊建立模型后拼接的方式重新建模，解決現(xiàn)有問題的同時由于分塊模型文件整體較小也為后期渲染提高效率。

3.2 越復雜越大型的場景對制作設備的配置要求越高

從使用軟件建模邏輯入手，在不同的需求情況下選擇不同的軟件進行建模。在建模時需要根據(jù)場景進行判斷，是建立精細的幾何模型還是采用簡化模型復雜度，對于細節(jié)采用貼圖等方式來表現(xiàn)。盡可能用最小的模型達到最佳的表現(xiàn)效果。

3.3 碰撞檢查及后期制作

在虛擬環(huán)境中，由于有重合的地形、建筑構(gòu)件與自然景觀，物體間可能經(jīng)常發(fā)生碰撞。此時為保持環(huán)境的真實性，需要及時調(diào)整，否則物體間會發(fā)生穿透現(xiàn)象，破壞虛擬環(huán)境的真實感和用戶的沉浸感（見圖3）。

4?現(xiàn)狀與未來預期

盡管本項目對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行了較深入的應用與研究，取得了一些經(jīng)驗和成果，為項目開展做了一些基礎性的工作。但是由于技術(shù)、時間的限制和學科專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的制約，離完善還有不少差距，目前也對如何實現(xiàn)它們的一些方法有所體會[4]。

（1）場景建模及渲染流程人工依賴度高。（2）場景與使用者交互性不高。（3）校園信息管理數(shù)字化結(jié)合度不高。同時，對本項目的下一步研究方向有以下幾點設想，希望在今后的工作學習中能加以不斷補充和完善：（1）基于現(xiàn)有模型及場景探索更多成果輸出方式。就現(xiàn)有基礎模型進行各種嘗試，探索效果圖、全景視圖、漫游視頻之外的其他表達方式。（2）完善基于虛擬現(xiàn)實的校園漫游系統(tǒng)設計。就現(xiàn)有成果繼續(xù)深化、細化，包括但不僅限于設計簡單的交互系統(tǒng)，開發(fā)置入簡單的小游戲，部分建筑深入實體內(nèi)部等。（3）VR與AR用于建筑教學方向的研究與應用。引入增強現(xiàn)實，通過建?？刹饦?gòu)建，處理深入制作模型與場景，助力建筑學設計溝通，通識教育等方面，數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)建筑設計聯(lián)系更緊密。

[參考文獻]

[1]喬秀珍.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的圖書館虛擬漫游系統(tǒng)設計[J].自動化技術(shù)與應用，2020（11）：159-161，173.

[2]王晨晨.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在圖書館的應用[J].圖書館學研究，2011（20）：34-37，33.

[3]李蘇旻.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑與城市規(guī)劃中的應用研究[D].長沙：長沙理工大學，2008.

[4]王洪.基于虛擬現(xiàn)實的三維漫游技術(shù)研究與實踐[D].成都：電子科技大學，2004.

（編輯 王雪芬）