劉菲菲

摘 ?要： 虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)是虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)校園模型的建模，基于Google Earth衛(wèi)星截圖實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景精準(zhǔn)布局設(shè)計(jì)。融入Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)流程的設(shè)計(jì)，并且在微機(jī)平臺(tái)中設(shè)計(jì)復(fù)雜場(chǎng)景校園實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。此虛擬校園漫游系統(tǒng)不僅能夠?yàn)橛脩籼峁┝己玫腤eb界面，還能夠?qū)崿F(xiàn)基于導(dǎo)航圖控制的人機(jī)交互機(jī)制，方便利用多種漫游模式實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)場(chǎng)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(jī)交互

中圖分類號(hào)： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(shí)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(shí)時(shí)交互之后，使人具有和計(jì)算機(jī)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(duì)于校園常見的展現(xiàn)全面、生動(dòng)且形象[1]。另外，校園場(chǎng)景還要求具有自動(dòng)瀏覽功能，并且虛擬校園能夠?qū)W(xué)校網(wǎng)站進(jìn)行充實(shí)，還具備實(shí)時(shí)交互性。用戶能夠快速到達(dá)想要瀏覽的場(chǎng)景，并且通過不同視角實(shí)現(xiàn)查看。對(duì)重要校園建筑實(shí)體和多媒體技術(shù)相互整合，從而介紹實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)真實(shí)校園環(huán)境的模擬，包括實(shí)驗(yàn)樓、教學(xué)樓、行政樓、信息樓、圖書館、校史館、培訓(xùn)樓、操場(chǎng)等的模擬，能夠?qū)⑿@中的各個(gè)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)三維虛擬校園的創(chuàng)建，能夠有效促進(jìn)對(duì)外宣傳，提高學(xué)校形象，從而使網(wǎng)站點(diǎn)擊率得到進(jìn)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?yàn)槠渌畔⑻峁┹d體，系統(tǒng)能夠直接在學(xué)校主頁(yè)網(wǎng)站中嵌入。

在實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)的過程中，要實(shí)地拍攝現(xiàn)有建筑和場(chǎng)景，并且對(duì)其進(jìn)行實(shí)地觀察，利用幾何建模方法創(chuàng)建場(chǎng)景[3]。圖1為虛擬校園漫游設(shè)計(jì)的流程。

圖1 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)校園中的外景及內(nèi)景圖片進(jìn)行實(shí)地拍攝，使此圖片能夠成為校園虛擬漫游場(chǎng)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(duì)各個(gè)建筑物的各種物理數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，使其成為場(chǎng)景布局及三維模型創(chuàng)建的根據(jù)。為了能夠使場(chǎng)景更加真實(shí)，還要拍攝部分場(chǎng)景對(duì)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(jiǎn)單場(chǎng)景建模

使用VRML中自帶的節(jié)點(diǎn)模型實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單場(chǎng)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?，F(xiàn)場(chǎng)收集建筑物外部紋理照片，后期使用圖像處理軟件將核實(shí)部分進(jìn)行截取，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整大小、色調(diào)和亮度之后實(shí)現(xiàn)紋理貼圖。在實(shí)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(chǎng)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(chǎng)景。在定位整體視覺之后，對(duì)復(fù)雜教學(xué)樓建筑群設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員能夠使用3DS MAX專業(yè)建模軟件對(duì)單建筑進(jìn)行創(chuàng)建并且貼圖，最終依次實(shí)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(shí)現(xiàn)VRML插件的安裝，相當(dāng)于對(duì)整個(gè)瀏覽器進(jìn)行了升級(jí)。使建模軟件中所導(dǎo)出的[.wrl]文件使用瀏覽器打開，對(duì)效果進(jìn)行觀察，并且以實(shí)際情況進(jìn)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)。在wrl文件中使用Inline節(jié)點(diǎn)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(gè)wrl文件中寫入，有效實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)總體的三維模型整合，最后實(shí)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(duì)其實(shí)現(xiàn)渲染，從而使模型能夠更加漂亮，具有較強(qiáng)的真實(shí)感。渲染工作主要指的是物體材質(zhì)及燈光，由于此三維場(chǎng)景模擬太陽(yáng)光，所以使用平行光源實(shí)現(xiàn)?；诖藢?shí)現(xiàn)渲染，之后和燈光結(jié)合渲染，對(duì)陰影、漫射及反射等進(jìn)行計(jì)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(jìn)行保存，利用烘焙之后的物體模型到啟動(dòng)平臺(tái)中導(dǎo)入，從而能夠產(chǎn)生光照效果。另外，不需要計(jì)算機(jī)重新計(jì)算，可降低計(jì)算機(jī)運(yùn)算量。

2.5 ?對(duì)VRML場(chǎng)景交互方法進(jìn)行確定

在實(shí)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(shí)現(xiàn)。目前根據(jù)第三方進(jìn)行。最后編寫代碼，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的優(yōu)化及測(cè)試[6]。

3 ?創(chuàng)建三維虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)

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(chǎng)景模型屬于重要內(nèi)容。在實(shí)現(xiàn)建模的過程中，對(duì)場(chǎng)景細(xì)節(jié)表現(xiàn)和圖形的負(fù)荷進(jìn)行平衡，為了能夠使創(chuàng)建的漫游場(chǎng)景有效滿足實(shí)時(shí)繪制的需求，還要利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的實(shí)例化、層次化等技術(shù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在虛擬場(chǎng)景中，實(shí)體建筑是較為重要的部分，也是主要的場(chǎng)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(shí)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(shí)體拍攝照片，通過3DS MAX進(jìn)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型管理，所以在實(shí)現(xiàn)模型創(chuàng)建過程中就要實(shí)現(xiàn)Virtools的導(dǎo)入，從而進(jìn)行層次設(shè)計(jì)。比如，以主題分組，然后實(shí)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(shí)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(chǎng)景瀏覽過程中為不可見的部分，將其去除并不會(huì)對(duì)實(shí)體視覺效果造成影響，將此冗余多邊形消除能夠使場(chǎng)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(shí)現(xiàn)校園實(shí)時(shí)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(chǎng)景[7]。

4） 通過紋理實(shí)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(chǎng)景及模型的簡(jiǎn)化，校園漫游系統(tǒng)在定義LOD中都是利用3DS MAX實(shí)現(xiàn)的。

6） 漫游場(chǎng)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(chǎng)景逼真度及真實(shí)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(chǎng)景氛圍更加逼真，在實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景創(chuàng)建之后，后期還設(shè)置了人群及汽車等實(shí)體[8]。

4 ?虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 ?數(shù)據(jù)庫(kù)的使用

4.1.1 ?位置修改及功能查詢的實(shí)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(duì)節(jié)點(diǎn)單擊，從而彈出菜單，其中就有修改位置的選項(xiàng)，其主要目的就是對(duì)試點(diǎn)中的位置進(jìn)行記錄，將其在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，此功能能夠便于用戶修改數(shù)據(jù)庫(kù)場(chǎng)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(chǎng)景中的位置，通過雙擊樹形結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)左面三維虛擬場(chǎng)景渲染的地方，畫面就會(huì)從目前節(jié)點(diǎn)視點(diǎn)地方對(duì)用戶雙擊節(jié)點(diǎn)視點(diǎn)地方切換，也就是從目前位置飛到目的地，實(shí)現(xiàn)查詢，使用戶對(duì)于三維虛擬場(chǎng)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(shí)現(xiàn)代碼：

4.1.2 ?修改節(jié)點(diǎn)屬性

在用戶點(diǎn)擊樹形結(jié)構(gòu)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象時(shí)，基于樹形結(jié)構(gòu)下方節(jié)點(diǎn)對(duì)象屬性顯示欄，就會(huì)將此節(jié)點(diǎn)屬性信息進(jìn)行展現(xiàn)，詳見表1。在修改屬性信息內(nèi)容時(shí)，用戶能夠利用鼠標(biāo)右鍵對(duì)文本框內(nèi)容單擊，從而對(duì)屬性信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)某大學(xué)實(shí)地測(cè)量，得出校園二維平面地圖，從而創(chuàng)建虛擬三維場(chǎng)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(shí)現(xiàn)查詢功能、駕駛漫游、虛擬場(chǎng)景物體節(jié)點(diǎn)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(dòng)界面結(jié)構(gòu)。

圖4 ?系統(tǒng)的啟動(dòng)界面結(jié)構(gòu)

圖5 ?系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

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(jiǎn)單方便，能夠使用鼠標(biāo)任意地拖動(dòng)、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(gè)區(qū)域，更加容易實(shí)現(xiàn)空間次序的視覺理解及感知，對(duì)于校園環(huán)境具有身臨其境的感覺。此系統(tǒng)能夠?yàn)樾@宣傳提供全新的表現(xiàn)方式，對(duì)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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