蔣委軍，黃亞平，袁燕招

(浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州310032)

基于Quest 3D三維校園漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

蔣委軍，黃亞平，袁燕招

(浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州310032)

隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在各個領域都發(fā)揮著極其重要的作用，虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字化校園和教育領域中的一個重要應用，它利用目前先進的計算機技術結(jié)合校園教學環(huán)境和三維景觀，在計算機中虛擬再現(xiàn)。本文以浙江工業(yè)大學校園為虛擬環(huán)境，采用3Ds Max構建校園場景模型，采用Quest 3D實現(xiàn)虛擬校園縱覽、自由漫游、自動尋徑、導航、自由切換四季晝夜天氣、背景音樂播放、視頻點播等交互功能，可使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。

3Ds Max；Quest 3D；虛擬校園；漫游

一、引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術是一門綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、人機接口技術、人工智能以及仿真技術等多種學科技術而發(fā)展起來的新興技術。[1]同時它也是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，用以創(chuàng)造視覺、聽覺、觸覺等高度仿真的虛擬空間，還可借助各種交互設備，沒有限制地瀏覽和操縱虛擬場景中的實體對象，給用戶一種身臨其境的感覺。[2]

目前虛擬現(xiàn)實技術在國內(nèi)外發(fā)展非?？?，廣泛應用于教育培訓、軍事、醫(yī)療、游戲、建筑、影視娛樂等領域。在國外，自1990年起，世界上較早進行幾何式建筑漫游并取得顯著成果的科研機構——UC Berkeley建筑漫游工作室就開始進行復制模型的實時漫游策略研究。隨著Internet在美國特別是大學校園的應用與發(fā)展，美國大學校園的信息化建設在學生日常生活、教學活動、學?？蒲屑肮芾砘顒拥劝l(fā)面取得了突出的成績。虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，更是為數(shù)字化校園建設提供了一種全新的應用方式。[3]在國內(nèi)，對虛擬現(xiàn)實技術的研究比一些發(fā)達國家晚，差距存在是難免的，但隨著計算機圖形學、計算機系統(tǒng)工程等技術在我國的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術目前已得到相當?shù)闹匾?，引起我國各界人士的關注，研究與應用VR，建立虛擬環(huán)境，虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展，國家科委國防科工委部已將虛擬現(xiàn)實技術的研究列為重點攻關項目。[4]由以上分析可知，本文探討基于Quest 3D的三維校園漫游系統(tǒng)設計與實現(xiàn)具有一定的現(xiàn)實意義。

二、系統(tǒng)設計

基于Quest 3D的三維校園漫游系統(tǒng)分為素材準備、三維建模和交互設計三部分，系統(tǒng)軟件結(jié)構如圖1所示。素材主要采用實地拍攝和紋理繪制實現(xiàn)；模型是本系統(tǒng)的基礎，用戶在虛擬校園中所見的所有場景都需要通過建模實現(xiàn)，可見模型的優(yōu)劣很大程度上直接影響整個漫游系統(tǒng)的美感和沉浸感，本系統(tǒng)模型主要包括：

地形模型：根據(jù)前期數(shù)據(jù)處理，精確創(chuàng)建校園地形模型；

主體模型：包括教學樓群、圖書館、室內(nèi)設施及多媒體設備模型；

綠化模型：植被和花圃模型。

本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的室內(nèi)交互主要是教室門、窗的開關、教室電腦視頻點播等。室外交互主要包括縱覽和自由漫游 （利用鍵盤和鼠標對虛擬校園任意景點進行任意路線瀏覽）、自動尋徑（在任意位置對某些特定景點進行自動導航）、導航、天氣系統(tǒng)切換（自由切換四季晝夜天氣）、背景音樂播放等。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.三維建模

模型構建是通過圖形的三維幾何變化如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、錯切及復合變換等來實現(xiàn)的。[5]較完美的建模僅僅精確滿足基本造型是遠遠不夠的，還需盡量減少點數(shù)、段數(shù)、面數(shù)、整體復雜程度以及賦予合適的材質(zhì)貼圖，否則會嚴重影響渲染速度以及系統(tǒng)運行速度。[6]本系統(tǒng)采用當前廣泛應用于廣告、建筑設計、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域的主流三維建模軟件3Ds Max創(chuàng)建模型、構建虛擬場景。為了減輕前期建模的繁瑣程度，可通過Google Earth衛(wèi)星影像截圖，獲得地形墻體等比例形狀，進而在Auto CAD中繪制實體輪廓，再導入3Ds Max進行模型的建立，從而大大加快了建模效率。[7]同時，為了使得模型更加貼近現(xiàn)實，還需通過Photoshop對已采集的校園圖片進行個性處理，獲得大量由真實場景生成的紋理貼圖，最后使用材質(zhì)編輯器將貼圖貼到相應的位置后進行渲染，從而獲得更為逼真的效果。

模型初步建立后還需要對其進行優(yōu)化，包括合并相同材質(zhì)、刪除不可見的面、移除多余點線等，從而提高模型在引擎中的響應速度，最后需要將所有模型整合到同一個max文件中以確定統(tǒng)一的世界坐標，方便下階段的燈光繪制、烘焙和導入引擎，部分室內(nèi)外場景如圖2和圖3所示，3Ds Max完成整體場景構建后，為了在Quest 3D中實現(xiàn)交互，必須導出成Quest 3D支持的.X或.CGR格式文件。

2.交互實現(xiàn)

交互是用戶和虛擬場景進行相互作用的途徑，用戶對虛擬場景中物體的操縱，以及其他動作的實現(xiàn)都必須通過人機交互來實現(xiàn)。[8]有效而簡潔的人機交互能使用戶更好地沉浸在虛擬環(huán)境中，可見交互是本系統(tǒng)的關鍵和核心。當前市場上進行交互開發(fā)的引擎種類繁多，如Unity 3D、OSG、Virtools、Quest 3D等， 根據(jù)其應用領域各占一席之地，本系統(tǒng)采用的是在業(yè)界以效果出色而聞名的三維項目制作軟件——Quest 3D。通過程序控制，Quest 3D可以應用在游戲研發(fā)、虛擬現(xiàn)實、影視動漫制作等眾多領域，而且Quest 3D能在即時編輯環(huán)境中與物件互動，提供一個建構即時3D的標準方案，這對于剛接觸交互引擎的人員無疑是一大福音，因為在Quest 3D里，所有的編輯器都是可視化的，編輯與執(zhí)行較容易，并真正所見即所得，讓使用者更專注于美工與互動，不用擔心程序錯誤及除錯。[9]

三維模型導入Quest 3D后即可進行交互設計，采用Quest 3D實現(xiàn)室內(nèi)外交互驅(qū)動，主要解決以下問題:

（1）場景的實時切換和動態(tài)調(diào)用

對虛擬校園實時切換進行漫游可利用鍵盤和鼠標操縱，為了加快系統(tǒng)運行速度及降低硬件需求，也可動態(tài)修改Quest 3D中相應的Channel模塊中單一文件實時加載到系統(tǒng)中。

（2）碰撞檢測

虛擬場景中為避免穿墻而過的情況發(fā)生，碰撞檢測(檢測不同對象之間是否發(fā)生了碰撞)是不可或缺的，碰撞檢測算法的效率直接影響到應用的實時性，尤其是大場景中的應用。虛擬校園是大量實體對象的結(jié)合體，必須解決大量物體間的反復碰撞檢測，本系統(tǒng)存在兩種碰撞檢測：一種是與地形的碰撞檢測；另一種是與建筑物的碰撞檢測。

本系統(tǒng)借助Quest 3D強大的功能，借鑒并整合了當前各類虛擬現(xiàn)實項目背景音樂、導航圖、漫游、縱覽等主流功能的同時，還增加了自動尋徑和視頻播放等功能，使得用戶得到進一步的沉浸式體驗，讓用戶即使沒有機會參觀校園，也能在虛擬校園中實現(xiàn)自由漫游，身臨其境地感受校園氛圍并借助視頻播放功能進行學習，自動尋徑程序如圖4所示。

3.系統(tǒng)發(fā)布

實現(xiàn)所有模塊功能并經(jīng)過單元測試和集成測試后，單擊Quest 3D的File菜單——Publish進行作品發(fā)布，可根據(jù)實際情況將發(fā)布類型設定為Executable、Web page、Quest 3D Viewer等多種類型，系統(tǒng)運行界面如圖5所示，可單擊功能菜單實現(xiàn)漫游。

四、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術通過創(chuàng)建高仿真視覺、聽覺和觸覺虛擬空間，不僅能夠提高人類對跨時空事物的認知能力，還把計算機技術推向另一個高潮。本系統(tǒng)采用3Ds Max建模，場景內(nèi)容豐富逼真，采用Quest 3D實現(xiàn)虛擬校園的自由漫游，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。下一步將完善虛擬教室的交互功能，擴大本系統(tǒng)的應用范圍。

[1]李沁蓉.基于VRML的虛擬校園交互式漫游系統(tǒng)[D].天津:天津大學,2006.

[2]游麗.基于Quest3D的交互式虛擬建筑漫游系統(tǒng)的建立[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊)，2009(11):253-254.

[3]蘆鴻雁,李斌兵.虛擬校園及其在現(xiàn)代化教學中的作用[J].科技資訊,2007(34):102-103.

[4]許微.虛擬現(xiàn)實技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009(21)：279-280.

[5]Donald Hearn，Pauline Baker.Computer Graphics C Version 2ndEd[M].Prentice Hall，1997.

[6]明慧,李進，任瑩等.基于Virtools虛擬校園漫游系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[J].軟件導刊,2010,10(5):39-42.

[7]楊鍵,耿衛(wèi)東,潘云鶴等.基于圖像的虛擬景觀漫游[J].計算機輔助設計與圖形學報,2001，13(3):229-235.

[8]陳俊浩，顧容，李春霞.地鐵事故應急救援技能培訓系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].中國教育信息化，2010(5):50-52.

[9]艾伯特電通股份有限公司.Quest 3D游戲制作Ez Book[M].臺灣：學貫行銷股份有限公司，2008.

(編輯：楊馥紅)

TP391

A

1673-8454(2012)07-0049-03

*資助項目：浙江工業(yè)大學2011年學生課外科技基金項目。