基于Quest 3D三维校园漫游系统的设计与实现*

2012-10-14蒋委军黄亚平袁燕招

中国教育信息化 2012年7期

关键词：碰撞检测漫游虚拟现实

蒋委军，黄亚平，袁燕招

(浙江工业大学教育科学与技术学院，浙江杭州310032)

基于Quest 3D三维校园漫游系统的设计与实现*

蒋委军，黄亚平，袁燕招

(浙江工业大学教育科学与技术学院，浙江杭州310032)

随着计算机技术的发展，虚拟现实技术在各个领域都发挥着极其重要的作用，虚拟校园是虚拟现实技术在数字化校园和教育领域中的一个重要应用，它利用目前先进的计算机技术结合校园教学环境和三维景观，在计算机中虚拟再现。本文以浙江工业大学校园为虚拟环境，采用3Ds Max构建校园场景模型，采用Quest 3D实现虚拟校园纵览、自由漫游、自动寻径、导航、自由切换四季昼夜天气、背景音乐播放、视频点播等交互功能，可使用户产生身临其境的感觉。

3Ds Max；Quest 3D；虚拟校园；漫游

一、引言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一门综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机接口技术、人工智能以及仿真技术等多种学科技术而发展起来的新兴技术。[1]同时它也是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，用以创造视觉、听觉、触觉等高度仿真的虚拟空间，还可借助各种交互设备，没有限制地浏览和操纵虚拟场景中的实体对象，给用户一种身临其境的感觉。[2]

目前虚拟现实技术在国内外发展非常快，广泛应用于教育培训、军事、医疗、游戏、建筑、影视娱乐等领域。在国外，自1990年起，世界上较早进行几何式建筑漫游并取得显著成果的科研机构——UC Berkeley建筑漫游工作室就开始进行复制模型的实时漫游策略研究。随着Internet在美国特别是大学校园的应用与发展，美国大学校园的信息化建设在学生日常生活、教学活动、学校科研及管理活动等发面取得了突出的成绩。虚拟现实技术的出现，更是为数字化校园建设提供了一种全新的应用方式。[3]在国内，对虚拟现实技术的研究比一些发达国家晚，差距存在是难免的，但随着计算机图形学、计算机系统工程等技术在我国的高速发展，虚拟现实技术目前已得到相当的重视，引起我国各界人士的关注，研究与应用VR，建立虚拟环境，虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展，国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目。[4]由以上分析可知，本文探讨基于Quest 3D的三维校园漫游系统设计与实现具有一定的现实意义。

二、系统设计

基于Quest 3D的三维校园漫游系统分为素材准备、三维建模和交互设计三部分，系统软件结构如图1所示。素材主要采用实地拍摄和纹理绘制实现；模型是本系统的基础，用户在虚拟校园中所见的所有场景都需要通过建模实现，可见模型的优劣很大程度上直接影响整个漫游系统的美感和沉浸感，本系统模型主要包括：

地形模型：根据前期数据处理，精确创建校园地形模型；

主体模型：包括教学楼群、图书馆、室内设施及多媒体设备模型；

绿化模型：植被和花圃模型。

本系统需要实现的室内交互主要是教室门、窗的开关、教室电脑视频点播等。室外交互主要包括纵览和自由漫游（利用键盘和鼠标对虚拟校园任意景点进行任意路线浏览）、自动寻径（在任意位置对某些特定景点进行自动导航）、导航、天气系统切换（自由切换四季昼夜天气）、背景音乐播放等。

三、系统实现

1.三维建模

模型构建是通过图形的三维几何变化如平移、旋转、缩放、错切及复合变换等来实现的。[5]较完美的建模仅仅精确满足基本造型是远远不够的，还需尽量减少点数、段数、面数、整体复杂程度以及赋予合适的材质贴图，否则会严重影响渲染速度以及系统运行速度。[6]本系统采用当前广泛应用于广告、建筑设计、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域的主流三维建模软件3Ds Max创建模型、构建虚拟场景。为了减轻前期建模的繁琐程度，可通过Google Earth卫星影像截图，获得地形墙体等比例形状，进而在Auto CAD中绘制实体轮廓，再导入3Ds Max进行模型的建立，从而大大加快了建模效率。[7]同时，为了使得模型更加贴近现实，还需通过Photoshop对已采集的校园图片进行个性处理，获得大量由真实场景生成的纹理贴图，最后使用材质编辑器将贴图贴到相应的位置后进行渲染，从而获得更为逼真的效果。

模型初步建立后还需要对其进行优化，包括合并相同材质、删除不可见的面、移除多余点线等，从而提高模型在引擎中的响应速度，最后需要将所有模型整合到同一个max文件中以确定统一的世界坐标，方便下阶段的灯光绘制、烘焙和导入引擎，部分室内外场景如图2和图3所示，3Ds Max完成整体场景构建后，为了在Quest 3D中实现交互，必须导出成Quest 3D支持的.X或.CGR格式文件。

2.交互实现

交互是用户和虚拟场景进行相互作用的途径，用户对虚拟场景中物体的操纵，以及其他动作的实现都必须通过人机交互来实现。[8]有效而简洁的人机交互能使用户更好地沉浸在虚拟环境中，可见交互是本系统的关键和核心。当前市场上进行交互开发的引擎种类繁多，如Unity 3D、OSG、Virtools、Quest 3D等，根据其应用领域各占一席之地，本系统采用的是在业界以效果出色而闻名的三维项目制作软件——Quest 3D。通过程序控制，Quest 3D可以应用在游戏研发、虚拟现实、影视动漫制作等众多领域，而且Quest 3D能在即时编辑环境中与物件互动，提供一个建构即时3D的标准方案，这对于刚接触交互引擎的人员无疑是一大福音，因为在Quest 3D里，所有的编辑器都是可视化的，编辑与执行较容易，并真正所见即所得，让使用者更专注于美工与互动，不用担心程序错误及除错。[9]

三维模型导入Quest 3D后即可进行交互设计，采用Quest 3D实现室内外交互驱动，主要解决以下问题:

（1）场景的实时切换和动态调用

对虚拟校园实时切换进行漫游可利用键盘和鼠标操纵，为了加快系统运行速度及降低硬件需求，也可动态修改Quest 3D中相应的Channel模块中单一文件实时加载到系统中。

（2）碰撞检测

虚拟场景中为避免穿墙而过的情况发生，碰撞检测(检测不同对象之间是否发生了碰撞)是不可或缺的，碰撞检测算法的效率直接影响到应用的实时性，尤其是大场景中的应用。虚拟校园是大量实体对象的结合体，必须解决大量物体间的反复碰撞检测，本系统存在两种碰撞检测：一种是与地形的碰撞检测；另一种是与建筑物的碰撞检测。

本系统借助Quest 3D强大的功能，借鉴并整合了当前各类虚拟现实项目背景音乐、导航图、漫游、纵览等主流功能的同时，还增加了自动寻径和视频播放等功能，使得用户得到进一步的沉浸式体验，让用户即使没有机会参观校园，也能在虚拟校园中实现自由漫游，身临其境地感受校园氛围并借助视频播放功能进行学习，自动寻径程序如图4所示。