西科大臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)＊

馬 天，韋 冠

（西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual reality，簡稱VR)技術(shù)發(fā)展迅速，并已廣泛應(yīng)用于數(shù)字礦山［1－3］、軍事工業(yè)［4］、醫(yī)學(xué)教育、城市規(guī)劃等各行業(yè)中。應(yīng)用VR技術(shù)對建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)交互漫游，能夠給人們帶來沉浸式的視覺體驗(yàn)。越來越多的國內(nèi)外高校通過三維交互漫游技術(shù)，設(shè)計(jì)了虛擬校園系統(tǒng)，達(dá)到了很好的宣傳效果，并可幫助新生盡快熟悉校園。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。虛擬校園系統(tǒng)一般是應(yīng)用在桌面電腦平臺上，前期多是基于 OpenGL，DirectX 圖形接口［5］實(shí)現(xiàn)，開發(fā)周期較長、系統(tǒng)效率不穩(wěn)定；為了簡化開發(fā)流程、提高提高渲染效果，目前一般是采用開源三維渲染引擎 OSG［6］，Ogre等，或者商業(yè)軟件 VR-Platform［7］，Vega 等進(jìn)行開發(fā)；近來也有引入 GIS 系統(tǒng)［8］和在移動平臺上［9］的開發(fā)應(yīng)用。

綜合考慮上述虛擬校園系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，基于節(jié)約開發(fā)成本和完全知識產(chǎn)權(quán)需求，文中首先基于3D Max三維建模軟件對整個(gè)臨潼校區(qū)進(jìn)行三維建模，提出了一種大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法。然后，基于VS2005平臺和OSG三維渲染引擎，對臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提出了一種自主漫游碰撞檢測方法，并實(shí)現(xiàn)了自動路徑場景定位功能。

1 臨潼校區(qū)三維模型建立

在正式建模之前，對臨潼校區(qū)進(jìn)行了大量的照片采集，觀察分析校區(qū)整體結(jié)構(gòu)及建筑物特點(diǎn)。仔細(xì)分析策劃各部分建模的先后次序，把握各階段建模工作的難易程度，理清場景模型的分類處理流程。

1.1 大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法

以臨潼校區(qū)平面圖和衛(wèi)星圖片為基礎(chǔ)，通過分析臨潼校區(qū)整體結(jié)構(gòu)，決定首先進(jìn)行校園縱橫穿插的道路地形建模，然后依此為基礎(chǔ)進(jìn)行建筑物區(qū)域劃分，就可確定整個(gè)校園的建筑之間的相對位置和結(jié)構(gòu)錐形，后續(xù)建立的建筑物模型只需放置到對應(yīng)位置并做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整即可，這也可大大縮短建模工作的時(shí)間。具體步驟如下

1)基于衛(wèi)星圖片和采集照片資料，對主干道路和地形地貌建模；

2)以主干道路進(jìn)行建筑物區(qū)域劃分，如圖1所示，主要分為:廣場教學(xué)區(qū)、9－18教學(xué)區(qū)、教師公寓區(qū)、學(xué)生宿舍區(qū)、體育場區(qū)、食堂區(qū)等；

3)對各區(qū)域內(nèi)建筑物進(jìn)行分類，主要分為:教學(xué)樓、教師公寓樓、學(xué)生宿舍樓、圖書館、體育館、綜合樓、行政樓等主要建筑，用3D Max對各主要建筑分別建模，最后倒出成單獨(dú)的三維模型文件；

4)根據(jù)區(qū)域劃分，用3D Max分場景進(jìn)行建模，直接導(dǎo)入步驟(3)中所需的主要建筑，調(diào)整相對位置以符合真實(shí)布局，同樣倒出成單獨(dú)的三維模型文件；

5)在步驟(1)的場景里分別倒入步驟(4)里各個(gè)區(qū)域的場景模型，調(diào)整相對位置以符合真實(shí)布局，完成整個(gè)校區(qū)場景的三維建模。最后，所有模型統(tǒng)一使用3D Max的osgExp插件倒出成IVE格式，方便后續(xù)三維引擎OSG進(jìn)行模型調(diào)度。

1.2 三維模型建立及優(yōu)化方法

圖1 基于衛(wèi)星圖的區(qū)域劃分Fig.1 Zoning based on satellite image

道路建模，采用3D Max中樣條線的描線段法進(jìn)行道路畫線，然后轉(zhuǎn)換為“可編輯多邊形”，設(shè)置漫反射紋理，并通過“UVW貼圖”修改器調(diào)整；地形建模，填補(bǔ)路面之間的空隙，編輯調(diào)整地形高程，設(shè)置地質(zhì)紋理。樹木和花壇則使用布告板(Billboard)技術(shù)進(jìn)行建模，建立兩個(gè)十字交叉的矩形布告板，設(shè)置透明樹木或花紋理。草坪建模，將草坪地面“分離”出來，設(shè)置草坪紋理；三里河也是一樣，對河流平面設(shè)置一張動態(tài)水流紋理即可。

主要建筑建模，首先是紋理圖片采集處理，受到照片采集條件限制，照片會傾斜、遮擋或不完整，需使用圖像處理軟件Photoshop進(jìn)行拼接、修正，然后保存成2m×2n大小的標(biāo)準(zhǔn)紋理圖片；其次是幾何形狀建立，需要進(jìn)行分塊建模，對于非標(biāo)準(zhǔn)形狀，可通過“可編輯多邊形”的點(diǎn)、線調(diào)整和面“擠出”操作實(shí)現(xiàn)，考慮到貼圖作用，墻面等幾何細(xì)節(jié)可適當(dāng)簡化，注意:分塊之間連接處的頂點(diǎn)要“焊接”到一起以避免顯示閃爍；然后進(jìn)行層次細(xì)節(jié)(Layer of Detail，LOD)模型處理，在精細(xì)模型的基礎(chǔ)上，通過簡化處理生成不同級別的低精度模型，可在遠(yuǎn)距離觀察時(shí)切換使用，而不影響顯示效果，圖2所示為體育館的LOD模型；最后利用3D Max的渲染到紋理(Render to texture，RTT)功能，將離線的高級光照等效果烘焙成高精度紋理貼圖，可在不影響實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上提高模型顯示效果。

圖2 體育館LOD模型Fig.2 LOD models of the gymnasium

2 三維虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)三維場景采用OSG進(jìn)行管理和繪制，在VS2005平臺通過控制臺應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，利用OSG的事件回調(diào)機(jī)制響應(yīng)用戶交互，狀態(tài)和文字信息等的更新通過OSG的更新回調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

2.1 三維場景管理

OSG是基于場景圖［10］方式來管理和繪制三維場景，采用一種自頂向下的分層樹形結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，以提升繪制的效率。場景圖樹結(jié)構(gòu)的頂部是一個(gè)根節(jié)點(diǎn)。從根節(jié)點(diǎn)向下延伸，各個(gè)組節(jié)點(diǎn)中均包含幾何信息和用于控制其外觀的繪制狀態(tài)信息。本系統(tǒng)場景組織參照1.1節(jié)的劃分建模方法，場景樹結(jié)構(gòu)如圖3所示，對于幾何結(jié)構(gòu)相同的建筑只載入一個(gè)模型，通過多個(gè)osg::MaxtrixTransform節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的旋轉(zhuǎn)和位置，來實(shí)例化多個(gè)同構(gòu)建筑，例如:10～18號教學(xué)樓完全是一樣的結(jié)構(gòu)，只需載入一次“教學(xué)樓10”模型；對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑模型，需要使用osg:LOD節(jié)點(diǎn)來加載不同距離下的LOD模型。

圖3 場景樹結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure graph of the scene tree

2.2 自主漫游碰撞檢測方法

自主漫游交互操作器通過繼承自osgGA:MatrixManipulator類實(shí)現(xiàn)，重載其handle()函數(shù)來響應(yīng)鼠標(biāo)和鍵盤的交互操作，具體是鍵盤4個(gè)按鍵控制前、后、左、右移動，鼠標(biāo)左鍵控制左右和俯仰旋轉(zhuǎn)，所有移動、旋轉(zhuǎn)量在響應(yīng)某個(gè)操作時(shí)按照固定步長改變；重載getMatrix()和getInverseMatrix()函數(shù)，通過矩陣運(yùn)算將改變后的移動、旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的變換矩陣。

圖4 自主漫游碰撞檢測流程圖Fig.4 Flow chart of independent roaming collision detection

在自主漫游過程中會碰到階梯、斜坡或墻面障礙物等情況，需要設(shè)計(jì)合理的碰撞檢測方法以修正漫游移動，這里通過osgUtil::IntersectVisiotr類實(shí)現(xiàn)，主要使用osg::LineSegment類做線段檢測，具體檢測流程如圖4所示，首先建立正前方的檢測線段lineXY，測試正前方是否有碰撞，如果有需要判斷前方障礙物是斜坡、樓梯還是墻面，因此繼續(xù)建立前上方的檢測線段lineXZ，測試前上方是否有碰撞，如果有說明是比較高的墻面，保持不動，如果沒有則說明是斜坡、樓梯，需要沿著前上方向移動；如果正前方?jīng)]有碰撞，需要判斷下方是否有斜坡、樓梯，因此繼續(xù)建立正下方的檢測線段lineZ，測試正下方是否有碰撞，如果有則沿地面向正前方向移動，如果沒有則說明是斜坡、樓梯，需要向前下方向移動。

2.3 自動路徑場景定位

臨潼校區(qū)主要功能建筑數(shù)量不是很多，這里采用人工錄制漫游路徑的方式來實(shí)現(xiàn)場景定位。

1)通過osgViewer進(jìn)行道路模型的瀏覽，按下“Z”鍵可記錄漫游路徑，按下“Z”鍵停止錄制，并自動保存為path格式的路徑文件。這里使用飛行模式分別錄制從大門到圖書館、食堂等功能建筑的漫游路徑。

2)創(chuàng)建一個(gè)osgGA:AnimationPathManipulator動畫路徑操作器；

3)使用osgWidget創(chuàng)建簡單界面按鈕，根據(jù)按鈕選擇的功能建筑，給動畫路徑操作器關(guān)聯(lián)所需路徑文件，并將相機(jī)漫游器設(shè)置為該動畫路徑操作器。

3 應(yīng)用結(jié)果

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為VS2005 SP1和OSG 2.8.2，運(yùn)行該系統(tǒng)的主機(jī)操作系統(tǒng)為Windows XP SP3，硬件配置為:CPU為Inter Core 2 Duo T5870/2.0 GHz，內(nèi)存為DDR II 800/2 G，顯卡為NVIDIA Ge-Force G105 M/512 M，硬盤 SATA 250 G/7200/16 M.系統(tǒng)運(yùn)行的臨潼校區(qū)全景效果如圖5所示，三維顯示效果達(dá)到預(yù)期。經(jīng)測試，平均幀速為58幀/s，完全滿足實(shí)時(shí)交互的需求(≥30幀/s)。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行截圖Fig.5 Screenshot of the system

4 結(jié)論

文中提出的一種大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法，可最大限度的提高模型的復(fù)用率和建模效率。經(jīng)應(yīng)用測試，基于3DMax和OSG設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自主漫游的碰撞檢測、自動路徑場景定位交互功能。該系統(tǒng)滿足了整個(gè)校區(qū)的實(shí)時(shí)三維交互漫游的要求，達(dá)到了預(yù)期的三維顯示效果。后續(xù)，繼續(xù)進(jìn)行模型顯示優(yōu)化和交互功能完善，并考慮進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程改造，然后放到校園網(wǎng)站上以達(dá)到最大的應(yīng)用宣傳效果。

References

［1］陳 宇，劉 勇，李紹泉.數(shù)字礦山信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(6):732－735.CHEN Yu，LIU Yong，LI Shao-quan.Design and implementation of digital mine information management system［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(6):732 －735.

［2］周亦鵬，胡 娟.基于三維全景技術(shù)的數(shù)字礦山漫游系統(tǒng)［J］.金屬礦山，2012(5):116－120.ZHOU Yi-peng，HU Juan.Digital mine roaming system based on 3D panorama technology［J］.Metal Mine，2012(5):116－120.

［3］賈建華，張艮龍.巷道三維顯示自動建模新方法［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(6):716 －719.JIA Jian-hua，ZHANG Gen-long.3D visualization of roadway based on ArcGIS［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30(6):716 －719.

［4］馬 天，黃建國，高 偉，等.應(yīng)用GPU編程的水聲對抗視景系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(3):289 －295.MA Tian，HUANG Jian-guo，GAO Wei，et al.Visual realization of an acoustic confrontation simulation system using GPU programming［J］.Journal of Harbin Engineering University，2012，33(3):289 －295.

［5］陳 勇，馬純永，陳 戈.基于VC/OpenGL的虛擬海大校園導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2007，19(2):263 －267.CHEN Yong，MA Chun-yong，CHEN Ge.Virtual campus navigation of ocean university based on VC/OpenGL［J］.Journal of Computer-aided Design ＆ Computer Graphics，2007，19(2):263 －267.

［6］溫轉(zhuǎn)萍，申閆春.基于OSG的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19(1):217－220.WEN Zhuan-ping，SHEN Yan-chun.Design and implementation of visual campus ramble system based on OSG［J］.Computer Technology and Development，2009，19(1):217－220.

［7］楊宏艷，史 卓，鐘艷如.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4):287－291.YANG Hong-yan，SHI Zhuo，ZHONG Yan-ru.Design of digital campus roaming system based on virtual reality technology［J］.Journal of Guilin University of Electronic Technology，2011，31(4):287 －291.

［8］XU Ke-ke.Design and implementation of 3D virtual campus roaming system based on GIS［J］.Intelligent Systems(GCIS)，2010 Second WRI Global Congress，2010(2):137－139.

［9］ZHONG Qing，XU Yi，YU Xiao-han，et al.Study of the virtual campus ramble for the android mobile phone［J］.Advanced Materials Research，2013(718 － 720):2252－2258.

［10］WANG Rui，QIAN Xue-lei.Open scene graph 3 cookbook［M］.Birmingham:Packt Publishing，2012.