虚拟现实技术在虚拟校园漫游系统中的应用研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 虚拟现实技术在虚拟校园漫游系统 中的应用研究 摘要：VR（Virtual Reality，虚 拟现实）科技在教育中的应用建立 虚拟校园，是为了让未进入校园的人们 能够置身在一个计算机模拟、虚拟的三 维空间中，通过图像、声音、味觉等模 拟现实的体验，通过动态交互等，让体 验者如同真的置身于校园中，达到身临 其境的效果。该文以某学校校园为研究 对象，利用校园内的航空影像、地图照 片数据、实测数据以及区内建筑物的影 像信息，在 MultiGen Creator/Vega 软件 平台上建立整个校园的虚拟场景，结合 数据库系统的构建，实现虚拟校园系统 设计。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /8/view-12898792.htm 关键词：虚拟化；校园系统；模 拟；设计 中图分类号：TP391 文献标识码： A 文章编号： 1009-3044（2016）34- 0233-04 1 构建虚拟校园系统的意义 虚拟校园是虚拟现实技术在教育 领域的一个重要应用，随着计算机仿真 技术、虚拟现实技术、图形图像学的发 展、人类想利用计算机拓展视觉、听觉、 嗅觉等感知的兴趣愈加浓厚，开始探索 模拟环境下人类实际体验的交互技术问 题。近些年来，计算机科技的快速进步， 学校数字化建设也应运产生，虚拟校园 成为数字化校园建设的重要组成。虚拟 校园本身就是一个信息系统，具有沉浸 感以及交互性两个非常重要的特征。虚 拟校园能够通过对校园环境的虚拟化、 全景化展示，更好地呈现学校人文环境， 让教师、家长、学生足不出户，就可以 全面了解学校，方便进行日常教学与生 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 活。虚拟校园的另一个作用是，校园经 过数字化和虚拟化后，可以成为数字校 园建设的基础，在这个虚拟的数字空间 里，管理者可以对校园规划、优化管理、 学校发展等通过网络积极提出整改意见， 可以更高效的为发展教育做出更大贡献。 2 虚拟校园系统模型分析与设计 2.1 虚拟校园系统设计的目标 虚拟校园系统需实现以下目标： 1）具有良好的交互界面，可以 为用户提供身临其境的感觉，用户能够 方便地对系统进行各种交互操作。 2）系统界面简单化，能够让计 算机操作水平很低的人进行操作，具有 简易性和普遍性的特点。 3）系统中的模型与现实景观达 到尽量高度贴切。 4）为适应校园建设的变化，系 统具备建筑模型的增删功能。 5）对虚拟环境中的模型可以进 行参数的修改，如大小、位置、方向等 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 属性。 6）具备良好的漫游功能，用户 能够在虚拟环境中任意角度和方向进行 浏览。包括自动漫游和场景定位等功能。 7）具有较好的可移植性和扩展 性，能够运行在多种操作系统平台。 2.2 虚拟校园模型建立 项目组以某学校虚拟化和信息化 为目标，通过 3D 虚拟场景创建软件建 立校园虚拟模型和三维模型库。整个系 统模型采用针对局部物体的建模，最后 用合成的方法构建整个模型。以下是虚 拟校园的整体工艺流程图。如图 1 所示。 2.3 虚拟校园数据信息获取 要建立一个形象逼真的 3D 虚拟 校园首先需要获取数据，数据主要包括 地形数据和地物数据两类。获取地形数 据主要通过数字摄影，利用图像匹配可 以自动生成模型数据，并转换成 DED 格式。校园建筑的信息采集来源于校园 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 建筑图纸数据和飞机b 感测绘数据。 利用软件 Auto CAD 提取二维场景数据 信息，在系统内准确显示采集结果，完 成对校园建筑三维建模与定位。校园信 息需要采集，采集的数据直接关系到建 筑物各类信息的准确性，诸如长、宽、 高、深等信息。根据对象在场景中的表 现不同，我们在校园里，将纹理信息分 为动态和静态两类信息。针对静态纹理 信息，我们采用照相的方式；针对动态 纹理信息，我们采用模拟或者用静态纹 理代替的原则，加快开发进度。 2.4 数据预处理 虚拟校园数据预处理主要包括两 个方面的预处理： 2.4.1 AutoCAD 文件的预处理 虚拟校园二维信息一半都存储在 校园的 AutoCAD 文件里，通过经验得 知，直接将校园 AutoCAD 文件导入到 Creator 中，由于数据量大，会花费很长 时间。 2.4.2 纹理预处理 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 纹理处理的好坏影响虚拟校园系 统的实现。采集的数据直接关系到建筑 物信息的准确性，纹理处理需要一个精 细的过程，捕获的图像与现实会略有不 同，因为照片会因为天气、投影、障碍 物等方面的原因与我们已经生成的纹理 是不完全相同的。 图 2 和图 3 分别是计算机学院 南墙的原始照片和处理后的墙面纹理效 果。 纹理加工是通过专业软件完成的， 本文采用 Photoshop 图形处理软件对之 前所拍摄的纹理照片进行纹理处理，处 理内容包括亮度、对比度和倾斜角度的 微调，其中注意的一点是，从照片中提 取的纹理，要保证纹理的大小是 2 的 N 次幂。 2.5 虚拟校园模型的层级结构 校园场景层次规划如 4 所示，校 园场景层次规划，分为天空，地貌特征， 景观环境，教学区等四类。 2.6 场景构建过程 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 2.6.1 地形建模过程 根据实际地形，构建虚拟校园地 形，地形在虚拟校园中是整个场景的基 础，红色代表建筑，绿色植被等等，我 们可以在这个基础上进行更深层次设计。 在具体采集地形数据时，我们采用卫星 图获得校园地形图，再结合实际测量， 就可以准确获得道路、建筑物等的具体 信息，在 Creator 软件中只需要把校园 卫星地图作为参考背景，就可以构建学 校的平面分布图。虚拟校园卫星地图如 图 5 所示，虚拟校园平面分布图如图 6 所示。 2.6.2 道路建模实现 虚拟建筑模型通过使用 Multigen Creator 软件完成，为方便建模，Creator 将设计文件打开，利用中心工具，使参 观者位于网格的中心点。Creator 软件本 身提供了强大的道路建模功能模块，设 计者直接调用 External Reference 外部参 考就可以轻松定义道路分界线、路肩、 路灯、绿化带等，可以轻松设计道路的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 各种交叉、坡度、道路类型，道路的转 弯半径，不同类型道路的纹理设计等。 2.6.3 建筑物建模 在校园里，建筑物是主要的模型 物体。就本研究对象来说，建筑物相对 不具有复杂的造型，数量少，外形基本 上是较规则的形状，绝大多数建筑物是 箱体式的建筑风格，因此本文讨论的建 筑物模式基本上就采用这种箱体模式。 在 Creator 软件中导入校园 DXF 数据作 为基准数据，首先把建筑物位置做准确 的定位，使用 Face 中的 Polygon 命令作 为校园建筑物的地基面；以建筑物高度 作为标准，利用 Geometry 工具设计校 园建筑物的基本造型，构建建筑物虚拟 模型5。 下面以 19 号宿舍为例，详细介 绍建筑物建模的过程。首先，需要前期 准备好宿舍楼的影像和尺寸、方位信息 数据。然后再 Creator 中创建一个基础 的几何模型，还要对各处细节做处理， 尽量使用最少的面创建模型，后期再增 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 加纹理信息，增强逼真感。图 7 所示是 19 号宿舍的几何模型。 在构建初步的几何模型后，要进 行模型优化。Creator 软件建立起来的三 维几何模型实际上由很多数量的多边形 组成，结构一旦很复杂，多边形的数量 就非常庞大，这就对计算机性能提出了 很大挑战，因此在能够保证模型逼真感 前提下，一定要对 Creator 几何模型进 行优化处理，尽可能减少三维几何模型 的顶点和多边形数目，主要通过删除不 可见多边形或者合并多边形实现。优化 后的 19 号宿舍楼模型如图 8 所示，表 1 中的数据为优化前后几何模型多边形 数量的变化。 2.6.4 树的建模 在场景中使用绿色植被，场景视 觉效果会更好、更接近自然。因此建模 的重点研究内容还包括树建模方法。因 为树是不规则的形状，与普通的建筑物 一样，仍然可以使用几何表示。首先创 建植物几何模型，然后添加纹理就可以 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 形成植物模型。树的纹理如图 12 所示。 图 12 树的正常纹理和黑白纹理 大量的植物模型，可以通过复制 的方式快速生成。对于几何模型大致相 同，位置或者朝向不同的模型，可以采 用实例的方式大量生成。 3 模型优化及实现 虚拟场景建模模型应和相应的实 体尽可能一致，影响系统性能的主要原 因是视觉图像的高质量和高效率的图形 的绘制。 3.1 模型优化 考虑到图形加速器的运行性能， 我们应该尽量减少多边形数量，否则， 大量图形计算将导致系统不够流畅。 Creator 提供各种技术可以帮助用户减少 多边形数量，图形加速卡自身硬件的性 能具有局限性，单位时间处理多边形的 数量具有临界点，如果系统负载模型太 多，除了h 除不必要的多边形外，如 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 果对象背面是不可见时，删除背面多边 形。 3.1.1 删除背面多边形消除影响 Creator 软件可以自动消除背部多 边形，这样就只有前表面被展示出来。 消除背面的多边形可能无法提高图形系 统的运行效率，但它是提高绘图速度的 方法。 3.1.2 可以删除非必要的多边形 在 Creator 软件中，可使用 Virtue3D VSimplify 多边形智能减少插 件工具删除非必要的多边形。该插件安 装在 Creator 插件目录中，可以在 LOD 菜单中找到。 3.1.3 利用纹理代替多边形 纹理有时候可以替代多边形的效 果，在给定数量的多边形前提下，设计 者可以通过使用纹理映射代替多边形建 模，改善现有模型，提高逼真度。如果 物体每个表面相应的纹理映射，从远处 看，就像增加许多细节，能够让画面更 清晰、更逼真。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 3.2 场景的整合 各个模型完成构建并优化后，就 可以进行场景的整合，形成完整的虚拟 校园。在