江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统

徐健　方朝阳　高丹　缪理玲

摘要：以江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统为例，提出了以虚拟现实技术和三维仿真技术为核心，基于虚拟仿真平台，综合利用360度全景技术、GIS、多媒体信息和Web网络技术，建立富有人文生态元素的三维虚拟场景的方法。结果表明，这种方法建立的大规模虚拟场景在虚拟逼真度、仿真效果、运行效率和人机交互方面具有很好的优势。这一研究将虚拟仿真技术与人文生态理念相结合，为建设数字校园提供新思路，同时可以推广到园林、山河、湿地景观等虚拟现实应用中。

关键词：虚拟现实；三维仿真；人文生态校园；数字校园；江西师范大学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0813-05

1 概述

三维虚拟校园是数字校园的基础和平台， 开展三维虚拟校园及相关课题的研究适应了信息社会发展的趋势， 具有重要的理论意义和现实意义。近年来，随着数字地球概念的提出，以及空间信息科学、计算机图形学和虚拟现实等技术的交叉融合发展，数字城市和数字校园开始涌现并逐步转变为现实[1-2]。国内很多高校也开展了数字校园的探索和研究，如香港中文大学、南京师范大学、中国海洋大学、华东师范大学等都纷纷进行了数字校园的建设[3-6]。

江西师范大学瑶湖校区以迎接70周年校庆为契机，围绕着学校基本建设进行生态打造与人文历史植入，建设成一个山水相依、树木林立、花草丛生、蝶舞鱼欢、天鹅白鹿齐鸣互应的人文生态新校园。由于时空所限，未必人人都能一睹为快，即使到访者，也往往或走马观花，或只欣赏校园一隅，无缘尽略风采。就算是久留于此地，如果没有专人介绍，也是难以理解和体会大学所承载的文化沉淀和历史渊源。建设数字校园，向公众展示大学校园美的内涵和外延，将会吸引更多学子前来学习、研究和交流，甚至吸引公众前来体验大学的神韵，让大学更好地服务于祖国的精神文明建设。

本文以江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统为例，详细介绍建设人文生态特色的虚拟校园的过程和方法。

2 系统总述

江西师范大学瑶湖校区占地总面积共3000亩，总建筑面积约77万平方米，校园内不仅地势复杂有山有水，而且还有诸多人文生态特色的景点，如正大坊、校址纪念碑、鹅湖湾、静湖等校园十六景。对于如此复杂大型的场景进行虚拟仿真建设，使用一般的虚拟仿真方法，将会在场景细节的仿真效果、场景在线的运行效率、场景的人机交互方式等方面面临诸多困难。

江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统从三点出发，针对性的解决以上问题：一从虚拟仿真平台技术出发，选择渲染效率高、在线发布稳定的VRP三维互动仿真平台作为三维渲染引擎；二从场景三维建模优化方面出发，采用一些特殊建模方法，达到效果满意且模型简化的目的；三从人机交互机制出发，利用位置交互式的信息点链接各种集成了多媒体信息的网页文件，尤其包括校园主要景点的360度全景展示，从而高效率地满足场景的交互。

系统将人文生态元素融入，逼真细腻地再现实际校园地理环境的真实情况，集成校容校貌三维漫游展示、虚拟化身漫游、校园智能定位导航、空间量测、学校历史文化介绍、景点360度全景展示和网络共享等多重功能，具有动态性和实时交互性的特点。使用者可以在系统中通过行走，鸟瞰以及选择不同的摄像机视图来多视角观看校园景观，也可以基于空间交互式地获取学校的校史校情等各方面的信息，以达到全方位认识江西师范大学的目的。系统由虚拟校园桌面系统、因特网和用户组成，用户通过Internet 访问江西师范大学虚拟校园服务器，从站点入口进入网络虚拟校园系统，实现漫游和参观查询。下图1详细说明了系统总体技术路线：

3 数据准备

3.1 数据收集获取

通过资料数据的收集，获取校园CAD平面规划图、校园建筑设计及环境景观设计的CAD平面图和立面图、航拍影像图、遥感影像图等地图和空间数据；通过对校园内的复杂地形进行数字测量，获取详细的地形图数据；使用数码相机获取各建筑物的立面实景照片和各园林景观、道路的实景照片等纹理数据；利用360度全景摄影技术获取主要景点的360度全景照片；收集获取文字介绍、语音介绍、图片展示、视频展示等与空间位置相关的各种多媒体类型的属性数据，如校园十景的各种多媒体介绍信息；收集校园体现人文生态特色的各种鸟、蝴蝶、野鸭、天鹅、白鹿、鱼及花草树木等动植物形态特征数据。

3.2 数据预处理

综合获取的地理空间数据，利用ArcGIS软件对校园进行数字化，分成道路、绿地、水系水域、建筑等不同的图层。将测量得到的地形数据以数字化的方式录入ArcGIS软件处理后生成DEM数字高程模型或等高线数据，便于三维地形建模；使用photoshop软件对实拍照片进行处理，使纹理符合模型要求。将收集到的用于属性介绍的各种多媒体信息做好分类处理，并制作成集文字、语音介绍和图片、视频展示为一体的各个网页文件。

4 三维仿真场景构建

4.1 建模软件和驱动平台选择

虚拟现实中用于三维建模的软件有语言类和建模工具类，语言类如OSG、OpenGL、VRML；建模工具类主要有：3DS MAX、AutoCAD、SketchUp、OpenInventor、Pro/Engineer等。语言类的建模软件在建立三维模型方面，由于上手困难、开发周期长、仿真效果不佳等缺点，因此不适合于大规模高仿真场景的三维建模。经过综合考虑，该文运用3DSMAX软件制作校园模型。3DSMAX具有建模功能强大、扩展性好、操作简单、容易上手、和其它相关软件配合流畅等优点。

在驱动平台选择方面，本系统采用VRP三维互动仿真平台作为驱动引擎。VRP是一款三维虚拟现实平台软件。该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。除此之外，VRP三维互动仿真平台还提供了基于脚本方式的二次开发[5]。

4.2 模型建模

虚拟校园系统的主要工作集中在场景模型建模，场景模型的质量好坏直接影响到虚拟校园系统的整体效果。根据模型的不同精细程度及要求，利用3DSMAX软件使用针对性的建模方法对校园内的不同地理实体进行三维建模，包括地形、建筑物等基本地物和具有人文生态特点的特色模型建模。基本地物建模包含地形、水系、主体建筑物、辅助设施等；人文特点的地物建模有如健康小道、桃李鼎、杏岭书院、各种雕塑和标志性景观石头等；生态特点的模型建模包括花草树木模型和鸟、蝴蝶、野鸭、天鹅、白鹿、鱼等动态物模型。

地形建模过程中，主要使用等高线数据导入3DSMAX软件中，利用Terrain工具生成校园的基本地形，细节的地方通过转为编辑网格再做细化，然后再在基本地形的基础上把水系和道路模型建立。

建筑物建模过程中，参考收集的各个建筑物的CAD平面图和立面图，先将建筑的基本形状建成，然后利用处理好的建筑物纹理用3DSMAX材质和贴图工具渲染在模型上。

体现人文生态的模型建模过程中，雕塑和景观石头采用多边形建模方法，再通过细节调节细化，纹理采用uvw展开贴图的方法；树木则用十字面片贴图方法，其中贴图的质量效果要处理得清晰；动态物建模也是采用多边形建模，及纹理采用uvw展开贴图方法来制作，这种建模方法生成的模型具有更为逼真的效果，对于这些动态物还要使用3DSMAX动画工具制作相应的基本动作，如鹅和鸭在水中的游动、鸟和蝴蝶的飞行、鹿的行走和跑动、化身人物的行走等。

4.3 场景集成

三维模型准备完后，并且在模型按照指定的相对地理空间位置定位的前提下，把模型进行烘焙处理后，将模型通过3DSMax插件转换成VRP的导入格式，并导入到VRP三维互动仿真平台中进行集成。同时对模型进行相关参数的设置，如设置水面的特效、混合材质的特效、水边物体的倒影、地形和建筑物的物理碰撞等。从而完成虚拟校园三维场景集成。

5 系统功能设计与开发

VRP三维互动仿真平台拥有强大的界面设计模块、数据库模块和脚本交互模块，利用这些功能模块可进行虚拟校园系统的主要功能开发，具体实现了以下功能。

5.1 虚拟仿真系统基本功能

5.1.1 漫游

漫游是三维虚拟仿真系统最基本的功能。江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统具有三种漫游方式：路径漫游、自由漫游、虚拟化身漫游。路径漫游是基于几个固定的动画路线进行漫游；自由漫游中用户不用创建化身角色直接通过键盘和鼠标等外接设备的操作实现自主的漫游浏览；虚拟化身漫游是用户通过创建化身角色以虚拟化身的身份进入场景进行漫游，在漫游过程中还可实现行走和跑步等不同状态的切换。

5.1.2 导航

导航也是三维系统基本功能之一。使用者在虚拟场景中漫游时大部分关注场景的细节，很难对校园在总体上形成认识，往往一次漫游之后，并不清楚自己在校园里真正行走的路线，因此需要在系统中增加定位导航鸟瞰图的功能。使用者可以通过导航图查看漫游时的位置，同时也可以通过导航图快速定位漫游到想去的地点。

5.1.3 空间量测

虚拟校园系统作为一个三维立体虚拟环境，空间量测功能很有必要，使用者可以任意地量取所需的尺寸信息。空间量测功能包括三大块：距离测量、面积测量和点测量。

5.2 校园主要景点360全景展示

360度全景是通过对专业相机捕捉整个场景的图像信息，使用软件进行图片拼合，并用专门的播放器进行播放，即将平面照及计算机图变为360度全景景观[7]。

360度全景把二维的平面图模拟成真实的三维空间，呈现给观赏者，它同建模和平面图片形式相比，更具真实感，沉浸感强烈，给观赏者带来身临其境的感觉。

系统通过全景发布控件展示校园主要景点的360度全景，从而可以很好的补充和弥补虚拟仿真场景在某些方面表现不够真实的不足，更具真实感。比如人文生态的环境，用虚拟仿真的方式很难表现得非常真实，利用360度全景展示则可以充分的表现人文生态元素，与虚拟仿真场景结合，正好相互补充，虚实结合。

5.3基于空间的属性信息查询

使用者在校园虚拟漫游行走时，可能会对途经的主体建筑物、标志性景点等感兴趣。江西师范大学人文生态虚拟校园系统能对用户关注的三维物体以图片、声音、文字、视频等多媒体形式展示在用户面前，通过点击对象，来查询和浏览相应对象的集文字和声音介绍、图片和视频展示于一体的网页信息。从而，使用者通过基于空间的各种信息的查询，可以全方位的了解学校校史校情等多方面信息。

5.4 网络共享

系统利用VRPIE插件发布成虚拟校园网络版，用户不用配置软件环境，真正足不出户直接通过Internet访问江西师范大学虚拟校园服务器，从站点入口进入虚拟校园，即可实现漫游和参观查询。

6 结束语和展望

随着数字地球、数字城市的不断发展，数字校园正逐渐普及和深入发展，虚拟校园作为数字校园的基础和平台，其建设有着重要的现实意义。该文以江西师范大学人文生态校园为例，提出了以虚拟现实技术和三维仿真技术为核心，综合利用360度全景技术、GIS、多媒体信息和web网络技术，结合学校特有的人文生态元素，建立富有人文生态元素的三维虚拟场景的方法，并设计和实现了江西师范大学人文生态校园在线虚拟仿真系统。结果表明，这种方法建立的大规模虚拟场景在虚拟逼真度、仿真效果、运行效率和人机交互方面具有很好的优势。这一研究将虚拟仿真技术与人文生态理念相结合，为建设数字校园提供新思路，同时可以推广到园林、山河、湿地景观等虚拟现实应用中。

目前，江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统只是完成了数字校园的三维虚拟景观的建设，下一步的工作需要进一步开展数字校园的应用研究，如虚拟课堂、虚拟讲座和虚拟研讨会等，并深入研究校园管理及其他方面的应用，如基于虚拟师大平台、针对特定的需求设计开发学生入学教育、校园规划辅助设计、突发情况下的安全应急演练等。

参考文献：

[1] 龚建华，林珲. 虚拟地理环境——在线虚拟现实的地理学透视[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 刘晓艳，林珲，张宏. 虚拟城市建设原理与方法[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 龚建华，林珲，谭倩. 虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验[J].测绘学报，2002，31（1）：39-43.

[4] 刘晓艳，阁国年，张宏，等. 南京师范大学虚拟新校区设计与建设[J].南京师大学报：自然科学版，2001，24（1）：114-118.

[5] 陈勇，马纯永，白生祥，陈戈，等. 基于VRPsdk的虚拟海大校园导航系统[J].中国海洋大学学报，2007，37（3）：481-484.

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

[7] 百度百科. 360度全景 [EB/OL]. 2011. http：//baike.baidu.com/view/2131542.htm.