基于VR的虚拟校园漫游系统研究与建设

高学芹

（江苏建筑职业技术学院 江苏省徐州市 221009）

目前，计算机网络技术应用非常广泛。通过虚拟现实技术的应用，可以在校园内以三维虚拟场景的形式，营造优美的地理环境和高尚的人文信息，实现高校的数字化和虚拟化校园建设。当学生被高校录取后，可以在到达学校之前，通过虚拟校园系统对校园的一楼一室进行360 度的察看，通过校园环境、建筑风格以及师生的面貌深深感受到高校独特的校园文化，使学生能够在虚拟校园漫游系统中尽情地享受将要来临的校园生活，给人一种“身临其境”的感觉。本文以某校虚拟校园漫游系统建设为主要目标，分析研究了基于VR的虚拟校园漫游系统的设计、关键技术研究、建模以及制图等内容。

1 漫游系统概况

某校区共占地1800 余亩，交通便利，南门紧靠国道，西门前是步行街，东边是高铁站，北面是森林公园。校园文化与现代教育特色融为一体，学校正在不断建立科技、人文、生态主题全面的三维虚拟数字化校园系统。

本设计采用了头戴式结构，尽管在设备的要求上较高，但是大大提高了该系统的趣味性和沉浸感，有效地提高了用户的积极性和主动性。该系统设计并实现虚拟校园漫游系统，用户能够在虚拟校园漫游系统中尽情地漫游，能够依据系统中预先输入的路线进行参观漫游，按照个人的兴趣在虚拟校园漫游系统中自由移动，对一些建筑以及教师的信息进行参观和听取学校的官方介绍。

该系统的开发过程比较繁琐，所涉及的方面很多，主要有以下几部分组成：数据准备和处理、建模、虚拟校园漫游系统的设计以及各种功能的实现等。具体实现步骤如下：首先，根据三维虚拟设计的初步构想，对相关平面设计的原始数据和现有的景观进行图片采集和处理。其次，将处理过的校园平面设计和所拍摄得到的图片数据进行利用，由这些数据构建三维直观性的校园表地面模型，所建立的模型主要由校园地表地形、教学和生活建筑、绿化的花木等；紧接着就是虚拟校园漫游系统的建立，即对三维虚拟校园漫游系统进行全面的设计；最后还需要实现各模型之间的交互功能，使大家能够利用软件对校园进行全方位虚拟仿真的参观漫游体验。

2 总体设计

虚拟校园漫游系统的开发有很多环节，对细节的要求也比较高。在早期阶段，收集、处理数据和构建模型需要很多时间；在中间阶段，需要对系统的各个场景进行构建、数据模型修改和改进；后期需要对系统功能进行全面开发、测试和优化。

2.1 系统功能设计

在虚拟校园漫游系统的开发研究中，需要经过大量的实地调查，根据实地状况建立三维模型，通过三维模型给出校园环境的总体情况，然后将实际情况添加到虚拟环境中，尽可能地把实际情况 给还原到该系统中，使体验者能够感受到强烈的亲切感和沉浸感。

该系统的模式分为漫游体验模式和自由体验模式两种，供体验者进行选择。漫游体验模式是一条在系统设计过程中精心规划的路线，主要是从前门到校园中心的道路，从前门出发，经过学校各个主要建筑，使学生能够参观学校建筑，尽快熟悉学校，这对于即将到来的校园学习和生活提供了很大的帮助。

在自由体验模式下，用户可以选择起点，根据触摸控制前进的方向，能够在虚拟校园中自由穿梭，触摸到建筑物时，相机将无法向前移动，给你一种身临其境的真实体验。

除此之外，该系统还增加了校园主要建筑物的官方介绍，供体验者了解校园建筑，体验者可以通过中心光标来进行选择，在等待数秒钟后，会弹出介绍框，当用户移开固定的区域 时，介绍框的内容就会消失。

2.2 虚拟校园开发流程设计

虚拟校园漫游系统的开发有很多环节，对细节的要求也比较高。在早期阶段，收集、处理数据和构建模型需要很多时间。在中间阶段，需要对引擎进行场景构建、数据模型修改和改进。后期需要对系统功能进行全面开发、测试和优化。

2.3 实现三维虚拟校园漫游方案的设计

在三维虚拟校园漫游方案的设计中，第一种设计为360 度全景虚拟漫游的设计思路，该方法需要用数码相机拍摄校园内的多个场景和角度，用电脑合成有效照片。第二种设计为三维模型的虚拟漫游的设计思路，该方法利用三维软件进行建模设计，生产周期相对较长，生产成本相对较高，但是容易实现，技术性要求较低。本文最终选择了第二种三维软件进行建模设计的方法，来实现三维虚拟校园漫游系统的开发和建设。

3 虚拟校园漫游系统建模

3.1 数据收集和处理

在数据采集和处理的过程中，任务量较大，涉及方面较多，对于校园景观规划和校园设计图纸有很大的帮助。由于三维建模的需要，前期需要收集全校地形图以及校园内建筑物照片。实际上，相关人员在收集校园建筑以及校园环境照片时，需要充分考虑建筑结构的特点，针对不同的建筑结构，采取不同的拍摄方式和角度 ，有必要时要对拍摄相机进行升级，以获得更加优质的照片。在用相机拍摄既有校舍外观、人文景观等之后，还需要用PS 处理软件对已经拍摄的相片进行预处理。

3.2 底图绘制及处理

在俯瞰校园后，我们可以将建筑部分与草坪、花坛、树木等绿色设施区分开，然后制定建筑规划。首先，创建一个多边形的背景平面图，通过不同形状的几何图形是勾勒出不规则的设施，如绿化带和人行道，建筑的草图是由简单的几何图形组成，然后对建筑的高度和地面设施的形状进行调整，直到比例合理为止。

校园总体二维规划主要采用CAD 施工图进行校园规划设计，它是产生校园三维模型的主要数据源。同时，它也参考了谷歌地球卫星图像地形图中校园的三维场景。

在建模之前，我们应该编辑和处理数字地形图的格式。如果我们使用的格式是DWG，在Auto CAD 环境中能够得到应用，但是直接导入DWG 文件就会造成数据丢失等问题。

3.3 3ds Max的三维建模

建模是场景的重要组成部分，因此在生产过程中，必须严格按照CAD 基础图的尺寸和位置进行建模，避免在以后的合并中再次修改。

校园建筑建模是构建三维虚拟校园模型的重点，使用3dmax2010 软件制作建筑模型。3ds Max 软件基于windows 平台，它是Auto desk 和Auto CAD 的同一系列的产品之一。3ds Max 与Auto CAD 文件具有良好的兼容性，并可以生成精确的模型。一般的过程是先将CAD 参考图导入到3ds Max 软件中，展开U-V 贴图，继续映射，最后添加灯光渲染。其次，以某校汽车学院办公楼为例，对建筑造型进行分析。

第一步是将加工好的原始Auto CAD 平面图作为参考图导入3ds Max 软件的俯视图中。

第二步是采用优化模型设计的思想，尽量减少面数，在平面上设计窗和墙。但对于轮廓突出部分，需要根据原型进行建模，以避免模型变形。在本文的案例中，主要采用多边形建模法，利用平面来支撑表面，用修改器修改，最后生成一个规则的物体。由于整个校园内有许多单体建筑，后期所有单体建筑都是分别建模，然后组合在一起的。在性能较好的前提下，尽量减少后期联合作业的工作量。这种方法特别适用于建筑物建模。

第三步是在已建立模型的基础上，创建与多边形顶点关联的点（UV），它提供应用纹理映射所需的信息，UV 点将连接到模型的顶点。

第四步是选择合适的照明，照明是提高三维虚拟仿真效果的重要手段。在某些场景中，由于模型的遮挡，亮度太低。因此，有必要在这些地方设置光量导入量，让这个区域参与到二次反射中，使没有灯光的地方显得更加真实自然。虽然会占用一定的资源，但可以大大提高场景的真实性和还原性。室内场景的照明更为复杂。为了获得更逼真的场景，除了重要的灯光体盒外，还需要模拟真实的阴影。因此，有必要在光源入口处设置多个聚光灯进行模拟。常见的灯光为Skylight Target Spot，其目标方向固定，灯光均匀分散。即使在不同的位置，人们也能感受到相同的亮度，在模拟天空和阳光的散射时，照明效果非常好。

3.4 地面目标模型

在校园景观地面目标模型的建立中，主要以花木为主。该系统采用大家广泛使用的Double boarding 技术，用图像代替物理模型的设计方法，即对树或花的表面模型进行粘贴、透明处理，并设置Alpha。采用该方法的优点是操作简单，视觉效果较好。

3.5 地形建模

系统的地形模型一般都是基于校园地形CAD 原始图进行建立的，只保留轮廓线。轮廓线数据是根据地形图中的数据轮廓线进行绘制的，可以将其转换为三维轮廓线数据，如果地形不平，可以修改。

编辑栅格以创建地形对象，在俯视图3ds Max 中创建矩形平坦地面，将其磨成50×50 面，使用“编辑网格”命令，设置“顶点”，并根据立面数据拉出地面高度，形成三维模型。

3.6 纹理贴图的处理

常用的纹理贴图有两种：位图法和程序贴图法。位图可以在3D-Max 建模过程中粘贴，但要确定映射的“UVW”坐标，设置贴图坐标、位置等参数以精确映射模型。在这里，我们使用生成的模型展开地图，这样一两张图片就可以收集到建筑物的纹理图像。

3.6.1 纹理采集

可以用相机现场拍照，也可以通过搜索纹理的方式，获取相关特征和地貌的纹理。如果采用野外拍摄的方法，最好选择晴天，以保证照片的亮度，获得稳定的正射影像。

3.6.2 纹理制作

图像处理内容包括：纹理校正(如浅色校正)、损伤修复、纹理大小调整。本文以墙面纹理的生成为例，重点考虑了如何避免物体在墙面前的图像。墙体纹理具有大量的重复模式，通过图像分析可以消除重复模式，提取其基本纹理。

3.6.3 建立纹理数据库

纹理存储应遵循命名原则，如强.jpg，如果它们有相同的名字，程序会在编译最后一个场景时将它们转换成强格式。这样，场景中的一张地图会被另一张同名地图覆盖，导致地图混乱。

3.7 植被代理

植被的绿化率将影响到场景的最终效果。因此，在植被生产中要采用远、近两种景色的处理方法。近景植被采用更多的面表示，而远景植被是最简单的面，可以减少场景计算的工作量。

3.8 场景合并

该方案结合校园规划设计的CAD 施工图和Google 地球卫星图像，设计了各个校园的局部场地地形模型，包括道路、湖泊、草图等，并利用实际情况对地图进行对比和修正，然后结合建筑模型对人们早期的校园场景进行引导。

4 结论

本文主要介绍了一种基于虚拟现实的虚拟校园漫游系统。校园系统可以实现用户的虚拟校园漫游个人喜好，也可以查看建筑信息。虚拟校园漫游系统是通过pc 机实现的，通过键盘、鼠标和显示器，具有很强的操作感和沉浸感。有少数学校开发的移动校园漫游系统仅使用移动应用程序实现校园漫游，从本质上讲仍然是一种传统的操作，仍然无法避免沉浸体验差的缺点。该系统以虚拟现实技术为支撑，实现了移动终端使用的虚拟校园漫游系统，用户可以亲身体验虚拟校园的景色。所有的内部操作都是通过光标来实现的，不需要外部设备操作，从而获得身临其境的体验。

在系统开发过程中，我们发现目前市场上的虚拟现实程序无法相互通信。每家公司的虚拟现实眼镜和程序都需要使用自己的手机作为支持，这使得该系统无法在更多平台上推广。该系统采用电脑端的虚拟现实平台，只能在电脑端运行，希望在以后的发展中有机会解决这个遗憾。