数字泰山虚拟漫游系统分析与设计

刘明霞,韦念杰,杨 楠,李 强

(泰山学院信息科学技术学院,山东泰安 271021)

数字泰山虚拟漫游系统分析与设计

刘明霞,韦念杰,杨 楠,李 强

(泰山学院信息科学技术学院,山东泰安 271021)

阐述了数字泰山虚拟漫游系统的设计思想,论述了实地数据收集、图像采集和模型制作等模块的实现方法,详细介绍了泰山虚拟场景中主要模型的构造方法,实现了数字泰山虚拟漫游,用户在与系统交互的过程中能有一种身临其境的真实感.

数字泰山;虚拟漫游;虚拟现实

0 引言

随着计算机软硬件技术的飞速发展,虚拟漫游系统在房地产、旅游、城市规划、历史考古等领域有了广阔的应用空间.虚拟漫游系统是一个以逼真的视觉、听觉、触觉为一体的特定范围的虚拟环境,它是一个真实的或假象的仿真虚拟空间,用户借助一定的装备在虚拟环境中进行虚拟漫游,从任意角度对虚拟环境中的对象进行观察,从而产生身临其境的感觉,同时也能对物体进行操作和规划,满足用户的要求.虚拟漫游系统本质上是一种人机交互系统,它强调人在虚拟环境中的体验,沉浸感和交互性是评价系统好坏的重要标准.

目前,我国国内很多旅游景点都建设了自己的虚拟漫游系统,用户只要在家里用电脑登陆到相应网站,就能实现虚拟漫游.这不仅缓解了假日客流压力,而且促进了旅游业的发展.“五岳之尊”泰山,数千年来一直是帝王朝拜的对象,其山中的人文杰作与自然景观完美和谐地融合在一起,不但在地质学和历史文化方面具有研究价值,而且还具有很高的艺术价值和美学价值.建设泰山虚拟漫游系统不仅能促进整个泰安旅游业的发展,还方便了泰山的保护和规划,意义十分重大.

1 数字泰山虚拟漫游系统的设计思路

典型的虚拟现实系统应能提供一个可视化的环境,使用户在场景中随意浏览[1].数字泰山虚拟漫游系统属于虚拟现实中的一种,它的工作主要由两部分组成:仿真场景的制作和漫游引擎的实现.

根据项目需求,首先采用实地测量技术,在CAD中绘制出泰山平面图;然后根据平面图指示的建筑物以及地形场景的位置,利用数码图像设备采集现场照片用于把握各个建筑与地形的具体结构与材质.根据所取得平面图以及现场图片在3D M ax平台中制作出三维仿真模型.模型制作完毕后,导入VRPBuilder平台,进行交互代码编制以及界面设计,实现其交互功能.最后编译出exe文件,从而完成整个漫游系统.系统设计流程如图1所示.

图1 系统设计流程图

2 数字泰山漫游系统实现过程

虚拟漫游系统的核心是虚拟场景的构建.目前采用的主要方法[1-3]:基于国内外主流的虚拟现实综合集成平台的开发(如基于M u ltigen Crea-to r和VEGA)、基于VC++和OpenGL图形库从底层的开发和基于三维软件建模(如3D MAX等)的开发.前两种方法存在价格昂贵、对开发人员素质要求高等缺点.本文采用第三种方法进行开发,即利用3D MAX建模,然后将模型转换成OpenGL程序,再对其进行控制,构建交互性强的漫游场景,既可以有效地控制成本,又可以保证开发效率.

2.1 实地数据收集

场景实际数据是制作虚拟现实的基础,一切架构都是建立在基本数据之上.首先运用基本的地形测量技术,测量出基础数据,如建筑物的长、宽、高,山体的海拔高度、坐标等,这些数据必须精确.然后根据测得数据利用CAD制作出泰山平面图,图纸必须规范、精确.最后把制作好的平面图载入到3DM ax中,为制作仿真模型做准备.这里,我们把平面图以参考方式载入3D M ax,以便于修改和团队合作.

2.2 实体图像采集

根据平面图纸所标示的山体、建筑体和石刻等的位置,利用高清数码设备对泰山主山脉各个山体、建筑及其地形进行图像采集.

主要采集三类数据:

(1)全局图,采取各个角度全景方式拍摄;

(2)局部图,采取中景或者近景方式拍摄,目的是要看清局部结构与细节;

(3)纹理图(如地面、墙砖等),主要是以特写方式采拍,务必做到采光均匀,图像清晰.

其中全局图和局部图主要用于制作仿真模型时把握山体、建筑体和石刻等的形体结构,而纹理图主要是为以后制作仿真材质与纹理提供依据.

2.3 仿真模型制作

整个泰山虚拟漫游系统的模型可以分成山体、建筑、动物和植物等几个大类.每种类型的建模手法和要求的模型精度是不同的.山体是漫游系统的载体,其面积是最大的,其他模型都要置放于山体上.山体制作的时候要注意参考等高线图,以表现最真实的起伏.泰山古建筑是泰山珍贵的文化遗产,是整个系统的核心,其模型精度要求相对较高,制作的时候应该尽量的减少误差.模型贴图要用高像素的相机实地采集,这样制作出的模型才更真实.动物和植物的模型要求不必很严格,只要物种真实即可.动植物的制作要利用3DM ax的动画功能进行.

根据平面图以及现场照片制作仿真模型主要分三个步骤:

(1)构建模型.在3D M ax中,利用多边形建模技术,根据泰山总规划平面图并认真观察现场照片确定山体、建筑体、石刻等的具体位置和结构,采用自下向上的方法制作.制作时,要对形体高度的概括,大力控制面的数量,消除冗余的多边形面,降低整个场景的复杂度,做到形体准确、概括、数据量小,从而降低场景实时渲染的复杂度,保障系统能够流畅运行.山体模型构建如图2所示.

图2 山体模型构建

图3 给建筑赋予材质

(2)制作材质.贴上处理好的纹理和材质,使其与真实景物相符.首先选择模型相应的面,使贴图以合适方式贴在模型上,不发生纹理的扭曲与变形,如图3.

(3)制作动画.制作的时候根据动画物体在场景中的视野距离,可以制作精度不等的模型.像大雁这种位于天空高处的动画物体,其模型的制作可以简单些.制作重点在于表现翅膀的运动效果,可通过动画的循环实现持续振动翅膀的效果.制作好一只大雁后采用复制的方法可以得到一个雁群,如图4.

图4 雁群的制作

2.4 虚拟漫游系统构建

该模块主要功能是把所有模型组装成一个整体,然后制作出漫游的功能,使用户能够在限定的区域内自由行走,有身临其境的感觉.为了增强用户体验,系统中添加了天空环境、游人、背景音乐等元素.此外,专门设计出具有交互功能的场景,比如当用户走到一扇门前面的时候,让门自动打开.

(1)添加环境.给场景选择一个周围有连绵起伏的山体的环境,使置于其中的模型与周围环境协调一致.为增加真实感,系统还在场景中添加了太阳,当用户面对太阳的时候,能感受到光晕,如图5所示.

(2)开启碰撞.在用户的活动区域内,给用户可能触碰到的物体添加碰撞检测.需要注意的是,不必为所有的模型都添加碰撞,因为碰撞运算需要消耗系统资源.

(3)创建用户.选取几个比较合适的地点创建行走角色,不同角色之间的距离不要太近,尽量分散于场景之中.这样用户切换行走角色的时候,就可以快速到达自己想要去的地方,如图6所示.

图5 光晕效果

图6 创建行走角色

(4)增强用户体验.给场景添加游客和背景音乐,能使用户的现场感大大增强,让用户有身临其境的感觉.

最后,生成可以直接运行的可执行文件或者发布web上使用的文件.

3 结束语

本文对数字泰山虚拟漫游系统进行了分析和设计,并对系统实现流程和关键技术进行了详述.实践表明,将计算机图像处理技术和复杂三维建模技术相结合可以较精确地制作出易于宣传推广的虚拟漫游系统.该方案同样可以应用于城市规划、地质探测及医学研究等领域,具有较高的应用价值.

[1]王柯,诸昌钤,杜斌.基于3DS模型的虚拟现实系统的设计与实现[J].阜阳师范学院学报(自然科学版),2006,23(1):58-63.

[2]崔汉国,张星,刘晓成.图象和建模结合的虚拟场景绘制技术研究[J].系统仿真学报,2005,17(5):1168-1171.

[3]DEBEVEC P E,TAYLOR C J,MAL IK J.Modeling and Rendering A rchitectu re from Photographics:A Hybrid Geom etry and Imagebased App roach[C].Proceedingsof SIGGRAPH96,1996.

Ana lysisand Design of Ta ishan V ir tua lRoam ing System

L IU M ing-xia,W EIN ian-jie,YANGNan,L IQ iang
(Schoolof Info rm ation Science and Techno logy,Taishan University,Tai’an,271021,China)

The design philosophy of the digital Taishan virtual roam ing system is p roposed.The paper gives the detailed imp lem entm ethodsof the real data acquisition,im age grabbing andmodelling,especially for them ainmodel of Taishan virtual scenes.The p rocesses of construction of the virtual scenes in virtual roam ing system are p roposed.Th rough the in terac tionw ith the virtual system,the usersw illget lively feelings just like in the trueworld.

digital Taishan;virtual roam ing;virtual reality

TP302

A

1672-2590(2010)03-0026-04

2010-04-05

泰安市大学生科技创新行动计划项目(2007D2052)

刘明霞(1981-),女,山东泰安人,泰山学院信息科学技术学院讲师.