虚拟现实技术在虚拟校园漫游系统中的应用研究

韩国新

摘要：VR（Virtual Reality，虚拟现实）科技在教育中的应用——建立虚拟校园，是为了让未进入校园的人们能够置身在一个计算机模拟、虚拟的三维空间中，通过图像、声音、味觉等模拟现实的体验，通过动态交互等，让体验者如同真的置身于校园中，达到身临其境的效果。该文以某学校校园为研究对象，利用校园内的航空影像、地图照片数据、实测数据以及区内建筑物的影像信息，在MultiGen Creator/Vega软件平台上建立整个校园的虚拟场景，结合数据库系统的构建，实现虚拟校园系统设计。

关键词：虚拟化；校园系统；模拟；设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0233-04

1构建虚拟校园系统的意义

虚拟校园是虚拟现实技术在教育领域的一个重要应用，随着计算机仿真技术、虚拟现实技术、图形图像学的发展、人类想利用计算机拓展视觉、听觉、嗅觉等感知的兴趣愈加浓厚，开始探索模拟环境下人类实际体验的交互技术问题。近些年来，计算机科技的快速进步，学校数字化建设也应运产生，虚拟校园成为数字化校园建设的重要组成。虚拟校园本身就是一个信息系统，具有沉浸感以及交互性两个非常重要的特征。虚拟校园能够通过对校园环境的虚拟化、全景化展示，更好地呈现学校人文环境，让教师、家长、学生足不出户，就可以全面了解学校，方便进行日常教学与生活。虚拟校园的另一个作用是，校园经过数字化和虚拟化后，可以成为数字校园建设的基础，在这个虚拟的数字空间里，管理者可以对校园规划、优化管理、学校发展等通过网络积极提出整改意见，可以更高效的为发展教育做出更大贡献。

2 虚拟校园系统模型分析与设计

2.1虚拟校园系统设计的目标

虚拟校园系统需实现以下目标：

1）具有良好的交互界面，可以为用户提供身临其境的感觉，用户能够方便地对系统进行各种交互操作。

2）系统界面简单化，能够让计算机操作水平很低的人进行操作，具有简易性和普遍性的特点。

3）系统中的模型与现实景观达到尽量高度贴切。

4）为适应校园建设的变化，系统具备建筑模型的增删功能。

5）对虚拟环境中的模型可以进行参数的修改，如大小、位置、方向等属性。

6）具备良好的漫游功能，用户能够在虚拟环境中任意角度和方向进行浏览。包括自动漫游和场景定位等功能。

7）具有较好的可移植性和扩展性，能够运行在多种操作系统平台。

2.2虚拟校园模型建立

项目组以某学校虚拟化和信息化为目标，通过3D虚拟场景创建软件建立校园虚拟模型和三维模型库。整个系统模型采用针对局部物体的建模，最后用合成的方法构建整个模型。以下是虚拟校园的整体工艺流程图。如图1所示。

2.3虚拟校园数据信息获取

要建立一个形象逼真的3D虚拟校园首先需要获取数据，数据主要包括地形数据和地物数据两类。获取地形数据主要通过数字摄影，利用图像匹配可以自动生成模型数据，并转换成DED格式。校园建筑的信息采集来源于校园建筑图纸数据和飞机遙感测绘数据。利用软件Auto CAD提取二维场景数据信息，在系统内准确显示采集结果，完成对校园建筑三维建模与定位。校园信息需要采集，采集的数据直接关系到建筑物各类信息的准确性，诸如长、宽、高、深等信息。根据对象在场景中的表现不同，我们在校园里，将纹理信息分为动态和静态两类信息。针对静态纹理信息，我们采用照相的方式；针对动态纹理信息，我们采用模拟或者用静态纹理代替的原则，加快开发进度。

2.4数据预处理

虚拟校园数据预处理主要包括两个方面的预处理：

2.4.1 AutoCAD文件的预处理

虚拟校园二维信息一半都存储在校园的AutoCAD文件里，通过经验得知，直接将校园AutoCAD文件导入到Creator中，由于数据量大，会花费很长时间。

2.4.2 纹理预处理

纹理处理的好坏影响虚拟校园系统的实现。采集的数据直接关系到建筑物信息的准确性，纹理处理需要一个精细的过程，捕获的图像与现实会略有不同，因为照片会因为天气、投影、障碍物等方面的原因与我们已经生成的纹理是不完全相同的。

图 2和图 3 分别是计算机学院南墙的原始照片和处理后的墙面纹理效果。

纹理加工是通过专业软件完成的，本文采用Photoshop图形处理软件对之前所拍摄的纹理照片进行纹理处理，处理内容包括亮度、对比度和倾斜角度的微调，其中注意的一点是，从照片中提取的纹理，要保证纹理的大小是2的N次幂。

2.5虚拟校园模型的层级结构

校园场景层次规划如4所示，校园场景层次规划，分为天空，地貌特征，景观环境，教学区等四类。

2.6场景构建过程

2.6.1 地形建模过程

根据实际地形，构建虚拟校园地形，地形在虚拟校园中是整个场景的基础，红色代表建筑，绿色植被等等，我们可以在这个基础上进行更深层次设计。在具体采集地形数据时，我们采用卫星图获得校园地形图，再结合实际测量，就可以准确获得道路、建筑物等的具体信息，在Creator软件中只需要把校园卫星地图作为参考背景，就可以构建学校的平面分布图。虚拟校园卫星地图如图5所示，虚拟校园平面分布图如图6所示。

2.6.2 道路建模实现

虚拟建筑模型通过使用Multigen Creator软件完成，为方便建模，Creator将设计文件打开，利用中心工具，使参观者位于网格的中心点。Creator软件本身提供了强大的道路建模功能模块，设计者直接调用External Reference外部参考就可以轻松定义道路分界线、路肩、路灯、绿化带等，可以轻松设计道路的各种交叉、坡度、道路类型，道路的转弯半径，不同类型道路的纹理设计等。

2.6.3 建筑物建模

在校园里，建筑物是主要的模型物体。就本研究对象来说，建筑物相对不具有复杂的造型，数量少，外形基本上是较规则的形状，绝大多数建筑物是箱体式的建筑风格，因此本文讨论的建筑物模式基本上就采用这种箱体模式。在Creator软件中导入校园DXF数据作为基准数据，首先把建筑物位置做准确的定位，使用Face中的Polygon命令作为校园建筑物的地基面；以建筑物高度作为标准，利用Geometry工具设计校园建筑物的基本造型，构建建筑物虚拟模型[5]。

下面以19号宿舍为例，详细介绍建筑物建模的过程。首先，需要前期准备好宿舍楼的影像和尺寸、方位信息数据。然后再Creator中创建一个基础的几何模型，还要对各处细节做处理，尽量使用最少的面创建模型，后期再增加纹理信息，增强逼真感。图7所示是19号宿舍的几何模型。

在构建初步的几何模型后，要进行模型优化。Creator软件建立起来的三维几何模型实际上由很多数量的多边形组成，结构一旦很复杂，多边形的数量就非常庞大，这就对计算机性能提出了很大挑战，因此在能够保证模型逼真感前提下，一定要对Creator几何模型进行优化处理，尽可能减少三维几何模型的顶点和多边形数目，主要通过删除不可见多边形或者合并多边形实现。优化后的19号宿舍楼模型如图8所示，表1中的数据为优化前后几何模型多边形数量的变化。

2.6.4树的建模

在场景中使用绿色植被，场景视觉效果会更好、更接近自然。因此建模的重点研究内容还包括树建模方法。因为树是不规则的形状，与普通的建筑物一样，仍然可以使用几何表示。首先创建植物几何模型，然后添加纹理就可以形成植物模型。树的纹理如图12所示。

图12 树的正常纹理和黑白纹理

大量的植物模型，可以通过复制的方式快速生成。对于几何模型大致相同，位置或者朝向不同的模型，可以采用实例的方式大量生成。

3模型优化及实现

虚拟场景建模模型应和相应的实体尽可能一致，影响系统性能的主要原因是视觉图像的高质量和高效率的图形的绘制。

3.1模型优化

考虑到图形加速器的运行性能，我们应该尽量减少多边形数量，否则，大量图形计算将导致系统不够流畅。Creator提供各种技术可以帮助用户减少多边形数量，图形加速卡自身硬件的性能具有局限性，单位时间处理多边形的数量具有临界点，如果系统负载模型太多，除了刪除不必要的多边形外，如果对象背面是不可见时，删除背面多边形。

3.1.1删除背面多边形消除影响

Creator软件可以自动消除背部多边形，这样就只有前表面被展示出来。消除背面的多边形可能无法提高图形系统的运行效率，但它是提高绘图速度的方法。

3.1.2可以删除非必要的多边形

在Creator软件中，可使用Virtue3D VSimplify多边形智能减少插件工具删除非必要的多边形。该插件安装在Creator插件目录中，可以在LOD菜单中找到。

3.1.3利用纹理代替多边形

纹理有时候可以替代多边形的效果，在给定数量的多边形前提下，设计者可以通过使用纹理映射代替多边形建模，改善现有模型，提高逼真度。如果物体每个表面相应的纹理映射，从远处看，就像增加许多细节，能够让画面更清晰、更逼真。

3.2场景的整合

各个模型完成构建并优化后，就可以进行场景的整合，形成完整的虚拟校园。在Creator/Vega中，把一个个独立模型合并成完成的虚拟校园如图13所示。

作为虚拟现实技术的典型应用，虚拟校园以开放平台的形式，将为学校教学、科研、管理等各项教育事业提供基础平台环境，根据学校校园的基本需求，自主设计了虚拟校园系统的系统功能结构，通过建模构建虚拟校园建筑、道路等实物，在Multigen Creator Vega以及数据库基础上设计出了虚拟校园系统，希望对更好地构建虚拟校园系统能起到一定的参考借鉴作用。

参考文献：

[1] 张力平.移动虚拟现实正在成为现实[J].电信快报，2016（9）.

[2] 黎明.虚拟现实VR（Virtrual Reality）现状和前景[J].艺术科技，2016（9）.

[3] 吴昊.VR/AR技术将突破人类的心理感知带来极致影像真实感体验[J].新闻研究导刊， 2016（19）.

[4] 万彬彬.试论虚拟现实（VR）技术对纪录片发展的影响[J].现代传播：中国传媒大学学报，2016（10）.

[5] 张更路，袁洪锐，张胜发.基于地图技术的虚拟校园技术分析[J].教育教学论坛， 2013（14）.