三维虚拟校园漫游系统中的角色建模与行为控制

高猛

关键词： 虚拟校园; 漫游系统; 角色建模; 行为控制; 碰撞检测; 信息化建设

中图分类号： TN915.5?34; TP391                 文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）14?0104?04

Role modeling and behavior control in 3D virtual campus roaming system

GAO Meng

（Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： At present， the main content of informatization construction in colleges and universities is to build digital campus， and the comprehensive software and hardware strength of colleges and universities is mainly reflected in the construction and development of the 3D virtual campus roaming system. The processes of role modeling and behavior control in the 3D virtual campus roaming system are researched in this paper， so as to create a better 3D virtual campus roaming system. The 3D modelling method based on the digital photogrammetry technology is adopted to construct a single 3D?role building model. Multiple single building models are combined and adjusted with the environmental element and other elements added， so as to obtain an overall virtual campus role model. The role behavior control is realized by means of interactive roaming， role information prompt and collision detection. The experimental results show that the role model built using the method proposed in this paper has many textures， high clarity， fast running speed， and the average collision detection time of less than 19.8 ms， which can provide a clear and smooth visual 3D virtual campus roaming platform for browsers.

Keywords： virtual campus; roaming system; role modeling; behavior control; collision detection; informatization construction

虚拟现实技术是一种体验虚拟世界的计算机仿真系统，将计算机技术、仿真技术、微电子技术结合在一起，通过计算机创造虚拟环境，通过调动浏览者多种感官，使浏览者产生身临其境的感觉，促使浏览者与虚拟世界产生交互作用[1]。虚拟现实世界衍生出的重要分支是虚拟场景漫游技术，它集成虚拟现实技术交互性、沉浸性，对建立虚拟漫游场景有一定的意义[2?3]，应用在建筑设计、游戏、航天等多个领域。将虚拟场景漫游技术应用在三维虚拟校园漫游系统中，能呈现出较为真实的三维虚拟校园环境[4]，通过网络进行远程访问，在多个方面发挥重要的作用，如规划校园环境建设、对外宣传学校、管理教学资源等方面[5]。本文研究三维虚拟校园漫游系统中角色模型的建立和行为控制过程，为进一步建设和管理校园提供可靠的可视化平台。

1  角色建模与行为控制方法

1.1  角色建模

三维虚拟校园漫游系统最为关键的部分是构建角色模型，建立角色模型分为单独建模和合拼两个部分。以建筑角色建模为例，建立三维虚拟校园漫游系统建筑模型时，采用基于数字摄影测量技术的三维建模方法，构建单一建筑三维角色模型，并对建筑物三维模型的表面进行贴图处理，不断调整贴图位置，直到达到系统要求，此时完成单一建筑物建模。将校园中不同建筑物依次进行单一建模处理，得到校园主要建筑物虚拟三维模型，将所有单一建筑物三维模型进行合拼处理，在合拼过程中，加入环境要素和其他要素[6]。总体三维虚拟校园漫游系统角色模型建立流程如图1所示。

1.2  行为控制方法

1.2.1  系统交互漫游

三维虚拟校园漫游系统漫游时通过导航节点和视点节点控制行为，实现交互，根据导航节点设置浏览速度和浏览方式。在浏览者浏览虚拟校园时，通过视点节点控制位置和朝向，浏览者通过外部设备，如鼠标、键盘等，实现和虚拟校园漫游系统交互行为[7]。系统交互功能见图2。

浏览者与虚拟校园漫游系统交互体现在切换视点和视角，通过交互感应器节点、Script节点，实现浏览者与虚拟校园漫游系统交互。在实现浏览者与虚拟校园漫游系统交互过程中，如果浏览者站立角度发生改变，应重新绘制虚拟校园漫游系统场景，通过改变场景中三维物体或者变换视点[8]，调整交互场景画面。通过视点改变场景画面，需要改变眼睛位置，对参考矢量进行矩阵变换，将原点当作观察点，映射目标点到对应z轴上。对眼睛位置参考矢量进行矩阵投影时，场景被映射到相关视区中心，向上矢量被映射到y轴上。

1.2.2  角色信息提示功能

角色在三维虚拟校园漫游过程中，三维虚拟校园漫游系统提供文档帮助，通过文档帮助，浏览者能了解使用漫游引擎方法和不同功能相对应键盘按键[8]。当角色在三维虚拟校园漫游时，若想了解某一建筑物基本信息，单击建筑物，会出现文字介绍或语音介绍，让浏览者更详细了解校园，对校园有更形象的认识，提高了三维虚拟校园漫游系统交互性能[9]。

1.2.3  摄像机设置

摄像机使三维虚拟校园漫游得以实现，摄像机控制浏览者视野范围，摄像机位置代表浏览者观看校园环境角度。在三维虚拟校园漫游时，摄像机根据追踪角色方式追随摄像，且摄像机与角色间保持着一定距离，摄像机追踪人物角色时，要注意避免摄像机穿过虚拟建筑物，防止给浏览者带来不真实感，即在三维虚拟校园漫游时，应进行碰撞检测。

1.2.4  碰撞检测

三维虚拟校园漫游的重要环节是碰撞检测，通过碰撞检测增强虚拟校园真实感[10]。当角色在三维虚拟校园漫游时，应该对角色、建筑物等一系列障碍物进行碰撞检测，避免出现角色从障碍物穿过的现象。同时还要考虑角色在地面行走的姿态，角色行走姿态应随着地形变化发生改变，即要对角色行走进行碰撞检测。具体碰撞检测过程如图3所示。

先创立一个交集访问器，以线段A，B为例，将A，B添加到交集访问器中，遍历场景层次，若线段A不为空，线段B为空，那么浏览者漫游视点继续向前，前面没有障碍物，变换视点位置;反之，线段A为空，线段B不为空，这时浏览者视点应该停止向前，防止出现穿过障碍物的现象。

2  实验分析

2.1  系统整体漫游效果分析

實验检验采用本文角色建模以及行为控制方法后，在某大学三维虚拟校园漫游效果检验过程中，应在漫游系统中创立相机动画，即在虚拟校园场景中设置3个相机，包括行走相机、旋转相机和飞行相机，实现浏览者自由漫游、绕点漫游和空中鸟瞰整个虚拟校园，从而对整个三维虚拟校园漫游系统进行检测。得到的三维虚拟校园全景图如图4所示。采用本文方法进行角色建模和行为控制后的实验三维虚拟校园漫游系统整体漫游效果较好，清晰度和分辨率较高，场景纹理、比例大小较符合实际，带给浏览者身临其境的感觉。

2.2  建模效果分析

实验为了分析本文方法构建三维虚拟角色建模效果，采用基于SketchUp的三维角色建模方法作为对比，对比分析两种方法在构建实验三维虚拟校园漫游系统中角色三维模型的纹理数和帧速，结果如表1所示。

从表1可以看出，本文方法建立角色模型纹理数相对于对比方法建立角色模型纹理数多，至少相差1 MB，最多相差16.37 MB，即采用本文方法建立三维虚拟校园漫游系统角色模型清晰度更高;对于相同角色模型，本文方法运行帧速与对比方法运行帧速最小相差4 f/s，最多相差8 f/s，即本文方法建立角色模型运行帧速较高，说明本文方法建立角色模型进行行为控制后，三维虚拟校园漫游系统画质更好，且角色动作十分流畅。

2.3  碰撞检测

很多运动和静止的角色模型存在于三维虚拟校园漫游系统中，浏览者的交互和三维虚拟校园中角色的运动，导致角色与虚拟建筑之间相互碰撞。为了避免碰撞现象发生，维持虚拟环境真实感，应实时检测三维虚拟校园漫游系统中的碰撞现象，及时更新绘制，以防产生不真实效果，致使浏览者体验效果差。以实验三维虚拟校园漫游中角色与台阶的碰撞为例，对比分析碰撞检测前后角色的运动状态，检验本文方法的碰撞检测效果，结果见图5。同时将本文碰撞检测方法与基于碰撞方向凸包碰撞检测方法进行对比，结果见图6。

进行碰撞检测前，三维角色模型只能向前平移前进，无法辨识台阶高度，会出现脚陷入台阶状态，给浏览者带来不真实的感觉。采用本文方法控制实验校园漫游系统中的三维角色进行碰撞检测，发现当有障碍物出现在前面时，三维角色模型会自动对其进行分析，判断路径的可行性，从而改变行走路径，绕过障碍物，避免出现物体间相互碰撞的现象。

图6描述的两种碰撞检测方法对比结果表明，本文碰撞检测方法平均碰撞检测时间较短，始终低于19.8 ms，且平均碰撞检测时间随三角形重叠数目变化不大，即本文碰撞检测方法较为稳定，具有碰撞检测效率高的优势;而对比检测方法随三角形数目的增多，平均碰撞检测时间也在增加，增长幅度较大，最高碰撞检测时间为61 ms，与本文碰撞检测方法相比耗时多，因此本文方法的碰撞检测效果更为理想。

3  结  论

三维虚拟校园漫游系统是数字化校园的重要组成部分，为校园的规划发展提供有力支撑。本文以虚拟现实技术作为基础，设计三维虚拟校园漫游系统，重点研究三维虚拟角色模型建模和行为控制过程，确保三维虚拟校园漫游系统更加完整逼真。经过碰撞检测得出，本文行为控制方法对校园漫游系统进行实时更新绘制，减少了碰撞现象的发生，增强了漫游系统的真实性、交互性。

参考文献

[1] 郭雪昆，陈浩，邱天，等.针对创意角色模型的蒙皮与三维制造技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2017，29（7）：1177?1185.

GUO Xuekun， CHEN Hao， QIU Tian， et al. Rigging and fabricating creative characters [J]. Journal of computer?aided design & computer graphics， 2017， 29（7）： 1177?1185.

[2] 李涛涛，方雄兵，林锐，等.基于Top?down建模机制的三维虚拟人快速建模方法[J].中国舰船研究，2017，12（1）：38?44.

LI Taotao， FANG Xiongbing， LIN Rui， et al. 3D virtual human rapid modeling method based on top?down modeling mechanism [J]. Chinese journal of ship research， 2017， 12（1）： 38?44.

[3] 张会霞，马神兵，张亦弛.基于三维GIS的虚拟校园环境研究[J].测绘通报，2017（6）：118?121.

ZHANG Huixia， MA Shenbing， ZHANG Yichi. Research on virtual campus environment based on 3D GIS [J]. Bulletin of surveying and mapping， 2017（6）： 118?121.

[4] 赵伟，陈伟，李兵.基于3?RPC并联机构的三维振动隔离系统的动力学建模与控制研究[J].振动与冲击，2017，36（7）：62?69.

ZHAO Wei， CHEN Wei， LI Bing. Dynamic modeling and control for a three?dimensional vibration isolation system with a 3?RPC parallel mechanism [J]. Journal of vibration and shock， 2017， 36（7）： 62?69.

[5] 张国峰.BIM在建筑工程岩土勘察三维虛拟现实可视化中的应用[J].建筑技术，2017，48（3）：275?277.

ZHANG Guofeng. Application of BIM technique in 3D virtual reality visualization of architectural geotechnical investigation [J]. Architecture technology， 2017， 48（3）： 275?277.

[6] 李昕昕，龚勋.三维人脸建模及在跨姿态人脸匹配中的有效性验证[J].计算机应用，2017，37（1）：262?267.

LI Xinxin， GONG Xun. 3D face modeling and validation in cross?pose face matching [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（1）： 262?267.

[7] 唐超.三维地质建模及可视化研究在城市地质工作中的应用探讨[J].中国矿业，2016，25（z2）：347?350.

TANG Chao. Application of 3D geological modeling and visualization in urban geology [J]. China mining magazine， 2016， 25（S2）： 347?350.

[8] 巩卫卫，王瑞，李晓娟.基于UPPAAL的认知机器人控制行为建模与验证[J].小型微型计算机系统，2016，37（6）：1279?1283.

GONG Weiwei， WANG Rui， LI Xiaojuan. Modeling and validation of cognitive robot control behavior using UPPAAL [J]. Journal of Chinese computer systems， 2016， 37（6）： 1279?1283.

[9] 雷书宾，李建平，郭永春，等.SiCP/Al复合材料的三维微观结构建模与力学行为模拟[J].热加工工艺，2017，46（10）：121?125.

LEI Shubin， LI Jianping， GUO Yongchun， et al. 3D microstructure modeling and mechanical behavior simulation of SiCP/Al composite [J]. Hot working technology， 2017， 46（10）： 121?125.

[10] 王丹婷，蒋友燏.古建筑三维虚拟建模与虚实交互软件实现[J].计算机应用，2017，37（z2）：186?189.

WANG Danting， JIANG Youyu. 3D?virtual modeling for historic architecture and realization of virtual interactive software [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（S2）： 186?189.