【摘 要】虛擬現(xiàn)實技術(shù)是集計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，人工智能，人機(jī)接口技術(shù)等各種技術(shù)于一體的計算機(jī)高級人機(jī)界面技術(shù)，它強(qiáng)調(diào)視覺、聽覺、和觸覺一體化的交互性、沉浸性和構(gòu)想性等多種特性。本文以全景校園為模型，使用三維建模技術(shù)對校園進(jìn)行三維建模，利用作用于交互通道的交互工具實現(xiàn)人機(jī)交互，并對一些重點問題，如碰撞檢測，實時漫游進(jìn)行了討論。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 虛擬校園 三維建模技術(shù) 人機(jī)交互 場景漫游

虛擬校園是數(shù)字化校園的發(fā)展與應(yīng)用，是數(shù)字校園的高級技術(shù)特征之一，其主要的實現(xiàn)技術(shù)是利用圖像處理技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)以及三維建?？梢暬Z言等工具在可視化介質(zhì)上加以顯示?，F(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到諸多領(lǐng)域，而將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化校園中則是一個具有實現(xiàn)意義與價值的趨勢。它在遠(yuǎn)程參觀與遠(yuǎn)程教育中會發(fā)揮出傳統(tǒng)教育無法比擬的作用和效果，具有較高的實用意義。

本文以長安大學(xué)渭水校園為研究對象，深入分析了在虛擬校園系統(tǒng)中空間地物的建模方法，并且針對特殊環(huán)境詳細(xì)研究其交互方式與漫游途徑，對于遇到的問題加以分析和解決。

一、系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

虛擬校園系統(tǒng)是基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)等高新技術(shù)，將校園地理空間信息和其屬性信息相結(jié)合，構(gòu)建一個逼真的、具有 視覺、廳局、觸覺的虛擬校園景觀，由其組成的關(guān)鍵技術(shù)就可以看出其功能可以是三維顯示，人機(jī)交互，遠(yuǎn)程漫游，并且可以進(jìn)行查詢、搜索等操作。

（一）三維顯示

校園三維場景實現(xiàn)是三維虛擬校園系統(tǒng)的主要功能，其質(zhì)量好壞直接影響到場景的逼真度和系統(tǒng)的運(yùn)行效率。以DEM和遙感影像為數(shù)據(jù)源，可快速重現(xiàn)實地地形，并且利用3s max等軟件加入物體三維模型，可以實現(xiàn)三維物體的立體顯示。

（二）人機(jī)交互

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機(jī)交互技術(shù)主要是發(fā)展和完善三維交互。而虛擬環(huán)境產(chǎn)生器則可以根據(jù)內(nèi)部模型和外部環(huán)境的變化計算生成人在回路中的逼真的虛擬環(huán)境，人通過各種傳感器與這個虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。

（三）遠(yuǎn)程漫游

構(gòu)建一個虛擬現(xiàn)實漫游引擎就是采用高性能的計算機(jī)軟硬件及各類先進(jìn)的交互手段，創(chuàng)建一個參與者處于一個具有身臨其境的沉浸感。

（四）空間分析

由于虛擬校園在一定程度上借助了地理信息系統(tǒng)技術(shù)，而地理信息系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢在于其強(qiáng)大的空間分析能力，所以建立的虛擬校園系統(tǒng)中可以實現(xiàn)面積量算、距離量算、通視性分析和拓?fù)潢P(guān)系的查詢等功能。

二、系統(tǒng)實現(xiàn)

虛擬校園系統(tǒng)的實現(xiàn)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，然后利用建模軟件建立三維地物模型，然后借助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)驅(qū)動，實現(xiàn)虛擬校園場景顯示、三維場景漫游、查詢、量算等功能。

（一）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)的收集應(yīng)用考慮到實際建模時不同地物復(fù)雜程度的不同而加以區(qū)分和選擇。主要內(nèi)容有：建筑物的設(shè)計圖紙及文檔資料等原始資料和校園較大比例尺的航攝相片資料等原始資料；還要包括利用相機(jī)在現(xiàn)場拍攝獲得的資料，以備為以后的貼圖工作做準(zhǔn)備。

（二）場景的建模

1.建筑物建模

對于建筑物的建模需要一個從宏觀到細(xì)節(jié)的技術(shù)路線。首先是利用一些傳統(tǒng)或現(xiàn)代化的測量技術(shù)測量出渭水校園中多個建筑物的空間位置信息。在此過程中可以利用相機(jī)獲取建筑物的紋理信息，然后將獲取的建筑物的空間數(shù)據(jù)信息在建模軟件中分別對建筑物加以建模。

當(dāng)然對于一些局部不規(guī)則的建筑物，其模型的創(chuàng)建需要考慮到具體的細(xì)節(jié)部分，即可以對其進(jìn)行規(guī)則與不規(guī)則劃分：建筑物的規(guī)則部分可以用3D MAX等軟件自動獲得，另外的不規(guī)則部分的建模則可以利用專門的模型編輯軟件加以實現(xiàn)，例如VRModel等。另外對于建筑物中的各種材質(zhì)，可以對模型進(jìn)行貼圖，得到逼真的效果。

2.樹木

樹木的建模可以利用面片貼圖法。這種方法通常在模型建造軟件中建立單個面片或兩個互相垂直的矩形面片，然后把植物立面用貼圖的方式貼到面片上，并通過alpha通道進(jìn)行透明處理。其中利用Photoshop對圖片人們制作alpha是非常重要的一步。還有一種方法就是采用廣告牌法，它將每棵樹都看成長方形的面板，每個面板上都是已經(jīng)拍攝好的樹木的紋理。其主要特點就是用戶漫游時它一直朝向視點的觀察方向。

3.紋理的建立與映射

紋理映射是所有的虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)環(huán)節(jié)中的重要部分，紋理資料的好壞直接影響到建筑物、樹木以及地面等模型的逼真度。用相機(jī)或手機(jī)拍攝的地物的側(cè)面紋理很多時候都是不滿足要求的，這里就可以利用一些圖像處理軟件對獲取的圖像加以處理，此類軟件可以是Photoshop和CAD等，處理過后的圖像一般是正射相片。對于建筑物頂部的圖片可以通過大比例尺航空正射影像獲得。

（三）人機(jī)交互

人機(jī)交互應(yīng)該是多通道的，即交互通道應(yīng)該是視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺和方向感等，讓人真正地?fù)碛谐两信c真實感。視覺通道產(chǎn)生以用戶本人為視點的包括各種景物和運(yùn)動目標(biāo)的視景，人通過頭盔顯示器等立體顯示設(shè)備進(jìn)行觀察；聽覺通道為用戶提供三維立體音響；而觸覺與力反饋的關(guān)系真正建立起來一個“看得見摸得著”的虛擬環(huán)境，其中系統(tǒng)要識別用戶何時“輸入”，包括頭的位置和指向，手的位置、指向和角度等。對于人的頭位置和指向的跟蹤檢測主要是通過安裝在頭盔上的跟蹤裝置實現(xiàn)的，對于手的檢測與跟蹤主要是采用數(shù)據(jù)手套實現(xiàn)的。

（四）實時漫游

實時漫游是每個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的最終體驗形式，按用戶的需求方式，可將虛擬現(xiàn)實漫游方式分為三種：

一是自動式漫游體系。其總體思路是按照事先給定的路徑進(jìn)行漫游。這就好像我們事先給定一系列的路徑坐標(biāo)點，然后用戶依次路徑這些給定的點的位置來體驗我們的虛擬校園系統(tǒng)。

二是查詢式漫游體系。這就是如今一些網(wǎng)絡(luò)地圖中的一些功能：你可以選擇你的目的地，比如圖書館，我們的系統(tǒng)會生成多條路徑供你選擇。

三是交互式漫游體系。這主要是指鼠標(biāo)和鍵盤的中介作用，你可以利用它們來選擇你的行進(jìn)方向。它可以生成一個不存在的視點，并依據(jù)這個虛擬視點的位置和視角，在瀏覽器中呈現(xiàn)對應(yīng)的場景信息。

（五） 碰撞檢測

碰撞檢測是指對漫游視點與物體之間的幾何位置關(guān)系進(jìn)行限制，通過檢測視點與物體的距離，一旦小于某個閾值，則認(rèn)為是發(fā)生了碰撞。

較常用的方法是層次包圍盒法，它的基本思想是利用體積略大而幾何特征簡單的包圍盒來近似描述復(fù)雜的幾何對象。

另一種較常用的方法是空間分解法，它是將整個虛擬空間劃分成相等體積的單元格，只對占據(jù)同一單元格或相鄰單元格的幾何對象進(jìn)行相交測試。適用于稀疏的環(huán)境中分布較均勻的幾何對象的碰撞檢測。

三、結(jié)論與展望

虛擬校園帶給我們的不僅是視覺上的改變，從某種意義上說它將改變?nèi)藗兊乃季S方式。本文描述了虛擬校園系統(tǒng)的總體功能，探討了實現(xiàn)虛擬校園系統(tǒng)的方法；并以虛擬校園中一些場景為例做出了技術(shù)說明。其實在不久的將來，借助互聯(lián)網(wǎng)，虛擬校園系統(tǒng)的功能可以在人們的共同努力下進(jìn)一步得到完善。也許能夠成為學(xué)生的第二個可以交友、學(xué)習(xí)和娛樂的第二個“真實”校園。

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