劉明霞,韋念杰,楊 楠,李 強(qiáng)

(泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山東泰安 271021)

數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

劉明霞,韋念杰,楊 楠,李 強(qiáng)

(泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山東泰安 271021)

闡述了數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,論述了實(shí)地?cái)?shù)據(jù)收集、圖像采集和模型制作等模塊的實(shí)現(xiàn)方法,詳細(xì)介紹了泰山虛擬場(chǎng)景中主要模型的構(gòu)造方法,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字泰山虛擬漫游,用戶在與系統(tǒng)交互的過(guò)程中能有一種身臨其境的真實(shí)感.

數(shù)字泰山;虛擬漫游;虛擬現(xiàn)實(shí)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬漫游系統(tǒng)在房地產(chǎn)、旅游、城市規(guī)劃、歷史考古等領(lǐng)域有了廣闊的應(yīng)用空間.虛擬漫游系統(tǒng)是一個(gè)以逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)為一體的特定范圍的虛擬環(huán)境,它是一個(gè)真實(shí)的或假象的仿真虛擬空間,用戶借助一定的裝備在虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬漫游,從任意角度對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行觀察,從而產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué),同時(shí)也能對(duì)物體進(jìn)行操作和規(guī)劃,滿足用戶的要求.虛擬漫游系統(tǒng)本質(zhì)上是一種人機(jī)交互系統(tǒng),它強(qiáng)調(diào)人在虛擬環(huán)境中的體驗(yàn),沉浸感和交互性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn).

目前,我國(guó)國(guó)內(nèi)很多旅游景點(diǎn)都建設(shè)了自己的虛擬漫游系統(tǒng),用戶只要在家里用電腦登陸到相應(yīng)網(wǎng)站,就能實(shí)現(xiàn)虛擬漫游.這不僅緩解了假日客流壓力,而且促進(jìn)了旅游業(yè)的發(fā)展.“五岳之尊”泰山,數(shù)千年來(lái)一直是帝王朝拜的對(duì)象,其山中的人文杰作與自然景觀完美和諧地融合在一起,不但在地質(zhì)學(xué)和歷史文化方面具有研究?jī)r(jià)值,而且還具有很高的藝術(shù)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值.建設(shè)泰山虛擬漫游系統(tǒng)不僅能促進(jìn)整個(gè)泰安旅游業(yè)的發(fā)展,還方便了泰山的保護(hù)和規(guī)劃,意義十分重大.

1 數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)能提供一個(gè)可視化的環(huán)境,使用戶在場(chǎng)景中隨意瀏覽[1].數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)屬于虛擬現(xiàn)實(shí)中的一種,它的工作主要由兩部分組成:仿真場(chǎng)景的制作和漫游引擎的實(shí)現(xiàn).

根據(jù)項(xiàng)目需求,首先采用實(shí)地測(cè)量技術(shù),在CAD中繪制出泰山平面圖;然后根據(jù)平面圖指示的建筑物以及地形場(chǎng)景的位置,利用數(shù)碼圖像設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)照片用于把握各個(gè)建筑與地形的具體結(jié)構(gòu)與材質(zhì).根據(jù)所取得平面圖以及現(xiàn)場(chǎng)圖片在3D M ax平臺(tái)中制作出三維仿真模型.模型制作完畢后,導(dǎo)入VRPBuilder平臺(tái),進(jìn)行交互代碼編制以及界面設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)其交互功能.最后編譯出exe文件,從而完成整個(gè)漫游系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2 數(shù)字泰山漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

虛擬漫游系統(tǒng)的核心是虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建.目前采用的主要方法[1-3]:基于國(guó)內(nèi)外主流的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合集成平臺(tái)的開(kāi)發(fā)(如基于M u ltigen Crea-to r和VEGA)、基于VC++和OpenGL圖形庫(kù)從底層的開(kāi)發(fā)和基于三維軟件建模(如3D MAX等)的開(kāi)發(fā).前兩種方法存在價(jià)格昂貴、對(duì)開(kāi)發(fā)人員素質(zhì)要求高等缺點(diǎn).本文采用第三種方法進(jìn)行開(kāi)發(fā),即利用3D MAX建模,然后將模型轉(zhuǎn)換成OpenGL程序,再對(duì)其進(jìn)行控制,構(gòu)建交互性強(qiáng)的漫游場(chǎng)景,既可以有效地控制成本,又可以保證開(kāi)發(fā)效率.

2.1 實(shí)地?cái)?shù)據(jù)收集

場(chǎng)景實(shí)際數(shù)據(jù)是制作虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ),一切架構(gòu)都是建立在基本數(shù)據(jù)之上.首先運(yùn)用基本的地形測(cè)量技術(shù),測(cè)量出基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如建筑物的長(zhǎng)、寬、高,山體的海拔高度、坐標(biāo)等,這些數(shù)據(jù)必須精確.然后根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)利用CAD制作出泰山平面圖,圖紙必須規(guī)范、精確.最后把制作好的平面圖載入到3DM ax中,為制作仿真模型做準(zhǔn)備.這里,我們把平面圖以參考方式載入3D M ax,以便于修改和團(tuán)隊(duì)合作.

2.2 實(shí)體圖像采集

根據(jù)平面圖紙所標(biāo)示的山體、建筑體和石刻等的位置,利用高清數(shù)碼設(shè)備對(duì)泰山主山脈各個(gè)山體、建筑及其地形進(jìn)行圖像采集.

主要采集三類(lèi)數(shù)據(jù):

(1)全局圖,采取各個(gè)角度全景方式拍攝;

(2)局部圖,采取中景或者近景方式拍攝,目的是要看清局部結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié);

(3)紋理圖(如地面、墻磚等),主要是以特寫(xiě)方式采拍,務(wù)必做到采光均勻,圖像清晰.

其中全局圖和局部圖主要用于制作仿真模型時(shí)把握山體、建筑體和石刻等的形體結(jié)構(gòu),而紋理圖主要是為以后制作仿真材質(zhì)與紋理提供依據(jù).

2.3 仿真模型制作

整個(gè)泰山虛擬漫游系統(tǒng)的模型可以分成山體、建筑、動(dòng)物和植物等幾個(gè)大類(lèi).每種類(lèi)型的建模手法和要求的模型精度是不同的.山體是漫游系統(tǒng)的載體,其面積是最大的,其他模型都要置放于山體上.山體制作的時(shí)候要注意參考等高線圖,以表現(xiàn)最真實(shí)的起伏.泰山古建筑是泰山珍貴的文化遺產(chǎn),是整個(gè)系統(tǒng)的核心,其模型精度要求相對(duì)較高,制作的時(shí)候應(yīng)該盡量的減少誤差.模型貼圖要用高像素的相機(jī)實(shí)地采集,這樣制作出的模型才更真實(shí).動(dòng)物和植物的模型要求不必很?chē)?yán)格,只要物種真實(shí)即可.動(dòng)植物的制作要利用3DM ax的動(dòng)畫(huà)功能進(jìn)行.

根據(jù)平面圖以及現(xiàn)場(chǎng)照片制作仿真模型主要分三個(gè)步驟:

(1)構(gòu)建模型.在3D M ax中,利用多邊形建模技術(shù),根據(jù)泰山總規(guī)劃平面圖并認(rèn)真觀察現(xiàn)場(chǎng)照片確定山體、建筑體、石刻等的具體位置和結(jié)構(gòu),采用自下向上的方法制作.制作時(shí),要對(duì)形體高度的概括,大力控制面的數(shù)量,消除冗余的多邊形面,降低整個(gè)場(chǎng)景的復(fù)雜度,做到形體準(zhǔn)確、概括、數(shù)據(jù)量小,從而降低場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染的復(fù)雜度,保障系統(tǒng)能夠流暢運(yùn)行.山體模型構(gòu)建如圖2所示.

圖2 山體模型構(gòu)建

圖3 給建筑賦予材質(zhì)

(2)制作材質(zhì).貼上處理好的紋理和材質(zhì),使其與真實(shí)景物相符.首先選擇模型相應(yīng)的面,使貼圖以合適方式貼在模型上,不發(fā)生紋理的扭曲與變形,如圖3.

(3)制作動(dòng)畫(huà).制作的時(shí)候根據(jù)動(dòng)畫(huà)物體在場(chǎng)景中的視野距離,可以制作精度不等的模型.像大雁這種位于天空高處的動(dòng)畫(huà)物體,其模型的制作可以簡(jiǎn)單些.制作重點(diǎn)在于表現(xiàn)翅膀的運(yùn)動(dòng)效果,可通過(guò)動(dòng)畫(huà)的循環(huán)實(shí)現(xiàn)持續(xù)振動(dòng)翅膀的效果.制作好一只大雁后采用復(fù)制的方法可以得到一個(gè)雁群,如圖4.

圖4 雁群的制作

2.4 虛擬漫游系統(tǒng)構(gòu)建

該模塊主要功能是把所有模型組裝成一個(gè)整體,然后制作出漫游的功能,使用戶能夠在限定的區(qū)域內(nèi)自由行走,有身臨其境的感覺(jué).為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn),系統(tǒng)中添加了天空環(huán)境、游人、背景音樂(lè)等元素.此外,專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)出具有交互功能的場(chǎng)景,比如當(dāng)用戶走到一扇門(mén)前面的時(shí)候,讓門(mén)自動(dòng)打開(kāi).

(1)添加環(huán)境.給場(chǎng)景選擇一個(gè)周?chē)羞B綿起伏的山體的環(huán)境,使置于其中的模型與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)一致.為增加真實(shí)感,系統(tǒng)還在場(chǎng)景中添加了太陽(yáng),當(dāng)用戶面對(duì)太陽(yáng)的時(shí)候,能感受到光暈,如圖5所示.

(2)開(kāi)啟碰撞.在用戶的活動(dòng)區(qū)域內(nèi),給用戶可能觸碰到的物體添加碰撞檢測(cè).需要注意的是,不必為所有的模型都添加碰撞,因?yàn)榕鲎策\(yùn)算需要消耗系統(tǒng)資源.

(3)創(chuàng)建用戶.選取幾個(gè)比較合適的地點(diǎn)創(chuàng)建行走角色,不同角色之間的距離不要太近,盡量分散于場(chǎng)景之中.這樣用戶切換行走角色的時(shí)候,就可以快速到達(dá)自己想要去的地方,如圖6所示.

圖5 光暈效果

圖6 創(chuàng)建行走角色

(4)增強(qiáng)用戶體驗(yàn).給場(chǎng)景添加游客和背景音樂(lè),能使用戶的現(xiàn)場(chǎng)感大大增強(qiáng),讓用戶有身臨其境的感覺(jué).

最后,生成可以直接運(yùn)行的可執(zhí)行文件或者發(fā)布web上使用的文件.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)數(shù)字泰山虛擬漫游系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳述.實(shí)踐表明,將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和復(fù)雜三維建模技術(shù)相結(jié)合可以較精確地制作出易于宣傳推廣的虛擬漫游系統(tǒng).該方案同樣可以應(yīng)用于城市規(guī)劃、地質(zhì)探測(cè)及醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域,具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

[1]王柯,諸昌鈐,杜斌.基于3DS模型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,23(1):58-63.

[2]崔漢國(guó),張星,劉曉成.圖象和建模結(jié)合的虛擬場(chǎng)景繪制技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(5):1168-1171.

[3]DEBEVEC P E,TAYLOR C J,MAL IK J.Modeling and Rendering A rchitectu re from Photographics:A Hybrid Geom etry and Imagebased App roach[C].Proceedingsof SIGGRAPH96,1996.

Ana lysisand Design of Ta ishan V ir tua lRoam ing System

L IU M ing-xia,W EIN ian-jie,YANGNan,L IQ iang
(Schoolof Info rm ation Science and Techno logy,Taishan University,Tai’an,271021,China)

The design philosophy of the digital Taishan virtual roam ing system is p roposed.The paper gives the detailed imp lem entm ethodsof the real data acquisition,im age grabbing andmodelling,especially for them ainmodel of Taishan virtual scenes.The p rocesses of construction of the virtual scenes in virtual roam ing system are p roposed.Th rough the in terac tionw ith the virtual system,the usersw illget lively feelings just like in the trueworld.

digital Taishan;virtual roam ing;virtual reality

TP302

A

1672-2590(2010)03-0026-04

2010-04-05

泰安市大學(xué)生科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(2007D2052)

劉明霞(1981-),女,山東泰安人,泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師.