基于VrMap的三维虚拟校园的研究与实现

黄长军,胡丽敏,周青山,曹元志 (湖南城市学院城市建设系,湖南益阳413000)

目前很多学校已经建立了二维的校园地理信息系统,在学校信息数字化管理等方面发挥了一定的作用[1]。随着虚拟地理环境的概念及技术的提出,虚拟现实和三维GIS等技术越来越多地应用到校园中。在虚拟现实地理信息系统技术的支持下,构建的校园三维可视化场景漫游管理系统,能实现校园的交互漫游;建立的校园查询系统,可实现对校园各个建筑物的查询。虚拟现实生成的逼真三维视觉、听觉、触觉、嗅觉等虚拟感觉世界,通过Internet直接作用于用户,使之产生身临其境的效果,尤其是与其中的物体进行实时交互后,使人产生与计算机融为一体的真实感,为大学在网络上建立三维虚拟校园,宣传大学形象和校园文化无疑是非常重要的,也是普通网页所无法比拟的[2]。笔者以湖南城市学院朝阳校区为例,以三维地理信息系统软件VrMap3.0为开发平台构建三维虚拟校园管理系统。

1 系统的设计

1.1 系统架构

该系统采用了B/S层结构,包括客户端、Web服务器、GIS服务器、数据库服务器。客户端由VrMAP Brower浏览器、标准的HTML浏览器、用户端构件组成。如图1所示。

Web服务器采用了Sun公司推出的 Tomcat5.0。Web服务器的功能主要是接收客户端发出的查询请求,然后向应用服务器发出客户请求,最后将应用服务器的结果返回客户端[3]。GIS服务器采用灵图公司提供的组件式开发工具VrMap SDK与Visual Basic语言自主开发。可实现空间信息查询、属性信息查询、距离测算、最短路径查询等空间分析功能。数据库服务器用于管理虚拟校园的三维地理对象与多用户有关的数据。

图1 系统组成结构图

1.2 系统功能设计方案

基于VRMap软件平台构建的三维虚拟校园管理系统,需增强对校园工作管理与决策分析手段:①首先要获取校园的基础数据,并对源数据进行整理和数据库建设;②利用三维虚拟仿真的一些实现技术模拟出校园环境,以三维地图的形式体现;③建立相应的空间数据库,并根据用户需求实现所需方位或地点的查询功能、漫游功能、最佳路线指明功能;④对校园管理要素与三维空间进行整合,实现三维空间内的要素关系查询和分析。VrMap3.0是采用COM作为系统架构技术,这使得系统拥有良好的开放性和扩展性,利用这些特性,可以根据用户的需要,灵活定制与构建个性化的三维解决方案,为决策者进行宏观的空间决策与动态管理提供科学依据。系统技术路线如图2所示。

2 三维校园模型的建立

按照先搭建三维仿真场景,后开发系统功能的顺序来开发三维虚拟系统 (二维底图见图3)。在湖南城市学院朝阳校区的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)上,叠加地面纹理、地物模型等。DEM数据显示校园地形地貌,地物模型反映各个建筑单体的具体方位和结构。

2.1 地形建模

DEM是大范围三维地形建模的数据基础,由DEM和DOM(数字正射影像)叠加生成的三维数字地面模型,是构建三维场景的底层数据。DEM数据 (Mapinfo*.mif或ArcView*.shp格式)、DOM数据 (校正好的且带有地理坐标,*.tif或者*.bmp格式)通过VrMap Terra进行编译后,转换成VrMap数据集后才能进行进一步的叠加[4]。

2.2 地物建模

除了地形建模,场景中还包括建筑、道路、树木等复杂物体的建模 (如图4),这些物体的建模需要借助于三维建模软件3DSMAX或Sketch up完成,再导入到VRMap场景中。VrMap还支持纹理映射、凹凸纹理、LOD(Levels of Detail)、公告牌 (Billboard)、透明贴图等技术,在建模过程中充分利用这些技术,能够有效提高系统性能。

图3 二维底图

图4 纹理映射前三维建筑建模

场景中除了建筑之外还有很多植被,如果简单的用建模来表现它们,不但达不到理想的效果,而且还要消耗巨大的系统资源。笔者采用Billboard技术,与透明贴图技术结合逼真的构建树木、行人、电线杆等模型,来实现用贴图表现模型细节的目标[5]。另外,利用VrMap3.0的LOD功能,在场景中为每个复杂且需要精细表现的建筑单体做3个不同精细度的模型,为它们设置不同的可视距离,根据视点的远近,自动调节看到的模型的详细程度,来提高系统性能。

2.3 建模优化

影响三维模型浏览速度的重要因素之一是窗体视野内的三角面数或三角面密度,而三角面数是由3DSMAX或Sketch up建模的时候确定的[5]。因此在建模之初,须在最节省或比较节省三角面的基础上做出与实际物体很接近的模型。建模的段数设置要精简,在保证模型结构正确的情况下尽量优化。例如对于弧形的屋顶装饰,直径0.5m以内的小于半圆的弧形,段数为3或4,更大的 (如半圆阳台或顶棚)为5段。如遇2模型相接的情况,如水平相接或地面相接等,将看不见的接触面删除;在建立模型时如必须用布尔、形体合并或切面时,要将边缘多出的线条合并或去除;模型制作完毕后执行Smooth命令,以确保模型的结构面光滑。图5是经过优化后的湖南城市学院第二教学楼的三维模型。

2.4 纹理映射

纹理映射数据是三维实体的表面所呈现的纹理信息。为了使得建筑模型更加逼真,大部分的纹理映射是通过现场拍摄取得的,但并非建筑物的每一个细节都需拍摄下来。例如窗户和阳台,整栋建筑物只需挑选2、3个杂物 (衣服,花盆,防盗网)较少的对象拍摄,将其处理后选择最完美的一张作为该栋建筑物所有窗户和阳台的纹理底图。通常为了减少后期纹理图片处理的时间,在拍摄的过程中需注意:①选择光线好的天气拍摄,但要避免阳光直射;②尽量保证纹理照片在水平方向拍摄;③纹理映射的像素数量宜为2n,正方形排列,如128×128、256×256,512×512等;④刚贴上的图片有些面是很不规则的,所以需要给这些面添加UVW贴图坐标修改器,在这个修改器中修改贴图的重复值、贴图的投影方式,保证相邻2个面的贴图的窗缝、门缝、砖缝等对[6]。图5为纹理映射后的湖南城市学院第二教学楼效果图。

图5 湖南城市学院第二教学楼优化效果

图6 湖南城市学院第二教学楼纹理映射效果

3 虚拟校园的开发与实现

3.1 开发方式

VrMap3.0基于全组件式体系结构,具有良好的开放性和扩展性。湖南城市学院三维虚拟校园浏览系统基于B/S结构,在三维软件平台VrMap下利用VrMap IMS发布三维场景,利用VrMap3.0企业版自带的VrMap3.0 SDK组件包进行开发,VrMap3.0 SDK将所有核心层的接口全部开放,甚至可以进行驱动层的开发。利用VrMap3.0提供的三维GIS组件,选用Visual Basic6.0组件开发的编译器进行开发,构建自己的应用系统[7]。图7为系统的主界面。

3.2 系统功能

目前,基于VrMAP与VB6.0建设的虚拟校园系统其功能多集中于以下几个方面:

1)三维场景展示与导航 通过浏览工具的放大、缩小、移动和旋转等常规操作,全面地反映校园地理信息的现状,包括各类建筑物的空间位置、分布及其相互关系,以及校园整体的三维全景演示。另外,可以实现导航图实时定位主图,导航图与主图间进行快速切换。通过鹰眼图的点击进行快速定位。还可以选择不同的浏览视角,主视角浏览和场景浏览的差别在于视角中心点不同。

2)数据管理及输出 由于系统的空间信息和属性信息都实现了数据库管理,可以生成用户所需的各种数字化产品,同时可按各种条件生成和输出各种图表和报表。

3)线路定制飞行 可以在三维场景的目标区内绘制线路 ,浏览三维场景。该线路可以保存,便于以后调出浏览。浏览时可以设置速度、循环浏览和反向浏览。图8为线路飞行界面。

4)属性查询 快速准确地进行建筑物、管网信息的检索查询和定位,进行各种统计分析和空间分析,为管理和设计规划提供准确而详细的数据,这种检索查询是双向的,既可以根据图形查属性,又可以根据属性显示相应的图形,图9为查询结果界面。

图7 三维虚拟校园浏览系统主界面

图8 线路飞行界面

5)图层管理 系统将建筑模型、地名标注等信息进行分层管理,浏览该系统时可以通过控制图层来进行多种规划方案管理比选。

6)空间分析 基于VrMAP的虚拟校园不仅具有一般的浏览、属性查询,还可以进行空间分析,如缓冲区分析、叠置分析、网络分析等。在此基础上,系统提供了多种GIS分析,包括水平测距、垂直测距、空间量测、水平测面、两点通视分析等功能。如建立紧急事故处理系统:当灾害发生时,通过信息的快速查询和空间分析功能,动态显示受影响的范围,快速制定抢救方案,如应封锁哪些区域等。

7)打印出图 系统提供了雨、雪、雾等天气设置功能,在多种天气情况下浏览三维场景,可以展示校园规划的不同效果。系统可以把当前的窗口的三维场景打印出图。

图9 浏览系统查询结果界面

3.3 系统的发布与运行

建好的三维地图通过VrMAP IMS进行网络发布,客户端通过客户端浏览器 (VrMap Browser)后即可进行浏览、查询;还可以进行空间操作以及各种空间分析。

4 结 语

该系统把虚拟现实技术和GIS技术相结合,基于三维地理信息系统平台软件VrMap3.0,以现有的二维GIS数据为基础,构建了直观的三维虚拟场景,为实现校园规划管理现代化提供了一种有效的手段。校园三维景观可视化为校园规划设计提供了一种最直观的表现形式。基于全景图像的虚拟现实技术有助于校园房产管理,同时将基于全景图像的虚拟现实界面应用到校园网网页设计中[8],可以改变传统的单纯基于文本和图形的用户界面设计,使得通过计算机网络查询和访问校园信息更为方便。随着虚拟现实技术与虚拟地理环境学科的逐渐成熟,虚拟校园将增添更加丰富的内容,如网上虚拟课堂、虚拟实验室、虚拟社团等。虚拟校园必将成为数字校园的主要表现形式。

[1]黄长军,赵吉先.IMAGIS在校园三维可视化中的应用 [J].水利科技与经济,2005,(11):574～575.

[2]曲巨宝,梁洪涛.基于VRM L的三维虚拟校园漫游系统研究 [J].现代计算机,2007,(3):99～101

[3]吴丹,陈春来.虚拟华东师范大学系统设计与实现 [J].电脑开发与应用,2006,(4):17～19.

[4]刘健,于辉.基于VRMap的风景区虚拟仿真系统开发 [J].系统仿真学报,2008,(18):130-133.

[5]罗敏.基于VrMap与Sketch up的城市三维模型构建 [J].福州大学学报,2009,(37):353～356.

[6]孙春生,吴军,陈丹清.三维城市建模中的建筑墙面纹理快速获取 [J].武汉大学学报,2005,30(9):766～768.

[7]吴闯,仲伟政.基于B/S结构的济南市三维影像浏览系统设计与实现 [J].城市勘测,2008,(4):21～23.

[8]江辉仙,张文开.基于VRGIS的虚拟校园三维仿真技术应用 [J].福建师范大学学报 (自然科学版),2006,(2):109～113.