李秀玲

（忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，山西 忻州 034000）

0 引言

研究和實(shí)驗(yàn)三維虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬校園的意義在于：

（1）通過(guò)虛擬校園，用戶(hù)可以直觀、詳細(xì)地了解校園的景觀和環(huán)境，能感受到栩栩如生的校園建筑，對(duì)校園環(huán)境產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。

（2）能夠完善學(xué)校的網(wǎng)站功能，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器來(lái)體驗(yàn)校園逼真的視覺(jué)效果，并配以許多信息查詢(xún)功能，有助于學(xué)校宣傳，并提高學(xué)校的知名度。

（3）有利于學(xué)校招生，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建立虛擬校園，可以提高校園的美譽(yù)度幫助學(xué)校大范圍的招生，從而增強(qiáng)學(xué)校的影響力和競(jìng)爭(zhēng)力。

（4）優(yōu)化學(xué)校建設(shè)，通過(guò)虛擬校園，學(xué)校可以方便的對(duì)學(xué)校結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并做出合理的布局規(guī)劃[3]；另一方面設(shè)計(jì)者們可以首先在系統(tǒng)中對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)虛擬導(dǎo)游員進(jìn)行預(yù)覽，得到合適的方案，這樣就避免了盲目施工所帶來(lái)的資源浪費(fèi)。

由此，虛擬校園可認(rèn)為包括學(xué)?，F(xiàn)實(shí)的虛擬化和過(guò)程教學(xué)[5]。其虛擬校園包括模擬真實(shí)的校園景觀，它的建筑可以是現(xiàn)有的建筑，也可以是正在建設(shè)的或準(zhǔn)備建設(shè)的建筑。這個(gè)課題主要服務(wù)于現(xiàn)實(shí)的學(xué)校[2]。

1 虛擬校園系統(tǒng)的總體構(gòu)建

根據(jù)作者自身的實(shí)際情況和綜合能力，準(zhǔn)備從程序底層開(kāi)發(fā)，既運(yùn)用 VC++和 OpenGL編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)[6]，校園三維場(chǎng)景的建模主要采用3ds max這個(gè)軟件，對(duì)建筑物表面紋理圖片的處理主要使用Photoshop這個(gè)軟件。

虛擬校園開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的總體構(gòu)建如圖1所示。

2 虛擬校園的功能模塊

根據(jù)虛擬校園的總體構(gòu)建圖，將虛擬校園的功能分為設(shè)計(jì)界面、輸入數(shù)據(jù)、建立模型和交互系統(tǒng)四大模塊。如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總體構(gòu)建圖Fig.1 The overall structure of system development

圖2 虛擬校園系統(tǒng)的功能模塊圖Fig.2 Functional module diagram of virtual campus system

3 建立實(shí)體模型

3.1 收集數(shù)據(jù)及預(yù)先處理

在該系統(tǒng)中幾何建模的主要數(shù)據(jù)來(lái)自設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)。圖片主要來(lái)自數(shù)碼相機(jī)對(duì)一些標(biāo)志性建筑拍照得到的；紋理數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼相片及素材庫(kù)中的圖片經(jīng)過(guò)處理得到的。針對(duì)結(jié)構(gòu)外觀比較簡(jiǎn)單的建筑采用 OpenGL直接建模[1]，如果建筑物較復(fù)雜，首先把模型進(jìn)行拆分，拆成多個(gè)簡(jiǎn)單的模型，再進(jìn)行建模[7]。

3.2 具體建模過(guò)程

采用OpenGL建模的方法是，對(duì)于建筑物的模型首先建立如下所示的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct Object_Type

{

int nObject_Type;int nNumPoint;

float dWidth_Direct;

float dHeights;

Point3DArray points;

}Object;

在OpenGL中墻面由面片來(lái)組成，首先根據(jù)攝影測(cè)量工具對(duì)墻面所收集的頂點(diǎn)進(jìn)行處理，即把所有的頂點(diǎn)依次連接成一系列的四邊形。具體生成的面片圖3所示。

對(duì)于建筑物頂部的建模，可以通過(guò)其所有的頂點(diǎn)坐標(biāo)生成。通常校園建筑物頂部都是平頂建筑，所以其模型能看作是頂部與墻面的組合[9]。這樣就把一個(gè)復(fù)雜的建筑物簡(jiǎn)單化了。

還有校園中如果有如階梯教室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所等復(fù)雜的建筑物，可以根據(jù)這些建筑物外在的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分解，分成若干形態(tài)簡(jiǎn)單的幾何體，然后在定義這些幾何體的數(shù)據(jù)模型[4]。

3.3 紋理映射過(guò)程

通常對(duì)于建筑物表面材質(zhì)和顏色采用紋理映射的方法進(jìn)行建模。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：通過(guò)采集加工把建筑物上各個(gè)面的紋理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形圖像格式，在繪制每個(gè)面時(shí)在分別對(duì)每個(gè)面進(jìn)行紋理映射。通過(guò)紋理映射得到的場(chǎng)景對(duì)象仿真度高，而且栩栩如生。下面的校園景觀圖4就是通過(guò)紋理映射得到的。

圖3 墻面四邊形結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Wall quadrilateral structure

圖4 紋理映射后的景觀Fig.4 Texture-mapped landscape

4 系統(tǒng)交互的實(shí)現(xiàn)

4.1 交互漫游功能的實(shí)現(xiàn)

（1）通過(guò)鍵盤(pán)鼠標(biāo)獲取

用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)的上下左右鍵來(lái)完成相應(yīng)的動(dòng)作控制。每次完成一個(gè)動(dòng)作按鍵系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)事件，在系統(tǒng)中控制場(chǎng)景的變換主要是通過(guò)用戶(hù)先點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵，然后系統(tǒng)程序把這個(gè)動(dòng)作轉(zhuǎn)換為控制命令，最后實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的變換。

在三維虛擬場(chǎng)景中大部分操作是由鼠標(biāo)來(lái)完成的，如：三維場(chǎng)景的視角、旋轉(zhuǎn)及定位等操作。所以在三維校園系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的動(dòng)作輸入時(shí)常常是鍵盤(pán)鼠標(biāo)配合起來(lái)使用共同來(lái)完成用戶(hù)的操作。

（2）漫游的控制

在虛擬漫游系統(tǒng)中如果用戶(hù)的視角發(fā)生改變時(shí)，場(chǎng)景中的對(duì)象也發(fā)生了相應(yīng)的改變。這樣就需要通過(guò)下面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是通過(guò)場(chǎng)景中改變?nèi)S對(duì)象的坐標(biāo)來(lái)完成，二是通過(guò)三維場(chǎng)景視點(diǎn)的變換來(lái)完成場(chǎng)景的改變。這種方法是通過(guò)對(duì)用戶(hù)視點(diǎn)的變換來(lái)完成場(chǎng)景中對(duì)象的重新繪制。

當(dāng)場(chǎng)景的建模完成后，通常要選擇一個(gè)合適的視角作為觀察點(diǎn)，或者來(lái)回不停地變換視角，來(lái)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行觀察。OpenGL中專(zhuān)門(mén)提供了函數(shù)gluLookAt( )用于視點(diǎn)的變換[10]。

void gluLookAt（GLdouble eyex，GLdouble eyey,

GLdouble eyez,

GLdouble centerx, GLdouble centery,

GLdouble centerz,

GLdouble upx, GLdouble upy, GLdouble

upz）；

其中：eyex，eyez，eyez是指定視點(diǎn)位置

Centerx，centerz，centery指定參考點(diǎn)位置

Upx， upy，upz，指定視口向上的方向

具體如圖5所示。

圖5 函數(shù)gluLookAt()的坐標(biāo)系Fig.5 Coordinates of the function glulookat

在虛擬校園漫游系統(tǒng)中人所處的位置的坐標(biāo)方向始終向上，其中視點(diǎn)坐標(biāo)的方向即向量坐標(biāo)（upx，upy，upz）固定為（0.0f，1.0f，0.0f），然后通過(guò)鍵盤(pán)鼠標(biāo)的操作，即提前設(shè)定一個(gè)變量然后通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)調(diào)整速度，通過(guò)鼠標(biāo)操作來(lái)確定相關(guān)的位移量。利用三維幾何學(xué)知識(shí)計(jì)算出參考點(diǎn)與人眼之間的變化，最后通過(guò)函數(shù)gluLookAt()自動(dòng)生成相應(yīng)的三維場(chǎng)景。

4.2 動(dòng)態(tài)漫游功能的實(shí)現(xiàn)

所謂動(dòng)態(tài)漫游指用戶(hù)在下圖的三維正交投影圖上點(diǎn)擊，選定一條路線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游。

圖6 三維正交投影示意圖Fig.6 Three-dimensional orthogonal projection diagram

在三維校園場(chǎng)景中，通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)確定一條路線(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取點(diǎn)擊點(diǎn)的坐標(biāo)，然后計(jì)算出這條路線(xiàn)視點(diǎn)參數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)參數(shù)，然后把這些參數(shù)帶入函數(shù)gluLookAt()中，來(lái)回地繪制場(chǎng)景，這樣就完成了三維場(chǎng)景的路線(xiàn)漫游。在Windows下編程時(shí)，用計(jì)時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔。在編程環(huán)境下創(chuàng)建一個(gè)計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器就隔一定時(shí)間通知Windows向窗口發(fā)送信息，Windows通過(guò)響應(yīng)這個(gè)信息就能以一定的時(shí)間間隔來(lái)完成任務(wù)。

4.3 碰撞檢測(cè)

在本文中實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)采用的是層次包圍盒法，這種方法的具體做法是：首先給場(chǎng)景中的對(duì)象建立方體包圍盒，屬性參數(shù)設(shè)置為隱藏；然后在用戶(hù)指定路線(xiàn)上的模型時(shí)給每個(gè)對(duì)象添加包圍盒，最后在場(chǎng)景中進(jìn)行漫游時(shí)添加碰撞檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)的具體流程圖如下。

圖7 碰撞檢測(cè)的流程圖Fig.7 Flow chart of collision detection

根據(jù)上面的流程圖，首先為每個(gè)模型定義包圍盒，包圍盒其實(shí)就是一個(gè)正六面體，其屬性參數(shù)設(shè)為隱藏，具體碰撞檢測(cè)的初始化代碼如下：

stuct OBJPOSI

{

float x, h, z;

float sizew;

float sizel;

float sizeh;

float showscale;

int objnum;

float angle;

};

其中 float x，h，z設(shè)對(duì)象的位置；float sizew設(shè)置包圍盒的寬，float sizel設(shè)置包圍盒的長(zhǎng)，float sizeh設(shè)置包圍盒高；float showscale設(shè)置對(duì)象的縮放倍數(shù)；float angle設(shè)置對(duì)象的角度。

碰撞檢測(cè)時(shí)首先判斷這兩個(gè)對(duì)象的包圍盒是否發(fā)生了碰撞這樣做不僅程序簡(jiǎn)單，而且計(jì)算準(zhǔn)確。

4.4 連接數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)上面的研究工作，為了達(dá)到與周?chē)h(huán)境的交互效果，還需要增加數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，即把三維校園中的對(duì)象都收入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)用戶(hù)任意選擇建筑物時(shí)，選擇到的建筑物為參數(shù)可以到數(shù)據(jù)庫(kù)中查找，并將建筑物的名稱(chēng)及面積實(shí)時(shí)地顯示在桌面上。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先獲取用戶(hù)點(diǎn)擊對(duì)象的名稱(chēng)；然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)對(duì)象的名稱(chēng)查找相關(guān)的信息；最后將信息輸出到桌面上。

由于這個(gè)三維場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量不太，選擇Access數(shù)據(jù)庫(kù)就可以了。首先編寫(xiě)dll文件實(shí)現(xiàn)必要的函數(shù)接口。

boolg_open_db(); //初始化數(shù)據(jù)庫(kù)

voidg_get_value(const char*valuename, const

char*id, const char*value);

//設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)注的腳本

支持

boolg_close_db(); //關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)

這樣數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息可以隨時(shí)隨軍地更新，這樣用戶(hù)在交互式漫游時(shí)，可以隨意點(diǎn)擊觸發(fā)，同時(shí)對(duì)于場(chǎng)景中出現(xiàn)的建筑物通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查找更加詳細(xì)的信息。

4.5 虛擬漫游系統(tǒng)的生成

為了實(shí)現(xiàn)能在虛擬場(chǎng)景中漫游，而且與周?chē)鷪?chǎng)景發(fā)生交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。需要在場(chǎng)景中添加背景音樂(lè)增強(qiáng)場(chǎng)景的沉浸感，首先選擇一個(gè)適合場(chǎng)景的音樂(lè)作為背景音樂(lè)，這時(shí)需要應(yīng)用腳本編輯器，在數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)類(lèi)型中創(chuàng)建函數(shù)的初始化，然后添加背景音樂(lè)腳本，并插入語(yǔ)句設(shè)置其相關(guān)屬性[8]。

經(jīng)過(guò)以上過(guò)程的創(chuàng)建包括創(chuàng)建三維場(chǎng)景的構(gòu)造、自然現(xiàn)象的模擬、數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、交互場(chǎng)景的構(gòu)造及碰撞檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)等工作的完成，校園虛擬漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基本完成，其實(shí)現(xiàn)的效果圖如圖8所示。

圖8 校園虛擬系統(tǒng)效果圖Fig.8 Virtual system on campus

5 結(jié)語(yǔ)

高職院校作為以職業(yè)技能為主，我們需要的不是高科技，而是更為先進(jìn)的理念和創(chuàng)新?；ヂ?lián)網(wǎng)高速發(fā)展正在改變著人們的生活，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正把越來(lái)越多的網(wǎng)上場(chǎng)景改造成真正的 3D場(chǎng)景，所以虛擬現(xiàn)實(shí)的明天在網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的明天在虛擬現(xiàn)實(shí)。本系統(tǒng)可以推廣到其它的虛擬系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)中，如“虛擬城市、虛擬小區(qū)”的研究和實(shí)現(xiàn)中。