三維虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、- -ScientificJournalofInformationEngineeringJune2013,Volume3,Issue3,PP.50-55Designof3DVirtualCampusRoamingSystem#HongyanYang,ZhuoShi,YanruZhongCollegeofComputerscienceandengineer,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China#Email:HYPERLINK mailto:rosezhongrosezhongAbstractWiththe

2、growingsophisticationofvirtualrealitytechnology,3Dvirtualcampusroamingsystemaseffectiveplatformforschoolpropagandaoutside,thecampusplanningandmanagementdecisionwillprovideastronglysupport.TakingthecampusofGuilinUniversityofElectronicTechnologyasprototype,combingwiththesoftwareof3DsMaxandusingVR-Plat

3、ormdevelopmentplatformconnectionswiththebackenddatabaseandvirtualbuildingandliveImagingshooting,areal-timeroamingsystemofvirtualcampushasbeendesignedandimplemented.Inthispaper,themainaimistoexploreanewideafordigitalcampusconstruction.Keywords:VirtualReality;VR-Platform;DigitalCampus三維虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文受國家

4、自然科學(xué)基金(N0.50865003)和廣西科學(xué)制造系統(tǒng)和先進(jìn)制造技術(shù)開放基金資助(No.K090014)以及新世紀(jì)廣西高等教育教改工程項(xiàng)目(No.2011JGB048)以工程應(yīng)用能力為導(dǎo)向的數(shù)字媒體技術(shù)人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐”基金資助。楊宏艷，史卓，鐘艷如桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004摘要：隨著虛擬技術(shù)的日益成熟，三維虛擬校園漫游系統(tǒng)作為學(xué)校對外宣傳的有效平臺是數(shù)字化校園建設(shè)的核心。以桂林電子科技大學(xué)東校區(qū)為例，結(jié)合三維仿真技術(shù)3DSmax實(shí)現(xiàn)了虛擬校園的三維模型。運(yùn)用VR-Platorm開發(fā)引擎，結(jié)合SQLServer數(shù)據(jù)庫連接設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維虛擬校園漫游系統(tǒng)

5、。實(shí)現(xiàn)了自主漫游、按目的地自動(dòng)生成漫游路徑、定位鳥瞰等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過改進(jìn)的場景優(yōu)化技術(shù)，系統(tǒng)在普通PC機(jī)上運(yùn)行穩(wěn)定、流暢、高效。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；VR-Platform;數(shù)字校園引言20世紀(jì)80年代美國人JaronLanier首次正式提出了虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)概念。自此，這種利用計(jì)算機(jī)模擬虛擬世界，提供用戶身臨其境的視覺、聽覺、觸覺的感官模擬技術(shù)，因其具有感知性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點(diǎn)，如今已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、文物保護(hù)、交通模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲及遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域。“虛擬校園”是隨因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)虛擬小區(qū)等的發(fā)展而產(chǎn)生，是基于現(xiàn)實(shí)校園對三維景觀和教學(xué)環(huán)

6、境數(shù)字化模擬的產(chǎn)物。數(shù)字化校園虛擬漫游系統(tǒng)是數(shù)字校園建設(shè)計(jì)劃的核心平臺。當(dāng)前浙大率先開發(fā)展示了虛擬校園之后，國內(nèi)眾多高校如清華、南京大學(xué)、北航、香港中文大學(xué)等高等院校紛紛建立自己的虛擬校園2-3。通常，三維虛擬校園開發(fā)的主要方法是用ArcGis，SuperMap和其它具有三維功能的軟件進(jìn)行二次開發(fā)。但這些方法明顯的缺點(diǎn)是對開發(fā)者的編程水平要求較高，建模代碼太長，開發(fā)系統(tǒng)不能獨(dú)立于運(yùn)行環(huán)境?？紤]到以上情況，本文選擇VR-Platform為開發(fā)環(huán)境，提出了一種簡單實(shí)現(xiàn)虛擬校園的方法。這種方法一方面能利用專業(yè)的建模工具3DSMAX軟件很快實(shí)現(xiàn)三維場景模型的建立。另一方面，通過運(yùn)用VRP引擎高效的模塊

7、化的編程能力，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染和交互控制，減少了建模時(shí)間加速了系統(tǒng)開發(fā)的進(jìn)程。另外，它通過封裝發(fā)布，能夠構(gòu)建獨(dú)立于開發(fā)環(huán)境運(yùn)行的三維虛擬校園系統(tǒng)。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)桂林電子科技大學(xué)分為東、西校區(qū)和堯山校區(qū)。其中東校區(qū)占地580畝，其中主教學(xué)樓包括十棟主教學(xué)樓和食堂、學(xué)生宿舍和體育館、運(yùn)動(dòng)場。三維虛擬校園系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)，主要包括視圖操作（平移、旋轉(zhuǎn)、渲染、光照、霧化、視點(diǎn)變換）、三維漫游（繞點(diǎn)漫游、沿路徑漫游、自由漫游）及漫游控制等功能。用戶可以在系統(tǒng)中通過行走，鳥瞰以及選擇不同的攝像機(jī)視圖來多視角觀看校園景觀。1.1開發(fā)平臺本系統(tǒng)采用深圳中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開發(fā)的一款三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺仿真平臺-VR

8、-Plaform。它提供了三種二次開發(fā)方式包括activeX插件、腳本方式、C+碼源sdk。該軟件特點(diǎn)是可支持多個(gè)MAX版本的安裝與使用，支持3dsmax的高級渲染器，及多種烘焙方式。由于其烘焙后的物體紋理非常清晰，數(shù)據(jù)量卻小得多，非常利于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。因此，考慮到本項(xiàng)目的實(shí)際需求，我們選擇VRPsdk作為游戲引擎來驅(qū)動(dòng)場景交互。1.2總的技術(shù)路線虛擬校園系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分（整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖見圖1）：3D場景建模；系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。圖1系統(tǒng)交互平臺的總體構(gòu)建23D場景建模關(guān)鍵技術(shù)2.1素材采集與處理校園場景的二維平面圖是建立三維場景模型的基礎(chǔ)與依據(jù)。因此制作一個(gè)準(zhǔn)確的場景平面圖將會對我們

9、建立一個(gè)場景模型比例正確、大小適中的虛擬校園產(chǎn)生重要作用。制作過程如下：（1）依據(jù)校園平面分布圖確定校園大概輪廓，各建筑物、街道、花園分布位置與大小比例，然后通過GoogleEarth衛(wèi)星影像截圖，確定各個(gè)建筑物具體的俯視圖分布與形狀大小，這樣就可以繪制出較為精確的校園平面分布圖。（2）運(yùn)用AutoCAD“直線工具”等勾勒出校園建筑的大致分布區(qū)域，然后用同樣的方法導(dǎo)入GoogleEarth衛(wèi)星影像截圖，進(jìn)行更加細(xì)致的描繪。將如圖2所示的虛擬校園建模底圖保存為.dwg格式，然后導(dǎo)入3DSMAX中，作為三維虛擬校園建模的底圖。三維模型的創(chuàng)建學(xué)校大部分建筑模型都可用基本幾何體通過修改、變形后完成。如

10、果發(fā)現(xiàn)建筑物模型是不規(guī)則的，這就需要運(yùn)用3DsMAX為我們提供的強(qiáng)大修改工具。常用的修改器有extrude擠壓；lathe旋轉(zhuǎn)等；建筑物的模型是不規(guī)則的。例如突起、棱角或傾斜等。樓宇模型創(chuàng)建過程中的步驟如下：對學(xué)校各功能區(qū)建筑進(jìn)行建模。樓群的制作可以分為教學(xué)區(qū)(包括辦公樓、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓等)和生活區(qū)(包括學(xué)生宿舍樓、食堂等)。對校園內(nèi)主干道進(jìn)行建模。這里采用的是環(huán)境反襯法，即通過底圖空出道路，而在周圍附加上草坪、建筑等模型，這樣不僅大大減少了道路建模的工作量。對樹木、路燈、人物等進(jìn)行建模。對于樹木場景模型，因其樹木本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作時(shí)間長，系統(tǒng)開銷增大，所以，我們采用Billboard多邊形(

11、廣告牌技術(shù))利用簡單的紋理映射幾何繪制手段替代復(fù)雜的幾何繪圖，僅犧牲了少量的模型真實(shí)性，卻極大減小模型建模難度和繪制時(shí)間。紋理貼圖紋理映射是真實(shí)感圖像制作的一個(gè)重要部分，利用它可以不用增加模型的復(fù)雜程度就能突出表現(xiàn)對象的細(xì)節(jié)，它比基本材質(zhì)更精確更真實(shí)。通常對于大部分的教學(xué)樓，其紋理素材是現(xiàn)場拍攝而來。紋理及模型映射，例如對于整棟樓的窗戶和陽臺，可以挑選一個(gè)正面、平視視角進(jìn)行拍攝，然后在photoshop中進(jìn)行調(diào)色、仿制圖章等命令進(jìn)行處理。紋理照片以正方形排列為宜，一般像素為2n,如128X128、256X256;因?yàn)槿绻愕募y理大小為982*618，你要將它應(yīng)用到400X400的物體上，MAX

12、中要是依照比例就會使紋理變形4。因此對于這些面添加UVWMAP修改器，可以修改貼圖的重復(fù)值、貼圖的投影方式，保證相鄰兩個(gè)面的貼圖吻合。如果你想要進(jìn)行更精確的貼圖操作的話可以用“UnwrapUV”W配合“UVWmapin”g。場景優(yōu)化考慮到機(jī)器運(yùn)行負(fù)荷及效率，從以下幾個(gè)方面對場景進(jìn)行優(yōu)化。包括：(1)減少模型的面數(shù);對于一些看不見的面刪除，合并同類材質(zhì)物體。近景樹木采用插件生成，遠(yuǎn)景使用立體交叉平面的視覺樹的方法;(2)壓縮模型貼圖;(3)利用多邊形來創(chuàng)建草坪;(4)減少光源的使用;在渲染動(dòng)畫時(shí)候關(guān)閉陰影等方法。烘焙烘焙指的是將MAX中物體的照明和陰影效果保存到貼圖中的過程。因?yàn)樵谔摂M場景中，視

13、角每變化一度，計(jì)算機(jī)就要進(jìn)行大量的計(jì)算來算出物體的光影效果。這樣勢必大大增加了對電腦內(nèi)存、顯卡、處理器的負(fù)荷。禾U用3Dsmax的renderTOtexture功能，烘焙(Tbakeer)出高真實(shí)感、高精度的光照貼圖減少了電腦系統(tǒng)處理的工作量，然后通過Vrp-for-Max導(dǎo)出插件，將模型與烘焙貼圖導(dǎo)出至VRP編輯器中。然后在VRP中進(jìn)行后期調(diào)整和編輯(包括貼圖色彩的修正、樹木的設(shè)定、透明貼圖設(shè)定，動(dòng)畫貼圖設(shè)定，碰撞的設(shè)定，相機(jī)的設(shè)定等等)。3虛擬校園VRP交互與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)3.1虛擬校園交互平臺功能模塊設(shè)計(jì)虛擬校園的核心是交互平臺設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，將虛擬校園互動(dòng)平臺分為如下圖2所示6個(gè)模塊。

14、各功能模塊之間的交互是相輔相成的，主要依靠BuildingBlocks腳本模塊化合可視化流程圖式腳本,通過創(chuàng)建按鈕熱區(qū)及對熱區(qū)設(shè)置交互事件來實(shí)現(xiàn)。交互平臺的各功能模塊在虛擬校園系統(tǒng)中的功能主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：三維場景展示與導(dǎo)航;用戶可以選擇校園內(nèi)感興趣的景點(diǎn)，通過鼠標(biāo)和鍵盤以及本系統(tǒng)的功能按鈕進(jìn)行三維漫游?？梢愿淖円朁c(diǎn)，通過鍵盤控制漫游高度和漫游方向(前進(jìn)、后退、左移、右移)，同時(shí)也可以按任意角度(通過調(diào)節(jié)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、仰視、俯視)進(jìn)行瀏覽，還可以控制漫游的速度，以達(dá)到最佳觀測效果。通過瀏覽工具的放大、縮小、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等操作全面展示校園三維全景。數(shù)據(jù)管理及查詢；校園中各重要建筑及景點(diǎn)都關(guān)聯(lián)了

15、相應(yīng)的屬性信息，充分利用了超級鏈接，能快速顯示被點(diǎn)擊物體的多媒體信息，具有雙向查詢功能。線路定制飛行；用戶可以以第一視角方式，按照預(yù)設(shè)的固定參觀路線和漫游時(shí)間在校園三維環(huán)境進(jìn)行飛行，使得用戶能夠不依靠面板也能完整地游歷校園。屬性查詢；快速準(zhǔn)確的對建筑物進(jìn)行檢索、查詢和定位；系統(tǒng)能讓訪問者通過點(diǎn)擊建筑物關(guān)聯(lián)屬性來了解大學(xué)的概況、發(fā)展歷史、學(xué)科設(shè)置等情況，從而多方位了解校園的歷史沿革發(fā)展。用戶圖2數(shù)據(jù)庫信息查詢3.2數(shù)據(jù)庫連接虛擬校園的交互設(shè)計(jì)過程主要是數(shù)據(jù)庫鏈接的實(shí)現(xiàn)。首先捕獲用戶點(diǎn)擊對象的名稱；然后根據(jù)對象名稱在sql數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)信息；將信息在屏幕輸出。數(shù)據(jù)庫信息查詢流程如圖3所示：采用S

16、QL數(shù)據(jù)庫連接，需要編寫必要的函數(shù)接口：g_open_db();初始化數(shù)據(jù)g_close_db();/關(guān)閉數(shù)據(jù)庫Info/name,$GETVALUE/設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)注的腳本支持，對應(yīng)一條腳本函數(shù)g_show_db_viewer,/彈岀屬性窗口g_hide_db_viewer,/隱藏屬性窗口g_fill_obj_props_by_str_id,設(shè)置對象，填充listg_fill_null,/清空list設(shè)置數(shù)據(jù)庫的鏈接的關(guān)鍵代碼如下：GetModuleFileName(GetModuleHandle(DbProxy.dll),filename,255);/得到demo的路徑workdir:=fil

17、ename;workdir:=ExtractFilePath(pchar(workdir);DataModule1:=TDataModule1.Create(Nil);DataModule1.ADOConnection1.Close;DataModule1.ADOConnection1.ConnectionString:=Provider=SQLOLEDB.1;Password=slei;UserID=sa;InitialCatalog=building;DataSource=localhost;DataModule1.ADOConnection1.Open;result:=0;end;另外，

18、在使用VRP中的腳本編輯器編寫相應(yīng)的腳本函數(shù)，并進(jìn)行初始化設(shè)置，可以設(shè)置為距離觸發(fā)式或點(diǎn)擊觸發(fā)式6-8。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息隨時(shí)更新?？梢栽谟脩艚换ナ铰螘r(shí)通過點(diǎn)擊虛擬校園場景中出現(xiàn)的建筑提供數(shù)據(jù)支持。3.3VRP虛擬漫游在三維場景中漫游需要?jiǎng)?chuàng)建相機(jī)動(dòng)畫，因此，在場景中設(shè)置了行走相機(jī)、旋轉(zhuǎn)相機(jī)和飛行相機(jī)以實(shí)現(xiàn)用戶自由漫游、繞點(diǎn)漫游和空中鳥瞰整個(gè)校園。對于真實(shí)場景模擬需要設(shè)置物理碰撞，對不能穿越的對象進(jìn)行碰撞檢測。另外在與周圍環(huán)境交互過程中，需要添加天空盒、太陽光暈、背景音樂使整個(gè)場景跟逼真。最后通過VRP編輯器的打包功能，保存設(shè)置編程成可執(zhí)行的.exe文件，生成虛擬漫游系統(tǒng)（參見圖3、圖4）。圖3虛

19、擬漫游系統(tǒng)校園全景1圖4虛擬漫游系統(tǒng)封面4結(jié)語隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，虛擬校園將增添豐富的內(nèi)容，教育部在一系列相關(guān)的文件中，多次涉及到了虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用，認(rèn)為其由淺至深有三個(gè)應(yīng)用層面，分別適應(yīng)學(xué)校不同程度的需求：虛擬我們的校園環(huán)境供游客瀏覽。基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活，功能相對完整的三維可視化虛擬校園。以學(xué)員為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺一部分，如網(wǎng)上虛擬課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬社團(tuán)等?；谌皥D像的虛擬現(xiàn)實(shí)界面應(yīng)用到校園網(wǎng)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)中，可以改變傳統(tǒng)的單純基于文本和圖形的用戶界面設(shè)計(jì)，使得通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查詢和訪問校園信息更加方便?；跀?shù)字化校園漫游系統(tǒng)不僅是學(xué)校對外宣傳的有效平臺、為學(xué)生了解學(xué)校的窗口，而且是數(shù)字化校園的重要組成部分，必將成為數(shù)字