劉明霞,韋念杰,楊 楠,李 強

(泰山學院信息科學技術學院,山東泰安 271021)

數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)分析與設計

劉明霞,韋念杰,楊 楠,李 強

(泰山學院信息科學技術學院,山東泰安 271021)

闡述了數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)的設計思想,論述了實地數(shù)據(jù)收集、圖像采集和模型制作等模塊的實現(xiàn)方法,詳細介紹了泰山虛擬場景中主要模型的構造方法,實現(xiàn)了數(shù)字泰山虛擬漫游,用戶在與系統(tǒng)交互的過程中能有一種身臨其境的真實感.

數(shù)字泰山;虛擬漫游;虛擬現(xiàn)實

0 引言

隨著計算機軟硬件技術的飛速發(fā)展,虛擬漫游系統(tǒng)在房地產、旅游、城市規(guī)劃、歷史考古等領域有了廣闊的應用空間.虛擬漫游系統(tǒng)是一個以逼真的視覺、聽覺、觸覺為一體的特定范圍的虛擬環(huán)境,它是一個真實的或假象的仿真虛擬空間,用戶借助一定的裝備在虛擬環(huán)境中進行虛擬漫游,從任意角度對虛擬環(huán)境中的對象進行觀察,從而產生身臨其境的感覺,同時也能對物體進行操作和規(guī)劃,滿足用戶的要求.虛擬漫游系統(tǒng)本質上是一種人機交互系統(tǒng),它強調人在虛擬環(huán)境中的體驗,沉浸感和交互性是評價系統(tǒng)好壞的重要標準.

目前,我國國內很多旅游景點都建設了自己的虛擬漫游系統(tǒng),用戶只要在家里用電腦登陸到相應網(wǎng)站,就能實現(xiàn)虛擬漫游.這不僅緩解了假日客流壓力,而且促進了旅游業(yè)的發(fā)展.“五岳之尊”泰山,數(shù)千年來一直是帝王朝拜的對象,其山中的人文杰作與自然景觀完美和諧地融合在一起,不但在地質學和歷史文化方面具有研究價值,而且還具有很高的藝術價值和美學價值.建設泰山虛擬漫游系統(tǒng)不僅能促進整個泰安旅游業(yè)的發(fā)展,還方便了泰山的保護和規(guī)劃,意義十分重大.

1 數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)的設計思路

典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應能提供一個可視化的環(huán)境,使用戶在場景中隨意瀏覽[1].數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)屬于虛擬現(xiàn)實中的一種,它的工作主要由兩部分組成:仿真場景的制作和漫游引擎的實現(xiàn).

根據(jù)項目需求,首先采用實地測量技術,在CAD中繪制出泰山平面圖;然后根據(jù)平面圖指示的建筑物以及地形場景的位置,利用數(shù)碼圖像設備采集現(xiàn)場照片用于把握各個建筑與地形的具體結構與材質.根據(jù)所取得平面圖以及現(xiàn)場圖片在3D M ax平臺中制作出三維仿真模型.模型制作完畢后,導入VRPBuilder平臺,進行交互代碼編制以及界面設計,實現(xiàn)其交互功能.最后編譯出exe文件,從而完成整個漫游系統(tǒng).系統(tǒng)設計流程如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設計流程圖

2 數(shù)字泰山漫游系統(tǒng)實現(xiàn)過程

虛擬漫游系統(tǒng)的核心是虛擬場景的構建.目前采用的主要方法[1-3]:基于國內外主流的虛擬現(xiàn)實綜合集成平臺的開發(fā)(如基于M u ltigen Crea-to r和VEGA)、基于VC++和OpenGL圖形庫從底層的開發(fā)和基于三維軟件建模(如3D MAX等)的開發(fā).前兩種方法存在價格昂貴、對開發(fā)人員素質要求高等缺點.本文采用第三種方法進行開發(fā),即利用3D MAX建模,然后將模型轉換成OpenGL程序,再對其進行控制,構建交互性強的漫游場景,既可以有效地控制成本,又可以保證開發(fā)效率.

2.1 實地數(shù)據(jù)收集

場景實際數(shù)據(jù)是制作虛擬現(xiàn)實的基礎,一切架構都是建立在基本數(shù)據(jù)之上.首先運用基本的地形測量技術,測量出基礎數(shù)據(jù),如建筑物的長、寬、高,山體的海拔高度、坐標等,這些數(shù)據(jù)必須精確.然后根據(jù)測得數(shù)據(jù)利用CAD制作出泰山平面圖,圖紙必須規(guī)范、精確.最后把制作好的平面圖載入到3DM ax中,為制作仿真模型做準備.這里,我們把平面圖以參考方式載入3D M ax,以便于修改和團隊合作.

2.2 實體圖像采集

根據(jù)平面圖紙所標示的山體、建筑體和石刻等的位置,利用高清數(shù)碼設備對泰山主山脈各個山體、建筑及其地形進行圖像采集.

主要采集三類數(shù)據(jù):

(1)全局圖,采取各個角度全景方式拍攝;

(2)局部圖,采取中景或者近景方式拍攝,目的是要看清局部結構與細節(jié);

(3)紋理圖(如地面、墻磚等),主要是以特寫方式采拍,務必做到采光均勻,圖像清晰.

其中全局圖和局部圖主要用于制作仿真模型時把握山體、建筑體和石刻等的形體結構,而紋理圖主要是為以后制作仿真材質與紋理提供依據(jù).

2.3 仿真模型制作

整個泰山虛擬漫游系統(tǒng)的模型可以分成山體、建筑、動物和植物等幾個大類.每種類型的建模手法和要求的模型精度是不同的.山體是漫游系統(tǒng)的載體,其面積是最大的,其他模型都要置放于山體上.山體制作的時候要注意參考等高線圖,以表現(xiàn)最真實的起伏.泰山古建筑是泰山珍貴的文化遺產,是整個系統(tǒng)的核心,其模型精度要求相對較高,制作的時候應該盡量的減少誤差.模型貼圖要用高像素的相機實地采集,這樣制作出的模型才更真實.動物和植物的模型要求不必很嚴格,只要物種真實即可.動植物的制作要利用3DM ax的動畫功能進行.

根據(jù)平面圖以及現(xiàn)場照片制作仿真模型主要分三個步驟:

(1)構建模型.在3D M ax中,利用多邊形建模技術,根據(jù)泰山總規(guī)劃平面圖并認真觀察現(xiàn)場照片確定山體、建筑體、石刻等的具體位置和結構,采用自下向上的方法制作.制作時,要對形體高度的概括,大力控制面的數(shù)量,消除冗余的多邊形面,降低整個場景的復雜度,做到形體準確、概括、數(shù)據(jù)量小,從而降低場景實時渲染的復雜度,保障系統(tǒng)能夠流暢運行.山體模型構建如圖2所示.

圖2 山體模型構建

圖3 給建筑賦予材質

(2)制作材質.貼上處理好的紋理和材質,使其與真實景物相符.首先選擇模型相應的面,使貼圖以合適方式貼在模型上,不發(fā)生紋理的扭曲與變形,如圖3.

(3)制作動畫.制作的時候根據(jù)動畫物體在場景中的視野距離,可以制作精度不等的模型.像大雁這種位于天空高處的動畫物體,其模型的制作可以簡單些.制作重點在于表現(xiàn)翅膀的運動效果,可通過動畫的循環(huán)實現(xiàn)持續(xù)振動翅膀的效果.制作好一只大雁后采用復制的方法可以得到一個雁群,如圖4.

圖4 雁群的制作

2.4 虛擬漫游系統(tǒng)構建

該模塊主要功能是把所有模型組裝成一個整體,然后制作出漫游的功能,使用戶能夠在限定的區(qū)域內自由行走,有身臨其境的感覺.為了增強用戶體驗,系統(tǒng)中添加了天空環(huán)境、游人、背景音樂等元素.此外,專門設計出具有交互功能的場景,比如當用戶走到一扇門前面的時候,讓門自動打開.

(1)添加環(huán)境.給場景選擇一個周圍有連綿起伏的山體的環(huán)境,使置于其中的模型與周圍環(huán)境協(xié)調一致.為增加真實感,系統(tǒng)還在場景中添加了太陽,當用戶面對太陽的時候,能感受到光暈,如圖5所示.

(2)開啟碰撞.在用戶的活動區(qū)域內,給用戶可能觸碰到的物體添加碰撞檢測.需要注意的是,不必為所有的模型都添加碰撞,因為碰撞運算需要消耗系統(tǒng)資源.

(3)創(chuàng)建用戶.選取幾個比較合適的地點創(chuàng)建行走角色,不同角色之間的距離不要太近,盡量分散于場景之中.這樣用戶切換行走角色的時候,就可以快速到達自己想要去的地方,如圖6所示.

圖5 光暈效果

圖6 創(chuàng)建行走角色

(4)增強用戶體驗.給場景添加游客和背景音樂,能使用戶的現(xiàn)場感大大增強,讓用戶有身臨其境的感覺.

最后,生成可以直接運行的可執(zhí)行文件或者發(fā)布web上使用的文件.

3 結束語

本文對數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)進行了分析和設計,并對系統(tǒng)實現(xiàn)流程和關鍵技術進行了詳述.實踐表明,將計算機圖像處理技術和復雜三維建模技術相結合可以較精確地制作出易于宣傳推廣的虛擬漫游系統(tǒng).該方案同樣可以應用于城市規(guī)劃、地質探測及醫(yī)學研究等領域,具有較高的應用價值.

[1]王柯,諸昌鈐,杜斌.基于3DS模型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].阜陽師范學院學報(自然科學版),2006,23(1):58-63.

[2]崔漢國,張星,劉曉成.圖象和建模結合的虛擬場景繪制技術研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2005,17(5):1168-1171.

[3]DEBEVEC P E,TAYLOR C J,MAL IK J.Modeling and Rendering A rchitectu re from Photographics:A Hybrid Geom etry and Imagebased App roach[C].Proceedingsof SIGGRAPH96,1996.

Ana lysisand Design of Ta ishan V ir tua lRoam ing System

L IU M ing-xia,W EIN ian-jie,YANGNan,L IQ iang
(Schoolof Info rm ation Science and Techno logy,Taishan University,Tai’an,271021,China)

The design philosophy of the digital Taishan virtual roam ing system is p roposed.The paper gives the detailed imp lem entm ethodsof the real data acquisition,im age grabbing andmodelling,especially for them ainmodel of Taishan virtual scenes.The p rocesses of construction of the virtual scenes in virtual roam ing system are p roposed.Th rough the in terac tionw ith the virtual system,the usersw illget lively feelings just like in the trueworld.

digital Taishan;virtual roam ing;virtual reality

TP302

A

1672-2590(2010)03-0026-04

2010-04-05

泰安市大學生科技創(chuàng)新行動計劃項目(2007D2052)

劉明霞(1981-),女,山東泰安人,泰山學院信息科學技術學院講師.