劉菲菲

摘 ?要： 虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要應(yīng)用。將某校園作為虛擬仿真環(huán)境，利用3DS MAX建模工具實現(xiàn)校園模型的建模，基于Google Earth衛(wèi)星截圖實現(xiàn)場景精準(zhǔn)布局設(shè)計。融入Virtools虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺實現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)流程的設(shè)計，并且在微機平臺中設(shè)計復(fù)雜場景校園實時漫游系統(tǒng)。此虛擬校園漫游系統(tǒng)不僅能夠為用戶提供良好的Web界面，還能夠?qū)崿F(xiàn)基于導(dǎo)航圖控制的人機交互機制，方便利用多種漫游模式實現(xiàn)校園內(nèi)場景的快速漫游。

關(guān)鍵詞： 幾何建模; 虛擬技術(shù); 校園漫游系統(tǒng); 三維模型; 3DS MAX; 人機交互

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）13?0127?04

Virtual campus roaming system based on geometric modeling technology

LIU Feifei

（College of Science & Arts， Jianghan University， Wuhan 430345， China）

Abstract： Virtual roaming system development is the main application of virtual reality technology. The modeling of campus model is realized with the 3DS MAX modeling tool by taking a campus as a virtual simulation environment. The optimization measures of the geometric modeling scene are adopted to， realize the precise layout design of the scene on the basis of the Google Earth satellite screenshot. The development process design of the virtual campus roaming system is realized with Virtools virtual reality development platform. A real?time complex scene campus roaming system is designed on the computer platform. This virtual campus roaming system can not only provide users with a good web interface， but also realize the human?computer interaction mechanism based on navigation chart control. It is convenient to use many kinds of roaming modes to achieve rapid roaming of campus scenes.

Keywords： geometric modeling; virtual technology; campus roaming system; 3D model; 3DS MAX; human?computer interaction

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實生成逼真三維聽覺、視覺、嗅覺及觸覺等虛擬感覺世界，利用Internet直接在用戶中作用，使其產(chǎn)生身臨其境的感覺，尤其是和其中的物體實時交互之后，使人具有和計算機融為一體的感覺。創(chuàng)建虛擬校園屬于現(xiàn)代教學(xué)的主要需求，虛擬校園對于校園常見的展現(xiàn)全面、生動且形象[1]。另外，校園場景還要求具有自動瀏覽功能，并且虛擬校園能夠?qū)W(xué)校網(wǎng)站進行充實，還具備實時交互性。用戶能夠快速到達想要瀏覽的場景，并且通過不同視角實現(xiàn)查看。對重要校園建筑實體和多媒體技術(shù)相互整合，從而介紹實體功能，提供校園信息。所以，虛擬校園不僅屬于學(xué)校網(wǎng)絡(luò)門戶，還能夠幫助教師及學(xué)生熟悉校園[2]。

1 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的功能分析

此系統(tǒng)主要是以第一人稱視角實現(xiàn)校園三維全景系統(tǒng)漫游，系統(tǒng)的功能目標(biāo)為：

1） 直觀了解校園。實現(xiàn)真實校園環(huán)境的模擬，包括實驗樓、教學(xué)樓、行政樓、信息樓、圖書館、校史館、培訓(xùn)樓、操場等的模擬，能夠?qū)⑿@中的各個場景都充分為用戶展現(xiàn)，以此能夠使用戶快速認(rèn)知環(huán)境。

2） 網(wǎng)絡(luò)宣傳。實現(xiàn)三維虛擬校園的創(chuàng)建，能夠有效促進對外宣傳，提高學(xué)校形象，從而使網(wǎng)站點擊率得到進一步的提高。

3） 應(yīng)用接口功能的豐富。虛擬漫游校園系統(tǒng)的開放性良好，能夠為其他信息提供載體，系統(tǒng)能夠直接在學(xué)校主頁網(wǎng)站中嵌入。

在實現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)的過程中，要實地拍攝現(xiàn)有建筑和場景，并且對其進行實地觀察，利用幾何建模方法創(chuàng)建場景[3]。圖1為虛擬校園漫游設(shè)計的流程。

圖1 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計流程

2 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的創(chuàng)建

2.1 ?收集數(shù)據(jù)

對校園中的外景及內(nèi)景圖片進行實地拍攝，使此圖片能夠成為校園虛擬漫游場景貼圖。通過校方提供的校園平面規(guī)劃圖及建筑物的施工圖紙，對各個建筑物的各種物理數(shù)據(jù)進行測量，使其成為場景布局及三維模型創(chuàng)建的根據(jù)。為了能夠使場景更加真實，還要拍攝部分場景對象的數(shù)碼照片，準(zhǔn)備材質(zhì)貼圖中的部分圖片，比如草地圖片、磚紋圖片等。

2.2 ?簡單場景建模

使用VRML中自帶的節(jié)點模型實現(xiàn)簡單場景建模，在建模的過程中使用紋理映射等多種輔助措施使模型復(fù)雜度得到降低。現(xiàn)場收集建筑物外部紋理照片，后期使用圖像處理軟件將核實部分進行截取，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整大小、色調(diào)和亮度之后實現(xiàn)紋理貼圖。在實現(xiàn)地形模型創(chuàng)建的過程中，充分考慮校園中的道路規(guī)整且平坦，根據(jù)場景中的平面圖坐標(biāo)位置創(chuàng)建植物模型及綠化帶，基于此創(chuàng)建完整美觀的三維虛擬場景。在定位整體視覺之后，對復(fù)雜教學(xué)樓建筑群設(shè)計的過程中，設(shè)計人員能夠使用3DS MAX專業(yè)建模軟件對單建筑進行創(chuàng)建并且貼圖，最終依次實現(xiàn)wr1文件的輸出[4]。

2.3 ?安裝VRML瀏覽器

在此過程中最常見的插件包括Viscape，BS，只需要在IE或者Goole瀏覽器中實現(xiàn)VRML插件的安裝，相當(dāng)于對整個瀏覽器進行了升級。使建模軟件中所導(dǎo)出的[.wrl]文件使用瀏覽器打開，對效果進行觀察，并且以實際情況進行調(diào)整。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的管理及組織，可以利用Inline節(jié)點實現(xiàn)。在wrl文件中使用Inline節(jié)點中包括其他建筑物模型文件和地形模型等文件，從而能夠避免使全部數(shù)據(jù)都在一個wrl文件中寫入，有效實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)總體的三維模型整合，最后實現(xiàn)VRML文件中子文件的綜合[5]。

2.4 ?渲染及烘焙

在創(chuàng)建模型之后就要對其實現(xiàn)渲染，從而使模型能夠更加漂亮，具有較強的真實感。渲染工作主要指的是物體材質(zhì)及燈光，由于此三維場景模擬太陽光，所以使用平行光源實現(xiàn)?；诖藢崿F(xiàn)渲染，之后和燈光結(jié)合渲染，對陰影、漫射及反射等進行計算，所以渲染度比較慢。烘焙的主要目的就是要使光照的效果在物體紋理中添加，并且使其作為圖片文件進行保存，利用烘焙之后的物體模型到啟動平臺中導(dǎo)入，從而能夠產(chǎn)生光照效果。另外，不需要計算機重新計算，可降低計算機運算量。

2.5 ?對VRML場景交互方法進行確定

在實際使用過程中，假如利用VRML無法滿足理想效果，就要根據(jù)其他輔助文件實現(xiàn)。目前根據(jù)第三方進行。最后編寫代碼，實現(xiàn)三維場景的優(yōu)化及測試[6]。

3 ?創(chuàng)建三維虛擬場景數(shù)據(jù)庫

在創(chuàng)建高逼真程度虛擬漫游系統(tǒng)的過程中，逼真化的三維場景模型屬于重要內(nèi)容。在實現(xiàn)建模的過程中，對場景細(xì)節(jié)表現(xiàn)和圖形的負(fù)荷進行平衡，為了能夠使創(chuàng)建的漫游場景有效滿足實時繪制的需求，還要利用系統(tǒng)實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)的實例化、層次化等技術(shù)對場景進行優(yōu)化?？臻g數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?空間數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)

在虛擬場景中，實體建筑是較為重要的部分，也是主要的場景內(nèi)容。創(chuàng)建建筑模型和優(yōu)化過程的步驟為：

1） 獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)建筑幾何形狀及外觀模型創(chuàng)建的過程中，如果沒有建筑圖紙，可以通過實體拍攝照片，通過3DS MAX進行建模。

2） 確定模型的層次結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)在建模過程中沒有建模工具，無法實現(xiàn)場景模型管理，所以在實現(xiàn)模型創(chuàng)建過程中就要實現(xiàn)Virtools的導(dǎo)入，從而進行層次設(shè)計。比如，以主題分組，然后實現(xiàn)各主體結(jié)構(gòu)的分解，創(chuàng)建圖元結(jié)構(gòu)。

3） 有效去除冗余的多邊形。描述實體模型表面數(shù)據(jù)的冗余情況，主要是模型中不可見部分，比如樓體底面、連接面、內(nèi)墻面，由于在場景瀏覽過程中為不可見的部分，將其去除并不會對實體視覺效果造成影響，將此冗余多邊形消除能夠使場景復(fù)雜度得到降低。在此過程中只考慮建模過程中的模型可見性裁剪，實現(xiàn)校園實時漫游過程中以Virtools中的SDK剔除非基本圖元層的不可見體，從而將GPU的性能充分發(fā)揮出來，繪制復(fù)雜校園室內(nèi)場景[7]。

4） 通過紋理實現(xiàn)映射。由于部分建筑物中具有大量的門窗、欄桿等問題，一般都是通過紋理映射提取相應(yīng)位置多邊形的表面紋理圖片，將其代替詳細(xì)的模型。此種處理方法能夠使模型多邊形數(shù)量和復(fù)雜程度得到降低，從而有效提高繪制圖像的速度。

5） 通過LOD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾何場景及模型的簡化，校園漫游系統(tǒng)在定義LOD中都是利用3DS MAX實現(xiàn)的。

6） 漫游場景中的外部景觀屬于較為重要的部分，適當(dāng)、美觀的外部景觀能夠使場景逼真度及真實感得到有效的提高，在此系統(tǒng)虛擬校園中，外部景觀主要指的是草叢、樹木、路燈、花叢、花壇及涼亭等。為了使校園場景氛圍更加逼真，在實現(xiàn)場景創(chuàng)建之后，后期還設(shè)置了人群及汽車等實體[8]。

4 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 ?數(shù)據(jù)庫的使用

4.1.1 ?位置修改及功能查詢的實現(xiàn)

圖3為樹形結(jié)構(gòu)，將樹形結(jié)構(gòu)打開，利用鼠標(biāo)右鍵對節(jié)點單擊，從而彈出菜單，其中就有修改位置的選項，其主要目的就是對試點中的位置進行記錄，將其在數(shù)據(jù)庫中存儲，此功能能夠便于用戶修改數(shù)據(jù)庫場景的位置，主要代碼為：

圖3 ?樹形結(jié)構(gòu)

查詢功能的作用就是用戶不知道虛擬場景中的位置，通過雙擊樹形結(jié)構(gòu)中的節(jié)點，在系統(tǒng)左面三維虛擬場景渲染的地方，畫面就會從目前節(jié)點視點地方對用戶雙擊節(jié)點視點地方切換，也就是從目前位置飛到目的地，實現(xiàn)查詢，使用戶對于三維虛擬場景認(rèn)知得到提高，還能夠提高虛擬校園漫游系統(tǒng)的沉浸感及交互性。以下為查詢功能的實現(xiàn)代碼：

4.1.2 ?修改節(jié)點屬性

在用戶點擊樹形結(jié)構(gòu)中的某個節(jié)點對象時，基于樹形結(jié)構(gòu)下方節(jié)點對象屬性顯示欄，就會將此節(jié)點屬性信息進行展現(xiàn)，詳見表1。在修改屬性信息內(nèi)容時，用戶能夠利用鼠標(biāo)右鍵對文本框內(nèi)容單擊，從而對屬性信息進行修改[9]。

表1 ?顯示屬性信息

4.2 ?系統(tǒng)的展現(xiàn)

本文將GPS和全站儀結(jié)合，實現(xiàn)某大學(xué)實地測量，得出校園二維平面地圖，從而創(chuàng)建虛擬三維場景。綜合使用Vega Prime軟件，以MFC框架為基礎(chǔ)創(chuàng)建虛擬校園漫游系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)查詢功能、駕駛漫游、虛擬場景物體節(jié)點屬性展現(xiàn)和二維漫游導(dǎo)航等功能，圖4為系統(tǒng)的啟動界面結(jié)構(gòu)。

圖4 ?系統(tǒng)的啟動界面結(jié)構(gòu)

圖5 ?系統(tǒng)驅(qū)動構(gòu)成

5 ?結(jié) ?語

校園虛擬漫游系統(tǒng)以瀏覽器為基礎(chǔ)，不需要任何的瀏覽器插件，具有良好的用戶操作界面。用戶的操作較為簡單方便，能夠使用鼠標(biāo)任意地拖動、縮小和放大。利用校園虛擬漫游系統(tǒng)，使用戶能夠直觀地掌握校園各個區(qū)域，更加容易實現(xiàn)空間次序的視覺理解及感知，對于校園環(huán)境具有身臨其境的感覺。此系統(tǒng)能夠為校園宣傳提供全新的表現(xiàn)方式，對于學(xué)校后期創(chuàng)建數(shù)字化校園具有重要的作用。

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