虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬校園開發(fā)中的應(yīng)用

顧海霞++寧義風(fēng)

摘要：論述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀；簡要介紹了虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件MultiGen Creator和Vega；對虛擬校園的三維仿真方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述；并對基于虛擬校園的相關(guān)研究課題進(jìn)行了瞻望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬校園；可視化；MultiGen Creator；Vega

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）11-0203-03

Abstract： The principle and application status of virtual reality technology were introduced. A brief introduction of the virtual reality developing tools—MultiGen Creator and Vega is given. The methods and several key techniques to develop virtual campus were particularly discussed. And the research tasks based on the virtual campus were put forward.

Key words： virtual reality technology；virtual campus；visualization；multigen creator；vega

1 概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)又稱靈境或臨境技術(shù)，它依托于計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)乃至美學(xué)和社會科學(xué)等多種學(xué)科，是在計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計算機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)基礎(chǔ)上的交叉學(xué)科。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按不同的依據(jù)可分為不同的類型，但究其本質(zhì)，它是一種先進(jìn)的計算機(jī)用戶接口技術(shù)。它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶投入到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互，從而最大限度的方便用戶的操作，減輕用戶的負(fù)擔(dān)，提高整個系統(tǒng)的工作效率[1]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在近幾年由于技術(shù)上的進(jìn)步與成熟而迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已由過去的娛樂與模擬訓(xùn)練發(fā)展到包含航空航天、鐵道、建筑、土木、科學(xué)計算可視化、醫(yī)療、軍事、教育、通信、藝術(shù)、體育等廣泛領(lǐng)域[2]。本文簡要介紹了虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具M(jìn)ultiGen Creator和Vega，在此基礎(chǔ)上著重探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬校園三維仿真中的應(yīng)用。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具M(jìn)ultiGen Creator和Vega

目前，虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具發(fā)展迅速，比較著名的有WorldToolKit、Vega、MR、dVS等。這些軟件都支持從更高層次上開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，而且為用戶屏蔽掉底層硬件上的差異，用戶只要分析與實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用本身，不需考慮不同機(jī)型、不同操作系統(tǒng)、不同接口的硬件差異[2]。下面就筆者所使用的美國MultiGen-Paradigm公司推出的MultiGen Creator和Vega做一簡要介紹。

MultiGen Creator是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實時3維建模工具，它能夠滿足視景仿真、交互式游戲開發(fā)、城市仿真等應(yīng)用領(lǐng)域。Creator是將多邊形建模、矢量建模和地形生成集成在一個軟件包中的手動建模工具，包括多邊形和紋理建模、矢量編輯和建模以及地形地表生成等功能子模塊。它主要考慮如何生成逼真的大面積地形、地貌等地理環(huán)境模型，以及如何提高模型的實時性。

Vega是最核心的渲染工具，用于實時視景模擬的定義和場景的描述，是虛擬現(xiàn)實和普通視覺應(yīng)用的開發(fā)和運(yùn)行工具。Vega將先進(jìn)的模擬功能和易用工具相結(jié)合，對于復(fù)雜的應(yīng)用，能夠提供快速、方便的建模、編輯和驅(qū)動工具。

3虛擬校園的可視化開發(fā)與研究

目前，虛擬大學(xué)有兩種定義，并分別帶來不同的研究和實踐。一種定義是從信息、網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的角度出發(fā)，虛擬大學(xué)被理解為一個以計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為平臺的、遠(yuǎn)程教學(xué)為主的信息載體；另一個定義是從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)上虛擬社區(qū)和3S技術(shù)的角度出發(fā)，虛擬大學(xué)被定義為對現(xiàn)實大學(xué)三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，是基于現(xiàn)實大學(xué)的一個三維虛擬環(huán)境，用于對現(xiàn)實大學(xué)的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展等方面的研究。本文探討真實表達(dá)和模擬江蘇師范大學(xué)校園景觀的虛擬校園環(huán)境的設(shè)計、開發(fā)和初步試驗。江蘇師范大學(xué)位于江蘇省徐州市，校園總占地2200畝，由泉山校區(qū)、云龍校區(qū)、奎園校區(qū)和賈汪校區(qū)四部分組成。

3.1 3維虛擬地理景觀的總體設(shè)計

在地理景觀系統(tǒng)中，地理對象根據(jù)空間分布特性，可分為2類：一類稱為地形景觀對象，這類對象以場為基礎(chǔ)，在空間上連續(xù)分布，如地形等；另一類稱為地物對象，這類對象以離散實體為特性，以獨立的個體而存在，如虛擬校園中的建筑物、樹木、路燈等對象。地理對象的3維幾何空間數(shù)據(jù)是三維地理世界建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其大數(shù)據(jù)量是三維地理對象實時圖形處理的瓶頸。所以地理景觀對象的建模是虛擬校園開發(fā)的一個關(guān)鍵部分。

數(shù)據(jù)庫的層次視圖結(jié)構(gòu)對運(yùn)行系統(tǒng)的實時性影響很大。一般來講，層次視圖的空間結(jié)構(gòu)比線性結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)更有利于圖像生成器快速剔除不在視錐體內(nèi)的幾何體。所以按空間結(jié)構(gòu)形式組織的數(shù)據(jù)庫具有最快的剔除速度。空間層次結(jié)構(gòu)效率最高，適合于大中型數(shù)據(jù)庫，故在虛擬校園中采用了這種結(jié)構(gòu)，以減少剔除時間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的實時性。

3.2 利用LOD技術(shù)建立復(fù)雜對象的多層次細(xì)節(jié)模型

虛擬校園中有很多空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的地形地物對象，如典型風(fēng)格建筑物、復(fù)雜的地形對象等。對于這類對象，為了實現(xiàn)快速的圖形計算與顯示，提高系統(tǒng)的實時性，采用不同層次的幾何和屬性數(shù)據(jù)來表達(dá)。LOD（Levels of Detail）是細(xì)節(jié)層次模型的英文簡稱，其主要思想是用不同多邊形個數(shù)的多邊形網(wǎng)表達(dá)地理景觀對象的不同層次的幾何分辨率，用不同大小的紋理圖象表達(dá)屬性分辨率。對于某一地理對象，根據(jù)其在虛擬場景中與視點之間的距離、實時系統(tǒng)所能處理的多邊形數(shù)、視覺特性等規(guī)則，構(gòu)造一組該對象的不同復(fù)雜程度的三維表達(dá)。在模型驅(qū)動時根據(jù)所制定的規(guī)則，自動選擇相應(yīng)的顯示層次，從而達(dá)到實時簡化模型，又不影響視覺效果的目的。但當(dāng)兩個細(xì)節(jié)層次模型切換時，視覺上會有明顯的突變。Morphing技術(shù)通過在相鄰的兩個LOD之間生成一個過度區(qū)，大大加強(qiáng)了層次模型過渡的平滑性[3]，減小了視覺動量的損失。

LOD的層次視圖結(jié)構(gòu)應(yīng)有助于實時系統(tǒng)快速選中需顯示的LOD節(jié)點。在模型系統(tǒng)開發(fā)階段，為了工作效率和便利，LOD節(jié)點采用獨立結(jié)構(gòu)或添加式結(jié)構(gòu)。但在這兩種結(jié)構(gòu)下，運(yùn)行系統(tǒng)必須逐個檢查每個節(jié)點以決定其是否被顯示，這樣增加了剔除時間。虛擬校園環(huán)境中有很多需要詳細(xì)表達(dá)的復(fù)雜模型，為提高顯示效率和實時性，必須將LOD節(jié)點優(yōu)化成嵌套結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)使實時系統(tǒng)很快選中當(dāng)前需顯示的LOD節(jié)點和剔除與當(dāng)前LOD節(jié)點不相關(guān)聯(lián)的LOD節(jié)點，因而可以得到良好的剔除和繪制性能。

3.3 3維動態(tài)景觀的初步實現(xiàn)

在本文的初步試驗中，選擇江蘇師范大學(xué)工學(xué)院大樓及其周圍的場景作為試驗區(qū)，建立虛擬校園環(huán)境模型。

3.3.1 地形對象模型庫的生成

江蘇師范大學(xué)依山建造，整體地勢有明顯起伏，故校園地形的建?？煞譃閮刹糠诌M(jìn)行。對較平坦部分，將其簡化為平面，用紋理映射來增加生動性；對地勢起伏較大的部分，以校園地形幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實際地形和地貌的情況，利用MultiGen的地形工具進(jìn)行建模。首先將高程源數(shù)據(jù)文件（USGS DEM、NIMA DTED等格式）轉(zhuǎn)換成MultiGen所特有的DED（Digital Elevation Data）格式，然后將.ded文件輸入到Creator中，選取生成地形的區(qū)域，設(shè)置影響地形生成方式的參數(shù)，之后生成地形的多邊形表示。

3.3.2 地物對象模型庫的生成

虛擬校園環(huán)境中的地物對象有建筑物、路燈、樹、廣告牌等。對于箱體式建筑物，可將其看作由頂面和各個鉛垂墻面組成，為增加模擬的真實性，在各個面上映射從現(xiàn)實世界中采集到的紋理；而對于樹木等從任何角度看都大致相同的物體，可采用兩個相互垂直的平面，映射相同的紋理來實現(xiàn)。樹木、路燈等對象具有這樣的特點，即在虛擬場景中大量存在并且形狀大致相同（僅位置和大小存在差異）。若對每一個這樣的對象都建立其幾何模型，將占用大量的系統(tǒng)資源，使運(yùn)行系統(tǒng)的實時性降低。對這類對象，可以只建立一個幾何模型，然后對其進(jìn)行實例化處理。如圖1所示，左邊4棵樹是最右那棵樹的實例，只有最右那棵樹的模型占存儲空間。

對于離散的地物對象，應(yīng)先進(jìn)行三維處理與表達(dá)，然后根據(jù)其在現(xiàn)實校園中的地理位置坐標(biāo)、實際大小、地物朝向和紋理結(jié)構(gòu)等，將其匹配到虛擬地形對象上，建立可構(gòu)成虛擬校園環(huán)境的三維地物對象數(shù)據(jù)庫。

三維虛擬模型數(shù)據(jù)庫建立以后，為提高實時系統(tǒng)的運(yùn)行性能，還必須對三維模型結(jié)構(gòu)、層次視圖結(jié)構(gòu)、紋理數(shù)據(jù)格式、LODs結(jié)構(gòu)以及光源、自由度 （DOFs）等進(jìn)行優(yōu)化處理。通過優(yōu)化能有效提高運(yùn)行系統(tǒng)的實時性和繪制速度，保證虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸、交互等特性得到充分體現(xiàn)。

3.3.3 維動態(tài)景觀的初步實現(xiàn)

MultiGen CreatorPro中創(chuàng)建的地理對象模型數(shù)據(jù)在實時系統(tǒng)Vega中驅(qū)動，實現(xiàn)三維動態(tài)景觀。Vega提供了2種方式實現(xiàn)虛擬場景的實時驅(qū)動：可視化編程方式和VegaAPI函數(shù)編程方式。需設(shè)定的參數(shù)主要有虛擬場景中要加入的3D模型文件（Object）、虛擬場景中要顯示的目標(biāo)、在虛擬場景中的觀察方式、觀察者在虛擬場景中的運(yùn)動方式以及環(huán)境效果、光源和聲音效果等。如圖2所示是工學(xué)院大樓及其周圍景觀的場景圖，可以看到仿真效果很好。

4 結(jié)論及進(jìn)一步的工作

三維虛擬校園環(huán)境是分布式虛擬環(huán)境在教育和學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用。本文從地理對象建模、虛擬環(huán)境可視化方面，討論了虛擬校園系統(tǒng)的環(huán)境設(shè)計，并以江蘇師范大學(xué)工學(xué)院大樓及其周圍的場景作為試驗區(qū)，進(jìn)行了初步試驗。虛擬校園環(huán)境是最終建立可用于虛擬教育和學(xué)習(xí)的虛擬江蘇師范大學(xué)的第一步，所以下一步的工作除了繼續(xù)完善三維虛擬校園環(huán)境外，還應(yīng)開展與虛擬學(xué)生社區(qū)、遠(yuǎn)程教學(xué)，以及虛擬環(huán)境系統(tǒng)服務(wù)于學(xué)生管理等相關(guān)課題的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾建超，俞志和.虛擬現(xiàn)實的技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996：2-8.

[2] 張茂軍.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：6-9.

[3] 吳家鑄，黨崗，劉華峰，等.視景仿真技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001：77-88.

[4] 萬剛，陳剛，游雄.虛擬城市中地物幾何建模技術(shù)的研究[J].測繪學(xué)報，2002，31（1）：60-65.