基于VR技术的三维校园漫游系统的设计与实现

邓小霞　郑梦莹　陈　丁



基于VR技术的三维校园漫游系统的设计与实现

邓小霞郑梦莹陈丁

（湖南科技学院 传媒学院，湖南 永州 425199）

VR技术采用电脑模拟产生一个三维的虚拟空间，用户与之交互，可得到视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，获得身临其境之感。三维虚拟漫游系统，因其独特的沉浸感、互动性和实时性等优点，在信息社会的今天快速发展。本文以湖南科技学院校园环境为虚拟空间,通过收集数据、建立三维模型、碰撞检测和系统交互设计等方法解决三维虚拟校园漫游系统的开发难题，最终设计出三维校园漫游系统在网上发布，让浏览者足不出户便能领略学校风光，为数字校园建设提供一个良好平台。

VR技术；三维漫游系统；碰撞检测；交互设计

1　引　言

虚拟现实也称为灵境技术，简称为VR，是借助于计算机技术辅助生成的一种动态仿真系统。随着计算机图形学、计算机仿真、人工智能和网络并行处理技术等多种技术的迅猛发展，虚拟现实技术应运而生，并在军事、医疗、地质、制造、娱乐、地理信息系统等行业呈迅猛发展的趋势。虚拟漫游在虚拟现实技术的应用中起到了“画龙点睛”的作用，实现了三维景观的虚拟化，增强了交互性。

21世纪科技的发展伴随着数字化、信息化的特点，随着高新技术的进一步发展，学校管理也日趋数字化、智能化与现代化。利用虚拟现实技术打造的三维数字化校园可以对校园信息进行压缩合成，在一个虚拟平台上实现校园可视化观光、游览。同时给访问者开拓了一个三维可视化、充满趣味性的信息公开与搜索平台。为高校提升现代化管理水平和效率，实现信息和资源共享，树立学校品牌形象，扩大学校影响力提供了契机。本研究基于虚拟漫游、三维建模及相关技术，以及先进的交互技术，借助VRML建模语言，搭建湖南科技学院基于虚拟现实技术的校园漫游系统。

2　虚拟现实的相关技术

VRML：可用来搭建现实世界的场景模型，也可用于虚拟世界的三维建模。它对于不同平台都能良好兼容，是ISO国际标准的网上虚拟现实语言。使用它可以监控人的操作行为，并随之产生对应变化。作为一种具有解释功能的三维建模语言，VRML具有面向对象，面向web的特点。它加强了WWW的交互性，使之更丰富。在VRML中，对象被称为结点，复杂的物体便是由子结点簇拥而成。结点可以借助实例被多次使用，将之命名，定义后，便能参与动态三维虚拟场景的构建过程。

OpenGL：作为一个无关乎硬件的程序接口，它可以在多个平台间进行移植。通过一些转换程序，便捷地将3DS、DXF等模型文件转换成OpenGL的顶点数组。OpenGL图形库提供基于基本元素的绘制函数以及复杂三维物体、复杂曲线和曲面的绘制函数，变换方式含基本变换以及投影变换。这样的变换使得运算时间锐减，3D图像的显示速度加快。OpenGL功能十分强大，调用起来也很方便。

借助第三方软件搭建三维模型，如Viewpoint、QuickTimeVR等。

Viewpoint：Viewpoint为全球各行各业提供最丰富的3D模型资源。在Viewpoint场景中，合理设置三维对象的灯光、材质、阴影等参数，可使三维对象更加逼真。凭借特有的压缩技术和流式播放方式、良好的互动性，Viewpoint在虚拟现实技术的应用中占有重要地位。

QuickTime VR：提供了一种以图像为基础的场景建模与交互手段。包括全景节点和物体节点。同时，它支持十分简便的编辑功能，只需控制鼠标拖、按、放等操作，用户便可以迅速搭建虚拟场景。

LOD技术：动态特性与交互延迟影响用户对虚拟环境的沉浸感，其中图形的生成速度是重要指标。在保证真实的画面效果的前提下，我们可利用LOD技术逐次简化景物的表面细节，仿照每个原始模型创建多个不同接近精度的几何模型，以降低虚拟场景的几何复杂性，提高模型塑造的效率。在运用此项技术时，恰当地选择细节层次模型，能提高系统的渲染速率同时保证模型的精细度。

3　虚拟校园三维模型的建立

3.1 三维场景建模原理

虚拟现实系统的三维场景建模是一项地基工程，场景生成系统的真实度对虚拟现实系统的交互性好坏有着决定性的影响。在研究中，我们通过三维建模构造场景数据库，再结合漫游技术构建整个虚拟现实系统。整个校园环境的建模是个大工程，在建模时可以先对建筑物进行单独建模，然后将模型放到虚拟环境的对应坐标，从而合成整个场景系统。使用了以下两种场景建模方法：

（1）用VRML编辑器VRML pad直接建模，借助VRML pad工具利用编辑好的程序制作模型。

（2）利用3DS MAX软件进行建模，制作出具有逼真效果，占用空间小的三维模型，为达到开发的最佳性能和效果，在实际的建模过程中，我们结合以上两种方法的优点进行建模。

虚拟环境的建模是虚拟漫游系统开发过程的基础环节，建模前首先要进行总体分析，了解建模对象的物理属性、运动趋势、对象间的逻辑连接等，合理分配硬件资源，为后面的环节做准备。

3.2 数据收集阶段

数据收集环节需要调动人力、物力，研究团队应认真观察学校建筑群的特点，借助测量，相机拍摄等手段了解建筑物的实际属性，根据建设过程中对于不同场景的不同要求，处理好图片，整理好数据并选择相应数据和图片资源。贴图内容主要包括楼宇、林地、道路、公共设施等。数据收集资料分为两类：

（1）图纸资料：向有关部门索要校园的图纸资料。例如学校地形图、航拍照片、建筑景观及校园工程制图等资料。

（2）贴图资料：含透明贴图和不透明贴图。制作透明贴图时，可将原始图导入图形处理软件如Photoshop中，进行精细化加工后制得。不透明贴图可通过前期拍摄、扫描，再用Photoshop软件进行加工处理，存储起来作为模型纹理库后期调用。

3.3 三维实体建模环节

（1）校园建筑物建模。以建筑物的基本结构为对象，用基本几何体搭建出建筑物的框架。进一步完善，制作出符合实际情况的建筑物的墙体及门窗等，最后完成整个建筑物的模型搭建，整个建筑模型制作力图线条简约流畅。

在对建筑物模型进行设计时，对于结构简单、外形规则的建筑物采用贴图法建模。而对于造型复杂、外形多样化的建筑物，如训练房、医务室、图书馆，则使用3DMAX中的布尔交、并、补运算等多种方式进行建模。这时，还应对建筑物进行多方位拍摄，然后导入图形处理软件中处理，制作不规则贴图。

（2）花草树木建模。实体建模虽然真实有效，但同时造成文件体积大，浏览速度减慢。对于频繁出现在场景中物体、建筑物，采用公告板节点法来建模。公告板节点可使其内部的子节点永远正对用户，使得树木建模过程中平面贴图立体化显示。运用此方法塑造的树木，看起来十分真实，这样既减小了文件又不影响场景的真实度。但是这种方法在用户非平视视角进行观测时，会有失真现象。

（3）模型的优化与检查。总体上模型面数的优化可以按照这几种方式：模型分段的优化、不重要部分的优化、视图范围外的优化、柱子、门窗、围栏的优化、其它地方的综合优化。首先，因为模型对精度要求不高，设计者总是力图用最少的面来将模型结构精细化，再综合考虑计算机的运行速率，应尽可能地保证多边形面不超过四边面。其次，为保证多边形面的产生率低并使模型更加和谐精细，在处理图片时，将低模进行细致刻画，使细节部分浮现出来，然后将模型同一位置的精模图纹渲染出图片，之后烘培贴附在同一处的低模上，巧妙地呈现良好的视觉效果。最后，合理切割细化建筑模型的边缘，虚化建筑模型边缘线，使模型更加逼真。

4　碰撞检测

复杂虚拟场景中物体的属性多样化，存在状态也多样化，物体间极易发生碰撞，产生穿透现象。为了避免物体间的碰撞对虚拟环境的逼真度和用户的沉浸感造成恶劣影响，本研究采用以下两种方法来解决碰撞问题：一是减少碰撞检测的物体对数目；二是提高碰撞算法的效率。

在VR环境中，碰撞检测的通用算法主要有空间分解法及层次包围盒法。层次包围盒法可用于粗略估计几何物体之间是否发生了碰撞，这种方法通过自顶向下的方式构造包围盒树，可用来进行快速碰撞检测。空间分解法是将虚拟场景分割成等体积的空间，进行碰撞检测时只对相同空间或相邻空间中的几何物体进行测试。这样的检测方法大大提高了检测效率，对于检测稀疏场景中整体分布均匀的几何物体非常便利。

离散方向多面体（k-Dop）检测法是层次包围盒算法中的一种经典算法，它的核心思想是各层次包围盒应最大程度地包裹其中的景物，根据景物的真实形态选择多对不同方向的平行平面对对景物进行层次包围。k-DOP算法采用平行平面对来包围物体，通过合理选择k的取值和平行平面对的方向，k-DOP可提高包围物体的紧密性，简易高效地进行碰撞检测。

5　交互系统的设计

通过人机交互，虚拟漫游系统的高沉浸感得以实现。故交互系统的设计是整个基于虚拟现实技术的校园三维漫游系统设计与实现的核心环节。要实现好的交互，就要搭建好虚拟现实场景系统，关注漫游场景运行时的焦点变化，用户视线方向等的转变。

VRML建模语言为用户提供了与虚拟漫游系统进行良好交互的功能。VRML是一种基于C/S模式的访问方式，用户联网下载待访问的文件,并经由本机平台上的VRML浏览器访问该文件，便可畅游于事先设定好的虚拟世界。VRML 文件的基本单元是由域和事件组成的节点。源节点发送出事件，经过事件传递通路传递到目标结点，目标结点再通过接收事件，并作出相应改变，如此一来，通过构成事件体系的基本元素——路由联系起来的结点就形成了事件体系。事件体系将事件串联起来，“牵一发而动全身”，虚拟空间便能及时对用户的输入操作作出反映并产生对应的场景转化，实现简单的交互功能。

虚拟校园可视化的实现，使得用户能通过一个固定平台对校园信息进行实时化管理，获取校园热点信息。利用VRML语言，并通过连接数据库，用户能实现地理信息查询功能，最终建立包括场景切换，仿真模拟，三维漫游等技术在内的模拟环境。最后，在网上发布虚拟校园系统，并链接到校园网，为学校提供一个在线浏览校园风光的平台。

6　结束语

在研究过程中，我们以三维建模技术和仿真漫游技术为根基，尽力采用最简单的建模方式打造最逼真的三维场景，并能实现精准、快速、逼真的漫游效果。本研究所建立的校园漫游系统可通过鼠标键盘控制漫游路径，进行视点变换，具有一定的实用性，为校园宣传提供了一个形象新奇的可视化人机交互平台，也为数字校园的建设开拓了一个全新的研究领域，积累了实践经验。

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[4]曲巨宝,基于VRML的三维虚拟校园漫游系统研究[J].现代计算机,2007,(7):99-101.

[5]江辉仙,数字校园三维仿真系统设计与应用[J].福建师范大学学报,2008,(4):86-90.

（责任编校：何俊华）

2016－03－20

2015年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（项目编号2015269471）；湖南省2013年普通高校教学改革研究项目（项目编号2013223434）；2012年湖南省教育科学研究基地“湖南省教育科学信息技术教育研究基地”（湘教科研通[2012]32号）。

邓小霞（1984－）男，湖南永州人，讲师，研究方向为计算机辅助教育。

TP39

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1673-2219（2016）05-0100-03