基于VRML和JAVA的虚拟校园漫游导航系统的设计和实现

2012-09-23文丨张

中国传媒科技 2012年2期

文丨张凯

引言

随着信息技术的发展及其应用的不断深入，数字化信息管理和实物虚拟化已经在当前的信息技术应用领域里占据了相当重要地位。虚拟现实是在现实客观世界的基础上，利用先进的信息化工具，构建一个可以模拟现实世界的虚拟空间，在此基础上甚至可以进一步拓展现实世界的时空维度，从而扩展现实世界的功能，最终建立一个优于现实世界的计算机世界虚拟空间。

虚拟校园正是采用虚拟现实技术构建而成的，其目的是将学校风光和地图进行有机结合起来，可以使来访者足不出户便可浏览校园风光，为学校树立良好的对外形象，也可以作为校园建设的辅助规划工具，供校园内外的师生和热心人士出谋划策。常州轻工职业技术学院虚拟校园漫游导航系统是通过建立校区建筑的三维模型，结合虚拟现实技术建立一个校园虚拟系统。

关键技术

1. VRML与JavaScript的结合

VRML是Virtual Reality Modeling Language的缩写，即虚拟现实建模语言，它是虚拟现实和WWW结合的产物，是一种可以用来创建现实世界的场景模型或者虚构世界的三维场景建模。VRML是一种跨平台的语言，可以发布用来3D网页，用户可以在浏览的时候可以参与和探索，在交互性、动态效果、延续性等方面感受到比浏览普通网页更自然的体验方式。

VRML与JavaScript的结合主要体现在VRML的Script脚本节点上。由于VRML本身不具备与外部交互的功能，无法完成分支、循环、转折等程序设计的基本特征，所以必须和其他语言结合才能构造出具备交互功能的三维场景。因此在语言中定义了Script节点，在该节点中，可以使用JavaScript代码，从而实现普通程序的转折、循环等功能，扩展VRML语言的功能。本漫游导航系统中主要节点有Shape、Group、Script、Transform、Appearance、Background、Anchor、View Point、LOD、Inline等。

2.虚拟场景漫游系统的关键技术

漫游系统是一个具有逼真的视觉、听觉、触觉的特定的虚拟环境。这是一个真实空间或假想空间的实时仿真空间，用户通过必要的交互设备实现以自然的方式在虚拟空间中观察，漫游，产生身临其境的感觉。漫游系统的关键技术包含建筑场景的建模、绘制、优化及碰撞检测等方面。

虚拟校园三维模型的建立

运用三维建模技术在计算机中创建一个逼真的现实校园场景的虚拟世界是构建虚拟校园的主要工作之一。心理学家研究表明：人们通过视觉系统获得的外界信息约占全部信息的83%，我们构建的虚拟校园的逼真程度决定了其沉浸感，因此虚拟校园模型的构建在整个虚拟校园系统中的地位非常重要。选择合适的建模工具和三维模型渲染技术将有助于提高虚拟现实场景中模型的逼真程度。

1.模型建立

1.1 环境模型的建立

天空与地面的建模较为简单，主要是用VRML自带的Background节点来实现。虚拟场景中的绿化通过VRML中自带的Billboard节点来实现。以树木为例，我们采用三个同样大小并且相互成60度的平面作为植物的建模基础。先对植物进行拍摄，然后利用Photoshop处理成背景透明的贴图，贴到三个平面上，从除正上方的俯视之外的任何角度来看都有较好的视觉效果。模型的复杂度并没有明显增加，只是由一个平面变成两到三个平面，纹理贴图依然是一个。对于草的处理采用了与树类似的办法。路灯、长椅等的模型建立十分简单，但是要注意的是尽量减小文件大小，因为在整个场景中路灯不止一个，椅子也有很多，如果模型过于精密则会影响最终的整体文件大小。

1.2 建筑模型的建立

虚拟校园的建筑模型通常分为标志性建筑和普通建筑两类。本系统采用的方法是对标志性的建筑进行精确建模（即我们平时所说的高模），而对于普通建筑进行粗略建模（即我们平时所说的低模）。高模建模方式如下：

（1）简化工程图纸：将建筑图纸在Auto CAD中进行简化，删减不必要的细节，去掉辅助线以及内部结构。（2）将图纸倒入3D MAX进行粗略建模：主要是根据图纸建出建筑的大体轮廓，其间用到的方法大致有布尔运算、挤压、放样等。（3）细化模型：该步骤主要是将模型进行细致处理，在保持文件大小前提下光滑表面，调整部分节点，加入建筑细节，使其更加接近真实。（4）简化处理：该步骤主要是删减最终模型中不必要的部分降低模型的精度，使最终文件尽量小。（5）绘制贴图并应用到场景之中：贴图的绘制主要是通过到实地拍摄建筑外形，然后在PhotoShop之中进行处理，形成最终贴图，对于部分简单贴图也可以直接制作而不采用真实图片。（6）导出生成VRML文件。

图1 局部俯视图

低精度模型建造过程与高精度类似，只是建模过程中对细节部分的处理较为简单，较细微的地方不予考虑，大面积的运用贴图解决细节问题。

2.三维模型的整合

本系统使用VRML语言中自带的Inline节点来完成模型整合工作。该节点的功能是导入url所指向的其他VRML文件，再结合上Transform节点就可以控制导入物体的坐标了。通过这两个节点将上述建立的各个造型文件单独生成一个VRML文件，然后再在一个大场景中导入，最终实现整合整个虚拟空间的目的。图1为模型整合后的局部俯视图。

交互控制与实现

1.漫游导航功能的实现

漫游方式主要分为自动漫游和交互式漫游两种。

自动漫游是漫游过程中按设计者事先规划好的路径与视角来执行虚拟环境的漫游，通常都是能最好体现虚拟景观特色的方式，实现相对比较简单，漫游路径由给定坐标决定。本文采用的是通过创建摄像机视图的方式来实现自动漫游。在3D max中可以很方便地对摄像机进行镜头的推拉摇移等调整，直到取得满意的空间视点，真正实现在C视图下的所见即所得。

交互式漫游是用户自主操控，用鼠标或键盘实时地区控制漫游方向和视点的一种漫游方式。其实现则是通过对VRML中的Navigation Info节点和Viewpoint节点进行控制来完成的。Navigation Info 节点可以分别对浏览速度和方式、顶灯以及化身的大小进行设置。Viewpoint节点是预先定义浏览空间的观察位置和空间朝向，浏览者可以通过该位置和朝向来观察到虚拟世界中相应的场景。

导航功能是指在虚拟校园中，为了便于用户浏览，会在各个路口放上指示牌，浏览者可以通过选择指示牌上的触点经过摄像机的自动引导找到相应的建筑或地方。该功能的实现主要是通过时间传感器节点（Time Sensor）、触摸传感器节点（Touch Sensor）和位置差补器节点（Position Interpolator）对Viewpoint节点的位置和方向进行控制而实现。

2.漫游过程中的碰撞检测

为了避免“穿墙而过”等有违常理的现象发生，需要在漫游过程中进行碰撞检测。交互式漫游过程中，系统默认的漫游方式是Walk，替身被固定在地面上，即与地面的高度始终一致。包围盒可以理解成摄像机的包围盒与其正上方向下的地面投影所构成的空间，以摄像机的包围盒为Box为例，替身包围盒示意图如图2所示。由此，检测的基本思路为：判断替身位处哪一个子空间，若该子空间无建筑物，则忽略碰撞检测，若存在建筑物，则判断建筑物所处位置最低点是否高于替身，若高于替身则不会发生碰撞，若低于替身，则可能发生碰撞。另外对于一些复杂节点，可以使用碰撞代理，利用简单的集合体，如常见的Box、Sphere作为碰撞检测的边界，提高处理速度。

图2 替身包围盒示意图

3.环境控制

环境控制主要是指虚拟场景中的光照和晴雾的控制。为了增加虚拟场景的真实感在虚拟环境中加入白天与黑夜的区别，晴天与雾天的区别，该功能的实现主要是通过时间传感器节点（Time Sensor）和位置差补器节点（Position Interpolator）等控制雾节点（Fog）和光照节点（Point Light、Directional Light）的参数实现的。

4.导航图与三维场景的交互

在漫游系统中，通常会使用漫游导航图作为向导工具。相对于三维场景视图，采用二维地图导航可以给用户提供更加广阔的视野。这里我们主要运用Proximity Sensor（接近度传感器）节点来获得坐标值。通过Proximity-Sensor节点跟踪鼠标的轨迹，定位鼠标当前位置，获得相应坐标值并将三维坐标转换成二维坐标，再把用户当前所在位置的坐标和方向传递给标志性物体，最后在平面图上用高亮的标志显示出来。