三維虛擬場景瀏覽系統(tǒng)研究

王若柔

摘 要：如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)己經(jīng)成為計算機技術(shù)中研究和應(yīng)用的熱點，其中虛擬校園就是其在教育領(lǐng)域的典型應(yīng)用。本文分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其研究現(xiàn)狀，并對所研究系統(tǒng)的構(gòu)架、組織方式、創(chuàng)建平臺及使用軟件等進行了較為詳細的闡述，分析了其構(gòu)建過程與方法，最終完成系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：虛擬校園；三維虛擬場景；C#

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），又稱為靈境技術(shù)。其特征是沉浸性、交互性和多感知性，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。其中，虛擬校園是虛擬城市建設(shè)計劃的核心平臺，在此核心平臺之上的各種數(shù)據(jù)庫及其系統(tǒng)集成構(gòu)成了虛擬校園的核心應(yīng)用。針對虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究具有諸多意義，其可為虛擬社區(qū)、虛擬城市等虛擬瀏覽系統(tǒng)的研究建立起示范、試驗作用。

二、三維虛擬場景制作

1.外業(yè)拍攝

外業(yè)拍攝即地面攝影影像采集，是三維場景建設(shè)的基礎(chǔ)工作之一，良好的外業(yè)拍攝作業(yè)有助于后期三維建模過程中最大限度地保證模型的真實性，更真實地表現(xiàn)現(xiàn)實世界中的各種景觀事物。

2.底圖校正

此步驟要求對虛擬瀏覽系統(tǒng)范圍內(nèi)航拍影像底圖進行校正，所使用的軟件為ArcGIS，校正后得到坐標(biāo)正確且與實際地貌特征相符的底圖，以備后期使用。

3.CAD即計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design）

CAD圖紙為創(chuàng)建三維模型提供了所需要的基本資料。通過AutoCAD的提取處理，得到相應(yīng)地區(qū)的CAD底圖及坐標(biāo)信息，以便導(dǎo)入3dsMax進行后期建模。

4.紋理圖樣的處理

三維虛擬場景制作工作中的基礎(chǔ)部分，主要應(yīng)用的軟件為Adobe公司的Photoshop，主要工作是根據(jù)外業(yè)拍攝工作中得到的數(shù)據(jù)編輯處理出三維建模過程所需的紋理圖樣，用于模型的貼圖處理。

5.三維模型制作

本論文所采用的三維場景的建立技術(shù)主要是建立在3ds Max平臺之上。在導(dǎo)入CAD底圖后根據(jù)CAD文件繪制模型輪廓，在此基礎(chǔ)之上創(chuàng)建立體模型，隨后對模型貼圖。

三、三維虛擬場景瀏覽系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

建立好三維模型后，我們將使用Microsoft Visual Studio 2010 軟件，利用C#語言進行編程，最終形成一套完整的三維虛擬場景瀏覽系統(tǒng)。

三維虛擬場景瀏覽系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能為虛擬校園中模型的顯示、場景漫游及相關(guān)設(shè)置、場景內(nèi)屬性及坐標(biāo)的查詢、距離量算等。

1.系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)及功能介紹

建立C3Dmodel模塊，將其定義為本系統(tǒng)核心模塊，其主要功能為調(diào)用3D模型，使之正常顯示。其作用主要包括加載模型中頂點數(shù)目、模型中面的數(shù)目、模型紋理坐標(biāo)數(shù)目、模型對象名稱、對象法向量、紋理UV坐標(biāo)以及存儲對象對應(yīng)紋理名稱、判斷是否具有紋理映射。

2.系統(tǒng)主要模塊

（1）讀入對象數(shù)據(jù)。此段代碼主要實現(xiàn)的功能為讀入對象數(shù)據(jù)。

（2）載入透明紋理。本段代碼主要實現(xiàn)的功能為載入瀏覽系統(tǒng)中模型所需的透明紋理，以保證模型的正常顯示。

（3）顯示效果的控制。改變顯示效果菜單欄下有“顯示/隱藏影像圖”和“打開/關(guān)閉背景音樂”兩個選項，用于系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能控制，單擊后即可生效；改變顯示內(nèi)容菜單欄下有“顯示天空”“顯示模型”“顯示霧效”和“顯示雪景”四個選項，用于調(diào)控不同顯示內(nèi)容；為實現(xiàn)效果控制，對應(yīng)視窗界面下的各項效果控制命令，不同命令的初始默認值不同，用true 和 false 控制開關(guān)。

（4）漫游瀏覽功能的實現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計通過鍵盤操作可進行在虛擬場景中漫游，用戶手動漫游方式主要依靠鍵盤操作。對應(yīng)功能如下：“W”——向前移動；“S”——向后移動；“A”——向左旋轉(zhuǎn)；“D”——向右旋轉(zhuǎn)；“+”——視點抬高；“-”——視點降低。用戶可通過以上按鍵在此三維虛擬場景中進行漫游，全方位地體驗本系統(tǒng)。

（5）步長設(shè)置功能的實現(xiàn)。瀏覽菜單欄下有“視點復(fù)位”“自動漫游”和“步長設(shè)置”三個選項，下面主要對“步長設(shè)置”功能進行介紹。本系統(tǒng)提供了步長設(shè)置功能，用戶可通過設(shè)置不同的步長值來調(diào)控漫游過程中的步長幅度。配合鍵盤按鍵“W”“S”“A”“D”可實現(xiàn)場景漫游瀏覽。點擊“步長設(shè)置”命令后，即彈出“漫游步長參數(shù)設(shè)置”窗口，用戶可對前后移動步長、左右旋轉(zhuǎn)角度及視點升降角度進行設(shè)置。其中，前后移動步長值對應(yīng)“W”鍵和“S”鍵操作步長值，左右旋轉(zhuǎn)角度步長值對應(yīng)“A”鍵和“D”鍵操作步長值，視點升降角度步長值對應(yīng)“+”鍵和“-”鍵操作步長值。設(shè)置完成后點擊“確定”即可，如若不想保存此設(shè)置則需點擊“取消”。

（6）查詢量算功能的實現(xiàn)。查詢量算菜單欄下有“屬性查詢”“坐標(biāo)查詢”和“距離量算”三個選項。首先需要對系統(tǒng)中的查詢量算操作進行控制，目的是實現(xiàn)此系統(tǒng)的空間量算功能；當(dāng)用戶選擇此三位虛擬場景瀏覽系統(tǒng)的“距離量算”功能時，視窗中將顯示測量用線劃，本段代碼即實現(xiàn)此線劃的顯示；在屬性查詢狀態(tài)下點擊虛擬場景中模型，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中有用戶所查詢的模型信息時，將彈出“地物屬性”窗口。

（7）坐標(biāo)查詢功能。本系統(tǒng)提供了坐標(biāo)查詢功能，用戶可在視窗中點擊虛擬場景中任意空間點，系統(tǒng)將提供給用戶該點的空間坐標(biāo)位置。點擊“坐標(biāo)查詢”命令后，系統(tǒng)進入坐標(biāo)查詢狀態(tài)，此狀態(tài)下在鼠標(biāo)點擊虛擬場景中任意點，即可彈出對應(yīng)對話框顯示該點坐標(biāo)。若想退出坐標(biāo)查詢狀態(tài)只需再次點擊“坐標(biāo)查詢”命令即可。

（8）距離量算功能。本系統(tǒng)提供了距離量算功能，用戶可在視窗中通過鼠標(biāo)選擇兩個目標(biāo)點，以測量出該兩點間的距離。點擊“距離量算”命令后，系統(tǒng)進入距離量算狀態(tài)，此狀態(tài)下在鼠標(biāo)點擊虛擬場景中任意點后，將出現(xiàn)紅色線劃隨鼠標(biāo)移動，直至在虛擬場景中再次點擊鼠標(biāo)左鍵選取另一點，此時單擊鼠標(biāo)右鍵，系統(tǒng)將計算出此兩點間距離并將彈出對話框告知用戶。若想量算其他兩點間距離，只需重新選擇點即可。若想退出距離量算狀態(tài)只需再次點擊“距離量算”命令即可。

四、總結(jié)

本文以三維虛擬場景瀏覽系統(tǒng)為主要研究對象，對其構(gòu)建過程進行了較為細致的分析。對在構(gòu)建系統(tǒng)過程中使用到的各種軟件進行了介紹，并對相關(guān)的使用方法進行了概括，是在虛擬校園領(lǐng)域的又一次探索和實踐。

參考文獻：

[1]The Virtual Reality Modeling Language International Standard[S].ISO/IEC14772，1997.

[2]伍周凱.建筑三維建模高級技法[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]高志清.3ds Max4.0效果圖及動畫制作入門與深造[M].北京：中國水利水電出版社，2002.