虚拟现实技术与虚拟校园的研究与实践 ——以潍坊学院虚拟校园建设为例

李峻峰

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

1 虚拟现实技术

虚拟现实 (Virtual Reality)通常简称VR，是一种逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术。Grigore Burdea 和Philippe Coiffet 在他们的著作“Virtual Reality Technology”一书中指出VR 具有三个最突出的特征，即人们熟悉的 3I 特征，即临场感(Immersion)、实时交互性(Interaction)、构想(Autonomy-Imagination)。

1.1 网络虚拟现实技术

网络虚拟现实(Network VR)字面意义上理解为网络上运用的虚拟现实，即在互联网网络的基础上，为用户在己经普及的以文字、图像和动画为主的互联网环境中引入三维技术，从而为用户提供网络三维立体信息。

目前，互联网上虚拟现实技术主要分为两大类，一类是基于图像的虚拟现实技术(IVR，Imaged Based Virtual Reality)；一类是基于3D Polygon 虚拟现实技术。这两种技术有其各自的优缺点。基于图像的方法，场景比较逼真和生动，但由于缺乏深度信息而难于控制；基于建模绘制的方法，正好相反，虽然逼真度较差（随着技术的发展，越来越逼真），但较容易控制。

1.2 虚拟现实技术在虚拟校园建设中的应用

虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有3 个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：

（1） 简单的虚拟校园环境，供游客浏览；

（2） 基于教学、教务、校园生活等功能相对完整的三维可视化虚拟校园；

（3） 以校园为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台， 虚拟远程教育。

虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益[1]。

虚拟校园为师生们提供了非常便利和快捷的交流环境，同时一个完善的虚拟校园系统集学习、工作和生活为一体，增添了师生之间交流的趣味性，有利于教师、学生之间的良好沟通[2]。

本研究以大学校园为对象，借助3D 建模软件3DMAX 和Google SketchUp 和三维驱动软件Webmax3.0，开发桌面型的虚拟校园系统。整个系统分以下几个步骤完成：

（1） 根据学校布局使用3DMAX 和Google SketchUp 进行三维建模；

（2） 对模型进行烘焙渲染；

（3） 通过Webmax3.0 软件控制输出实时渲染的图形画面，实现虚拟校园场景的建立。

2 虚拟校园系统的构建

2.1 虚拟校园的总体规划（见图1）

以实际校园为依据，尽量接近现实，使用户在观看浏览虚拟校园时有真实的校园的感觉。为 学校树立良好的形象，提高校园的知名度，宣传校园文化。

图1 虚拟校园系统总体框架图

（1） 实现网络化应用，是虚拟校园通过网络即可浏览。同时对计算机性能要求适合大多数计算机配置；

（2） 对主要景观如教学楼、喷泉、人工湖等制作精致模型，做到尽量接近现实；

（3） 访问者可以通过自动导览在校园内按固定路线游览。也可以通过键盘鼠标控制随意游览；

（4） 设置鸟瞰图、旋转图、地图导航最大化方便对校园的整体了解；

（5） 配备声音解说、及文字介绍；

（6） 设置多页面导航、院系链接及常用信息服务。

2.2 虚拟场景构建

通过学校建设平面图和实际测量得到各项数据信息。通过数码相机拍照及专业素材库收集整理各项贴图材质。在完成信息采集之后进行学校三维模型的建模与渲染。

2.2.1 信息采集

信息采集是虚拟校园建立的基础，虚拟场景的构建必须获得必要的数据。构建虚拟校园主要包括，三维空间数据信息和图像信息两部分。在构建虚拟校园系统模型之前，对三维空间数据和真实影像数据进行收集和处理，为后期工作打好基础。本课题主要采用几种方法进行收集：

（1） 通过学校AutoCAD规划总平面图和建筑图获取各个建筑物的高度等数据。

（2） 现场拍摄真实校园的数码图片，对AutoCAD文件中没有的新建建筑景点进行设计。

（3） 采用数字测量的方法从平面图上获取尺寸、坐标。

（4） 采用实地测量，获取数据信息。对无精确数据的建筑高度，根据楼层数乘以一层高度获得。

（5） 对建筑物等的纹理贴图采用地面拍摄，然后由计算机修正透视的方法。对于地面特有纹理贴图采用在拍摄后计算机制作无缝贴图的方法。对于树木、景点等也采用同样的方法。

（6） 借助专业建筑贴图素材库完善图像数据的收集。

2.2.2 模型构建

虚拟校园的最终效果与三维模型的质量息息相关。通过对现有建模软件的调查分析，最终采用SketchUp 进行建模。SketchUp 软件是一款应用于建筑领域的全新三维设计软件。其建模简单明了，同时模型质量符合虚拟校园的要求。模型建立完成之后导入3DMAX中，设置材质贴图、阳光、环境等。设置完成后进行烘焙渲染。

（1） 地形构建

地形是虚拟校园建设的基础，也是最复杂的景物之一，三维真实感地形的绘制一直是国内外图形学领域关注的热点，其可视化程度高、实用方便、可实时生成的优点已成为图形工作者的共识。潍坊学院地形的构建是现实世界中真实地形的再现，需要非常高的真实度。因此，采用真实世界中的具体数据使用SketchUp 来构造的（见图2）。

图2 地形构建

（2） 建筑构建

建筑是虚拟校园的最重要的主体之一，建筑效果的表现将直接影响整个虚拟校园的效果。在建筑物的建模中应以实际比例单位构建，尽量符合现实。在有代表性的重点建筑建模时应注意适当保留细节，并尽量使用通过数码相机拍摄并处理的纹理贴图，使之更接近真实环境。

将数码相机拍摄局部素材，Photoshop 编辑为无缝贴图赋给对象之后进行Lightmap 烘焙渲染，将烘焙后的Lightmap 叠加在无缝平铺的纹理材质上，既保证了材质的清晰度，又具有了真实环境的光影关系（见图3）。

（3） 环境构建

景观在虚拟场景的构建中起到远景氛围的作用，在建模过程中为了节省系统资源，提高引擎运行速度，对模型的多边形面数进行了严格的精简优化，使其在尽可能的在精简与视觉效果间达到平衡。在表现湖面小亭子（见图4）时，圆柱以四面体构成，圆顶也做了精简。护栏更是以单面建立设置透明贴图的方式表现。

校园中的花草树木等植物数量众多，如何减少植物的多边形数量显得尤为重要。在本项目的植物模型还应用了单面交叉+平铺透明贴图的形式。如图5 所示以10 个四边形面实现25 棵树的效果。在校园树林中应用能够大大节省系统资源。

图3 建筑模型

图4 亭子模型

图5 树木模型

3 交互式设计与实现

Jakob Nielson 曾这样描述用户与系统间的关系：“用户期望越多的被正确验证，用户就越觉得系统在自己掌控之中，从而也就更喜爱它（系统）[3]。”从用户的使用角度考虑，导航应该能够快速的被用户熟悉并正确操作。因此，在虚拟校园导航系统设计时采用大家所熟知的WWW信息检索方式，基于HTML技术创建导航界面。尽量减少操作的复杂性，在保证功能实现的前提下减少导航层级，使用户不会被过多的目录层级造成“迷航”。

3.1 导航设计与实现

通过对潍坊学院虚拟校园导航系统的分析，结合导航系统实现结构，确定了虚拟校园导航系统的几大模块，各模块功能如图6 所示。用户通过Web 页面链接进入虚拟校园系统，可以自主选择由电子沙盘进入或者直接进入。主导航页面设置了用户使用率最高和虚拟导航必须的操作界面，将更多的其他导航形式（如院系链接、服务信息）置于选项卡导航二级界面。主导航条设立四个选项卡，分别为导航一、导航二、院系链接、信息服务。在Photoshop 中编辑二维界面图像，通过切片方式导入到html 中（如图7 所示）。

3.2 交互功能与实现

Webmax 支持JavaScript 编程。在html 中通过JavaScript 的编写完成互动的操作。基于二维导航界面，实现点击图片调用JavaScript： 相机切换的命令实现：

Function 函数名()

{VGS2.SetCurrentCameraByName("相机名");

VGS2.SetWalkCtrl_ManualParam(0.5, 0.8, 0.7, 0.5, 180);}

自动导航的实现：

function调用的函数名()

VGS2.PlayCameraKfr("相机名",-1);

VGS2.GotoFrame(0);d

VGS2.PlayKeyFrame();

//VGS2.StopCameraKfr("相机名");

VGS2.CurCamGotoFrame(0);

VGS2.SetCurrentCameraByName("相机名");

}

太阳光晕的实现：

VGS2.CreateLensFlare(70000, 35000, -20000, 1);

帮助及音乐的实现，查询的实现同样利用html 中的JavaScript 的编写（见图8）。

图6 虚拟校园导航系统功能模块图

图7 主导航条界面

4 结 束 语

通过虚拟现实技术与多媒体技术、网络技术等有效的结合实现了虚拟校园系统的建设。该系统实现了导航、漫游、航拍等一系列功能，为数字化校园建设搭建了很好的平台，同时也为虚拟现实技术在这一领域的应用与实践做了有益的尝试。随着虚拟现实技术的发展和第三代互联网技术逐步成熟与应用，基于这两大技术平台的各种研究与应用必将成为新的趋势。

[1] 百度百科. 虚拟现实系统[EB/OL]. http://baike.baidu. com/view/2268886.htm, 2009-03-11.

[2] 徐 诚. 虚拟校园漫游系统的研究[D]. 武汉: 华中师范大学, 2006.

[3] [美]Jakob Nielsen 著. 可用性工程[M]. 刘正捷, 等译. 北京: 机械工业出版社, 2004. 115.