基于虚拟现实技术的校园漫游系统设计与实现

唐翠芳

摘要：随着计算机及网络技术的发展，虚拟现实技术已成功应用到高校、工程设计、医学等各行各业。对基于虚拟现实技术的数字校园漫游系统的设计与实现做出了系统的分析，重点论述了数字校园、视景的漫游以及系统的设计与实现，具体探讨技术视线碰撞检测的方法。这不仅对学校的资源管理具有重要的指导意义，同时也对学校的宣传以及日后的发展带来深远的影响。

关键词：虚拟现实；校园漫游；设计；实现；分析

中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（B）-00

虚拟现实技术也被称为灵境技术。这项技术主要是综合了计算机图形学、计算机仿真技术以及人工智能等多种高科技的最新研究成果，使人与计算机能够很好的融为一体，并且能够给人予一种身临其境的感觉。本文从不同方面对虚拟校园相关技术进行了系统的分析。

1.数字校园相关技术分析

数字校园即是指数字信息化的校园，主要以计算机网络和通讯为核心技术，以信息的获取与知识的共享为重要手段，是网络化、数字化、智能化有机结合的新型的、开放式的教育环境。数字化校园主要包括校园的设施数字化、校园的漫游智能化以及可视化等方面的内容，同时也能够对过去进行反演，从而对现实进行决策以及对以后做出有效的预测。

1.1三维场景的建模原理分析

三维场景建模是虚拟校园漫游系统的主要构成部分，而一个虚拟的环境是否逼真则主要来自其视景生产系统的质量，它将直接影响仿真的效果和相似度，同时也是直接影响虚拟现实系统沉浸感的一个重要因素。

1.2建模工具软件的分析

Multigen Creator是一个系列软件，主要为开发的一个实时建模以及图形数库的生产工具，具有强大的多边形建模和矢量建模等功能，提供了多种专业选项及插件，能够较为方便的进行实体模型的建立以及管理工作。

Vega主要是为应用在实时视景仿真以及声音仿真等领域的世界上较为先进的软件环境平台，对于复杂的应用，能够提供便捷的创建、编辑和驱动工具。且性能稳定易用，支持多种数据调入，能提供高效的CAD数据转换。

1.3三维建模相关技术分析

针对三维模型来说，主要是涉及到的数据包括了数字化的地图数据以及三维模型尺寸数据等，同时也包括了建筑图纸以及全校航拍图来获得数字化的地形图数据。

三维建模最主要的四个环节是：首先，创建物体的层次结构。这是由于具有层次结构的文件比无层次结构的文件执行效率高。具体可将物体和相关的实体进行组合形成物体组和相关组，在此基础之上嵌套建立起物体的层次结构。其次，对模型进行优化。尽量减少多边形的数量是可视化仿真建模的基本原则之一。最理想的效果就是用最少的多边形来表达视角上很真实的模型。第三，植物建模。根据校园内各种植物在所选取的视野范围内的地理位置、生长密度等特征，可分别采用十字交叉或多十字交叉模型。第四，合理运用实例。当数字校园的场景中相同的某个实际物体比较多时，可通过引用同一个实例的方法来解决相同几何体的模型问题从而降低模型数据的存贮空间。

2.视景的漫游分析

2.1人机交互的控制分析

在虚拟三维世界之中，漫游的过程主要是人和计算机的交互过程，因此为了能够满足不同漫游方式的需要，系统设计漫游引擎的过程中可以设置成为手动漫游以及自动漫游。

针对于手动漫游来说，能够随时随地的控制漫游过程中的速度以及方向和视角，根据任意的视角来观察建筑物的内部结构以及设施。相对于手动漫游来说，自动漫游需要为一个预先确定下来的路径创建关键点，之后则是通过观察者应用一个导航器来穿过路径进行自动的对运动做出控制。

2.2 视线的碰撞检测方法分析

漫游人员在进行漫游的过程中将会和地形以及障碍物出现一定的碰撞，Vega虽然能够对地面碰撞检测做出相应的定义，但是针对于定义的运动模型根本无法能够起到实际性的作用，因此，本研究采用技术视线碰撞检测的方法来进行检测。

针对这种方法来说，主要是空间直线以及空间多边形的求交问题，并且核算的方法也能够得到两个方面的结果：第一是漫游的过程中地形以及障碍物所进行的碰撞检测；第二则是虚拟的实体选择以及虚拟场景环境之中的绝对坐标系如下图1所表示。

作为起点，并且沿着观察坐标系Y轴向着正向进行射线，同时也可以给根据空间直线的方程式来对其进行描述。

L：X=Rt+E（t≥0）

在公式之中，X（x，y，z）主要是为视线上任意点，然而R（xr.yr.zr）则是为射线的方向。然而E（xe，ye，ze）所表示的便是视点射线上起点，t主要是为X点距离视线的距离。在空间平面P的防尘以及其法向量主要是为以下公式所述。

Ax+By+Cz+D=0

N（A，B，C）主要是为容易求得出来的摄像以及平面的焦点和视点到点之间的距离。

N1·N2=N1x·N2x+N1y·N2y+N1z·N2z， N·（Rt+E）+D=0，

t0=-（N·E+D）/（N·R），（N·R≠0）。

在公式之中，要是射线L和平面P所平行，那么则不存在着焦点，不然射线L以及平面P则是相交的，焦点主要是为X0=Rt0+E，其视点到交点的距离主要是为t0。

虚拟的实体选择是可以得出进一步的求解，然而在对实体进行选择的过程中，通常情况下不知道视线应该和那个多边形进行交汇，要是每一次都会对整个场景之中所有的表面多边形全部都是经历了一遍，那么将会出现比较大的运算量，从而到导致出现一些不必要的浪费。所以，在现实基于视线的碰撞检测过程中，必须要考虑到球形包围盒以及长方体包围盒的快速求交方法能够实现虚拟体的选择。

3.系统的设计以及实现分析

漫游引擎主要是一组三维场景漫游的核心程序所在，并且负责实现输入映射以及试点的控制以及虚拟场景调度管理等系统漫游的功能。在数字校园漫游引擎之中，多数系统能够在主页定义一些可选项，能够给漫游都提供一打开或者关闭的功能设置，从而使“游客”在数字校园之中能够观赏到不同时段（不同季节）的校园景色，同时也能够采用任意的视角和路线在校园之中自由穿行。

基于上述主要系统分析，通过建立起基于多为信息空间的和谐人机环境，被认为是信息技术创新发展过程中的主要目标，并且虚拟现实技术也是支撑多为信息空间的关键因素所在，通过应用虚拟现实技术来进行数字城市的虚拟建设以及虚拟装修等进行展示，能够更好的为相关领域上面的技术进行创新，从而取得一个良好的效果。

参考文献

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[2]杨曼，阮秋琦.基于MultiGen的虚拟场景真实感研究[J].计算机技术与发展，2008.18（9）：177-179

[3]马萍.三维虚拟校园立体场景的设计与实现[D].济南：山东师范大学，2013：12-15