劉萍萍，陸兆攀，高武奇

(西安工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引 言

隨著虛擬現(xiàn)實及相關(guān)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，人們之間的交流也將采用新的方式、進入新的領(lǐng)域，實現(xiàn)由文字圖像到三維VR(虛擬現(xiàn)實)的轉(zhuǎn)變[1]。當(dāng)前以信息技術(shù)為背景的現(xiàn)代教育，絕大部分多媒體信息系統(tǒng)具有明顯的局限性，例如學(xué)生只能按照時間的流程，按電腦中程序設(shè)計的流向有限制地進行瀏覽和學(xué)習(xí)，這大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性以及熱情。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)[2]能夠創(chuàng)建與現(xiàn)實社會類似的環(huán)境，可以使人產(chǎn)生一種身臨其境的真實感，能夠使人與虛擬環(huán)境之間進行多維信息的交互，形象生動地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效地營造一個跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識、技能的效率，優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)質(zhì)量、調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、突破教學(xué)的重點、難點。在教育方面營造一個“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境進而取代傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，為數(shù)字大學(xué)建設(shè)提供一個重要的校園信息化平臺。但在虛擬仿真校園的應(yīng)用上也只是簡單地提供虛擬校園環(huán)境給學(xué)生及家長們?yōu)g覽，在基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活的交互方面還需要進一步的研究[1]。

文中以西安工業(yè)大學(xué)未央校區(qū)為虛擬空間，通過應(yīng)用OpenGL編程、3D max建模技術(shù)以及SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，從OpenGL基本圖形元的創(chuàng)建、渲染、視角的轉(zhuǎn)換等方面，創(chuàng)建出具有全景圖展示、固定路徑漫游、交互式漫游、碰撞檢測響應(yīng)、漫游系統(tǒng)交互性等功能的虛擬校園漫游系統(tǒng)[3]。

1 虛擬校園漫游系統(tǒng)簡介及相關(guān)技術(shù)

虛擬校園漫游系統(tǒng)[4-5](virtual campus)屬于假想或者真實空間的仿真，漫游系統(tǒng)以地理、虛擬現(xiàn)實、多媒體、寬帶等技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合了屬性和地理空間信息等方面的內(nèi)容，并進行了逼真的虛擬校園環(huán)境的構(gòu)建，用戶能夠通過計算機網(wǎng)絡(luò)對校園景觀進行訪問，并利用終端計算機在虛擬校園環(huán)境中展開漫游以及相應(yīng)的搜索和查詢等[6]。

1.1 虛擬校園漫游系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1.1 OpenGL技術(shù)

OpenGL(open graphics library)，也被稱作是圖形程序接口技術(shù)，是一套三維圖形處理庫，一個跨編程語言、跨平臺的編程接口，一個功能強大、調(diào)用方便的底層圖形庫[7]。OpenGL具有性能高、穩(wěn)定性好、工業(yè)標準、可靠度高、靈活性好、可伸縮性、可擴展性、容易使用等特點，可以被集成到Unix、Windows等窗口系統(tǒng)中，其功能基本上都以C函數(shù)的形式提供給外界，開發(fā)人員可利用這些函數(shù)輕松地對整個三維圖形進行光色渲染。本系統(tǒng)以Visual C++為平臺，利用OpenGL技術(shù)建立三維場景，調(diào)用3DS Max對建筑模型進行建模，實現(xiàn)虛擬漫游[8]。

1.1.2 SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)

SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)[9]，即操作命令集，在使用時，不必考慮“怎么做”，只需要發(fā)出“做什么”的命令就可以，屬于一種功能齊全的數(shù)據(jù)庫語言。SQL功能強大，使用方便，成本低，性能高，已成為數(shù)據(jù)庫操作的基礎(chǔ)。

1.1.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality)結(jié)合了多方面的應(yīng)用，具有自主性、交互性以及感知性等特點，是一種高級仿真技術(shù)，其能夠?qū)μ摂M世界進行創(chuàng)建之后的體驗。其主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳媒設(shè)備等方面的內(nèi)容。通過計算機可以進行環(huán)境的模擬，并利用專用設(shè)備讓用戶投入到相應(yīng)過程中，使用戶和環(huán)境之間的交互得以實現(xiàn)。

1.2 基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實技術(shù)[10]是通過計算機圖形學(xué)的理論來建模實現(xiàn)，在這個過程中旨在實現(xiàn)校園的虛擬漫游與交互。本課題主要討論基于VC++開發(fā)平臺和OpenGL的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，利用3D Max建模，通過天空盒算法的Background節(jié)點技術(shù)實現(xiàn)天空繪制，并采用LOD算法實現(xiàn)地形渲染等，最終實現(xiàn)了虛擬校園漫游系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

2 漫游系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬場景的建設(shè)可分為三步：第一步，根據(jù)校園內(nèi)各建筑物以及各環(huán)境物體的分布圖和具體平面圖，建立一個真實的虛擬校園；第二步，對校園內(nèi)各單個實體對象分別建模，以場為基礎(chǔ)，在空間上連續(xù)分布諸如地形、天空等景觀對象，以離散的實體為特征，以獨立的個體為存在的地形對象，如建筑物、樹木、路燈等；第三步，構(gòu)建好各個單獨的實體場景后，再把這些場景整合在一起，合成完整的虛擬校園場景。

該設(shè)計利用OpenGL進行建模，采用3D紋理貼圖的方式繪制場景，借助照相機、Photoshop等圖像采集與處理的離散圖像通過計算及處理進行了全景圖的生成，最后在VC++6.0環(huán)境中進行交互控制，從而實現(xiàn)虛擬校園全景漫游系統(tǒng)。

系統(tǒng)基本功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)的收集與整理

在虛擬校園的實現(xiàn)過程中，完整的三維空間數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是構(gòu)建虛擬校園必不可少的。在建立地形模型的過程中，通常采取的方法是數(shù)字攝影測量?；跀z影測量的基本原理，以相片作為原始資料，通過影像處理、影像匹配等方法生成模擬模型和數(shù)字模型，然后轉(zhuǎn)化成DEM格式，將形成的DEM與數(shù)字地圖輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

在建筑物當(dāng)中，不同內(nèi)容的高度確定往往是依照建筑設(shè)計圖紙來進行的，在獲得建筑物幾何特征三維模型的過程中，能夠利用建筑設(shè)計圖紙展開進一步的提取?？衫靡延械貓D掃描數(shù)字化的矢量數(shù)據(jù)應(yīng)對屋頂?shù)娜S建筑技術(shù)要求不高的建筑物。假如僅僅是得到了二維矢量數(shù)據(jù)內(nèi)容，那么應(yīng)當(dāng)依照樓層層數(shù)進行高度的推斷。

對于紋理數(shù)據(jù)，通過紋理圖像能夠?qū)拔锉砻嫠哂械牟灰粯拥姆瓷涮匦赃M行表示。在這個過程中所表示的紋理映射也就是把已經(jīng)制定圖像當(dāng)中的部分內(nèi)容進行映射，使之映射到紋理映射的圖像片段當(dāng)中，這種映射與圖像顏色到圖像坐標位置有密切關(guān)系，并且在這個過程中可以進行圖段RGBA顏色的進一步修改。要使用當(dāng)前的紋理繪制圖元，必須在繪制每個頂點之前為該頂點制定紋理坐標。只需調(diào)用glTexCoord2d(s:Double;t:Double)函數(shù)即可。其中，s、t是相對2D紋理產(chǎn)生的s、t坐標。對所有紋理，無論其具有怎樣的大小，在左上角也就是頂端的紋理坐標都是(0,0)，右下角則是(1,1)。在這個過程中表示的是，紋理坐標應(yīng)當(dāng)是一個在0到1之間所具有的數(shù)字。

紋理貼圖實現(xiàn)代碼如下：

namespace OGL

{class CCylinder

{float m_Radia;//圓柱半徑

floatm_Height;

int m_Slice;//圓柱由m_Slice個劃分

CGLTexture *m_pTexture;

Public;

CCylinder():m_pTexture(NULL)

{m_Radia=1 280-128;

m_Height=1 024+1 024;

m_Slice=12;

CharCylinderTex[255]=“Scene1.JPG”;

LoadCylinderTexture(CylinderTex);}

void LoadCylinderTexture(char*CylinderTex)

{If(m_pTexture!=NULL)delete m_pTexture;

m_pTexture=new CGLTexture(Cylinder Tex);}

～CCylinder()

{ deletem_pTexture;}}

2.2 三維模型構(gòu)建與可視化

在該系統(tǒng)開發(fā)中，通過3D Max軟件與OpenGL的結(jié)合使用，降低了系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜程度。構(gòu)建虛擬校園模型的關(guān)鍵是要分析場景的形態(tài)特點，根據(jù)場景模型存在的狀態(tài)特性，可劃分為動態(tài)實體模型和靜態(tài)實體模型。

在獲得相應(yīng)的紋理圖片及信息數(shù)據(jù)之后，根據(jù)虛擬校園系統(tǒng)組成情況進行場景模型的建模。系統(tǒng)三維模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)三維模型

(1)虛擬校園的靜態(tài)實體模型構(gòu)建。

校園靜態(tài)實體[11]包括教學(xué)樓、圖書館、操場、道路及綠化等。靜態(tài)建模主要是以實體自身特性的幾何模型建模和以實體因外部環(huán)境引起的物理模型建模組成。靜態(tài)實體模型的物理建模，主要是對因外在環(huán)境引起的不同實體紋理。而靜態(tài)實體模型的幾何模型，主要是自身外形的實體模型。在靜態(tài)實體模型的幾何建模過程中，根據(jù)采集的實體模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度不同，對于規(guī)則靜態(tài)實體模型可以使用3D Max來建立模型。而對于不規(guī)則實體模型，先使用AutoCAD對模型輪廓進行修改[12]，再通過3D Max建立模型。

(2)虛擬校園的動態(tài)實體模型構(gòu)建。

在構(gòu)建校園系統(tǒng)模型過程中，構(gòu)建運動部分時有可能會改變原來模型組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)在建模形成的模型文件中增加與運動部分鏈接的自由度節(jié)點，設(shè)置相應(yīng)的定位坐標，并在自由度基礎(chǔ)上對模型的運動部分進行分析，從而確定運動關(guān)系。

動態(tài)實體模型作為虛擬校園系統(tǒng)模型的重要組成部分，其建模過程是：用建模工具3D Max構(gòu)建校園系統(tǒng)模型中動態(tài)模型的靜態(tài)、動態(tài)兩個部分，在構(gòu)建動態(tài)模型過程中將自由度增大；增強動態(tài)實體模型的動畫展示效果；在虛擬校園系統(tǒng)的模型中呈現(xiàn)動態(tài)模型的flash效果。

(3)天空場景的設(shè)計。

本系統(tǒng)中天空的實現(xiàn)使用了天空盒算法的Background節(jié)點，為虛擬校園場景的天空增加藍天白云效果，以提高三維虛擬校園場景的真實性。在Background節(jié)點中，分別用skyColor和skyAngle域值來控制天空的顏色。skyColor域指定立體空間背景天空的顏色，域值是由一系列的紅色、綠色和藍色組合而成。skyAngle域是指定立體空間背景上需著色的位置的天空角。在這個過程中對所有天空的顏色進行設(shè)定，從而產(chǎn)生相應(yīng)的過渡，產(chǎn)生漸變作用，從而使天空看起來更加逼真。

天空盒的實現(xiàn)是通過矩形方盒作為天空遠景貼圖，產(chǎn)生相應(yīng)的立方體。首先生成一個足夠大的立方體，然后將表現(xiàn)天氣效果的不同天空紋理貼在立方體盒子的各個不同面上，避免出現(xiàn)太平面化、粗糙的情況，采用一種淺藍色的天空使背景進一步得以消除，以此來表達模擬效果的逼真程度。作為天空背景的圖片需滿足的條件是：圖形格式應(yīng)當(dāng)為BMP，即位圖；根據(jù)size參數(shù)設(shè)置圖片尺寸，尺寸有嚴格的要求，最好是2的倍數(shù)；設(shè)置好保存路徑和名稱，渲染時必須保證四邊應(yīng)與相關(guān)圖像的位置相互連接。

2.3 三維模型的優(yōu)化設(shè)計

(1)建筑物幾何模型優(yōu)化。

在虛擬校園系統(tǒng)中，依據(jù)學(xué)校中建筑物的外觀以及結(jié)構(gòu)展開分類，之后進行模型構(gòu)建，對外觀或者結(jié)構(gòu)相同的建筑物采取同樣的模型進行建造，對較為復(fù)雜的模型則通過拆分方法進行簡化，之后展開建模。

在建筑物建模方面，幾何模型包含頂部和墻面兩方面的內(nèi)容。墻面可以利用畫面或者線段的手段得以實現(xiàn)。頂部包含一切頂點坐標，因為在建模過程中不同建筑物具有不同的頂部形狀，不能采取通用模型對建筑物頂部的狀況進行表達，需要依照相關(guān)規(guī)則排列的坐標數(shù)據(jù)對不同的信息進行推進，對所有建筑物都需要依照頂部外形特征展開分類，對于不同建筑物采取的幾何模型數(shù)據(jù)也是完全不同的。

(2)三維虛擬校園建筑物的紋理映射。

“在影響翻譯實踐的諸多因素中，最活躍且起著決定性作用的，是翻譯的主體因素?！盵3]許鈞總結(jié)了國內(nèi)有關(guān)翻譯的主體的討論，得出翻譯主體可以是:“譯者，原作者與譯者，譯者與讀者，原作者、譯者與讀者，”[4]雖然他沒有具體的指出翻譯主體的具體概念，但總的來看，由于譯員在翻譯活動中擁有獨特地位、創(chuàng)造性和能動性，造成其在翻譯主中的不可或缺性。許鈞在《翻譯的主體間性與視界融合》一文中提出：“翻譯活動中作者、譯者和讀者之間關(guān)系的和諧是保證翻譯成功的重要條件?！盵5]

對建筑物窗戶進行建模通常利用線段展開構(gòu)造，對窗戶的框架進行描述并展開渲染。由于校內(nèi)建筑物體眾多，若要一一進行建模，需要消耗太多的時間，且會影響系統(tǒng)運行速度。所以不同建筑物表面的窗戶都能利用紋理映射的方法展開建模。具體的實現(xiàn)手段在于：將學(xué)校中所有建筑物的數(shù)據(jù)紋理展開加工并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)格式，對所有面展開相應(yīng)的映射。

(3)消隱處理。

在真實感圖形生成中，為了提高模型的加載效率，需要對場景模型進行消隱處理。場景的消隱就是給定視點以及視線，進一步?jīng)Q定場景當(dāng)中物體表面的可見性以及被遮擋之后不可見的特性。消隱可看成是一個排序問題，排序的效率可影響到消隱算法的效率。

在某個視點當(dāng)中對三維物體進行觀察，能夠看到物體表面分布的點線面，而其他部分可能被這些部分進行遮擋，如果想要使三維物體得以展現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)在確定相應(yīng)的視線之后，對表面不可見的點線面進行消除，這種方法也就是消隱算法。

目前的消隱算法中，背面消除、Z緩沖器算法、畫家算法以及掃描線算法等比較常見。

Z緩沖器算法主要是對投影平面上每個像素所對應(yīng)的表面深度進行比較。不需要整個場景的幾何數(shù)據(jù)，是所有圖像空間算法當(dāng)中較為簡單的消隱內(nèi)容。面對同樣的像素，Z緩沖器往往是進行表面的保存，假如新的表面深度相對緩沖器表面深度與視點更加接近，那也就保存了新的內(nèi)容。

Z緩沖器算法實現(xiàn)代碼如下：

{for(x=0；x

for(y=0；y

置Z緩存的第(x，y)單元的顏色為背景色；}

for(每一個多邊形平面)

for(投影平面上的每一個像素)

{計算多邊形在該像素(x，y)處的深度值d;

If(d>Z緩存在(x，y)處的值)

{置Z緩存的第(x，y)單元的深度值為d;

置Z緩存的第(x，y)單元的顏色值為當(dāng)前多邊形顏色值；}}}

3 虛擬校園漫游系統(tǒng)交互性的實現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的特征之一是實時交互性，是虛擬校園建設(shè)的核心。三維場景構(gòu)建好后，需進行交互性的調(diào)試。系統(tǒng)可以通過實時交互控制，借助鼠標、鍵盤等外部輸入設(shè)備，在電腦上實現(xiàn)校園的漫游虛擬。

3.1 交互漫游的實現(xiàn)

系統(tǒng)交互漫游時主要通過NavigationInfo(導(dǎo)航)節(jié)點和Viewpoint(視點)節(jié)點進行控制。瀏覽速度和方式通過NavigationInfo節(jié)點設(shè)置，瀏覽校園中相應(yīng)場景時，其位置和朝向通過Viewpoint節(jié)點設(shè)置。用戶借助鍵盤、鼠標等外部設(shè)備對校園場景直接交互功能的實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 直接交互功能

3.2 交互漫游的控制

在系統(tǒng)實現(xiàn)的進程中，當(dāng)用戶站立角度發(fā)生改變時，場景內(nèi)的物體就應(yīng)當(dāng)重新展開繪制。具體方法包括：利用場景中三維物體的改變得以完成，或者通過視點變換使交互場景畫面得以改變。

gluLookAt()函數(shù)是OpenGL中提出的視點變換的方法，這種函數(shù)對旋轉(zhuǎn)和平移的命令進行了封裝，其通過眼睛位置、參考和矢量進行矩陣的改變，并將目標點映射到相應(yīng)z軸當(dāng)中，原點屬于其觀察點。在投影矩陣的過程中，場景映射到相關(guān)視區(qū)中心，而向上矢量則映射到y(tǒng)軸當(dāng)中，不過在這個過程中向上矢量并不一定與視線到參考線之間進行平衡。

交互漫游控制實現(xiàn)的主要代碼如下：

(1)初始化模型。

static t3DMode1 g_3DMode1[2];

CLoad3DS* m_3DS=new CLoad3DS;

m_3DS->Init(“neicum2 3DS”,0);

gLoadName(0);

m_3DS>show3DS(0,g_3DModel[0].Position x,g_3DModel[0].Position y,g_3DModel[0].Position z,0. 6,g_3DModel[0].bngitude,g_3DModel[0].latitude);

(2)選擇函數(shù)。

hits=glRendeMode(GL_RENDER);

if(hits<=0)

return -1;

returnselectBuf[(hits-1)*4+3];

(3)平移函數(shù)。

g_3DModel[hits].Position x+=m_xTranslation;

g_3DModel[hits].Position y+=m_yTranslation;

(4)旋轉(zhuǎn)函數(shù)。

g_3DMode[hits].longitude-=theta;

g_3DMode[hits].latitude+=phi;

3.3 碰撞檢測功能的實現(xiàn)

碰撞檢測技術(shù)[13]主要是對場景內(nèi)部的物體進行，隨著在場景內(nèi)部全局Camera的移動，相當(dāng)于觀察者在場景中進行漫游。當(dāng)觀察者移動到一些場景內(nèi)部時，如果沒有碰撞檢測，就會直接穿過物體，不符合實際情況，所以需要引入碰撞檢測技術(shù)。

本模塊主要利用包裝盒算法[14]對三維場景中的物體區(qū)域進行判斷，建立包裝盒，判斷場景中哪些物體應(yīng)當(dāng)展開碰撞檢測。在發(fā)生包裝盒級別碰撞的過程中，對三角形級別碰撞是否發(fā)生進行進一步的判斷。這種包裝盒級別分區(qū)域級別[15]，最后進行的往往是三角形級別過程中的檢測，相對于普通檢測算法，精確度往往較高，而且避免了碰撞檢測過程中導(dǎo)致的性能損失。在具體實現(xiàn)過程中有如下方面的手段：首先依照物體運動規(guī)律或者用戶輸入在每一幀的位置進行計算，這時不用對碰撞檢測問題進行考慮，然后再對場景中的三角形進行循環(huán)檢測。在循環(huán)的過程中進行如下操作：

(1)找到當(dāng)前三角形所在的平面，暫且稱之為平面S；

(2)對物體在上一幀以及當(dāng)前位置進行判斷，并判斷其與平面S之間存在的關(guān)系。假如上一幀在平面之前，而這一幀已經(jīng)達到了平面之后，那么進行第1步的計算。

(3)因為在平面兩側(cè)屬于前后兩幀物體的移動，也就表示物體已經(jīng)穿過了平面當(dāng)中。但是由于平面沒有邊界，這時不能表示物體與三角形之間產(chǎn)生了碰撞，還需要對物體在三角形三條邊范圍當(dāng)中的界限進行判斷。在通過了三條邊之后進行平面PS1,PS2,PS3的垂直設(shè)置。并令其法線指向內(nèi)部當(dāng)中，對物體位置進行判斷，判斷其是否處于相應(yīng)的平面當(dāng)中，是則轉(zhuǎn)步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟5。

(4)當(dāng)確定物體與三角形產(chǎn)生碰撞之后進行位置的修正，使其能夠依照S進行運動。

(5)當(dāng)確定物體沒有產(chǎn)生碰撞時，將下一個三角形作為相應(yīng)的三角形，并重新返回步驟1。

攝像機虛擬漫游效果如圖6所示。

圖6 虛擬漫游效果

4 結(jié)束語

以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，介紹了基于OpenGL虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)情況，對開發(fā)虛擬校園漫游系統(tǒng)的基本算法進行進一步研究，并對場景模型的建模和漫游交互功能等內(nèi)容進行介紹和實現(xiàn)。完成了三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。通過測試，該虛擬校園漫游系統(tǒng)運行流暢。虛擬校園全景漫游系統(tǒng)真實地進行了三維景觀的表述，用戶可以借助鼠標和鍵盤等外部設(shè)備在三維虛擬校園場景中漫游，使校園真實感的交互操作得以實現(xiàn)。

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