基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐翠芳

摘要：隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成功應(yīng)用到高校、工程設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)等各行各業(yè)。對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做出了系統(tǒng)的分析，重點(diǎn)論述了數(shù)字校園、視景的漫游以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體探討技術(shù)視線碰撞檢測(cè)的方法。這不僅對(duì)學(xué)校的資源管理具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也對(duì)學(xué)校的宣傳以及日后的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；校園漫游；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)；分析

中圖分類號(hào)： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（B）-00

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被稱為靈境技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)主要是綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及人工智能等多種高科技的最新研究成果，使人與計(jì)算機(jī)能夠很好的融為一體，并且能夠給人予一種身臨其境的感覺。本文從不同方面對(duì)虛擬校園相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1.數(shù)字校園相關(guān)技術(shù)分析

數(shù)字校園即是指數(shù)字信息化的校園，主要以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊為核心技術(shù)，以信息的獲取與知識(shí)的共享為重要手段，是網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化有機(jī)結(jié)合的新型的、開放式的教育環(huán)境。數(shù)字化校園主要包括校園的設(shè)施數(shù)字化、校園的漫游智能化以及可視化等方面的內(nèi)容，同時(shí)也能夠?qū)^去進(jìn)行反演，從而對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行決策以及對(duì)以后做出有效的預(yù)測(cè)。

1.1三維場(chǎng)景的建模原理分析

三維場(chǎng)景建模是虛擬校園漫游系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，而一個(gè)虛擬的環(huán)境是否逼真則主要來自其視景生產(chǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量，它將直接影響仿真的效果和相似度，同時(shí)也是直接影響虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸感的一個(gè)重要因素。

1.2建模工具軟件的分析

Multigen Creator是一個(gè)系列軟件，主要為開發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)建模以及圖形數(shù)庫的生產(chǎn)工具，具有強(qiáng)大的多邊形建模和矢量建模等功能，提供了多種專業(yè)選項(xiàng)及插件，能夠較為方便的進(jìn)行實(shí)體模型的建立以及管理工作。

Vega主要是為應(yīng)用在實(shí)時(shí)視景仿真以及聲音仿真等領(lǐng)域的世界上較為先進(jìn)的軟件環(huán)境平臺(tái)，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用，能夠提供便捷的創(chuàng)建、編輯和驅(qū)動(dòng)工具。且性能穩(wěn)定易用，支持多種數(shù)據(jù)調(diào)入，能提供高效的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1.3三維建模相關(guān)技術(shù)分析

針對(duì)三維模型來說，主要是涉及到的數(shù)據(jù)包括了數(shù)字化的地圖數(shù)據(jù)以及三維模型尺寸數(shù)據(jù)等，同時(shí)也包括了建筑圖紙以及全校航拍圖來獲得數(shù)字化的地形圖數(shù)據(jù)。

三維建模最主要的四個(gè)環(huán)節(jié)是：首先，創(chuàng)建物體的層次結(jié)構(gòu)。這是由于具有層次結(jié)構(gòu)的文件比無層次結(jié)構(gòu)的文件執(zhí)行效率高。具體可將物體和相關(guān)的實(shí)體進(jìn)行組合形成物體組和相關(guān)組，在此基礎(chǔ)之上嵌套建立起物體的層次結(jié)構(gòu)。其次，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。盡量減少多邊形的數(shù)量是可視化仿真建模的基本原則之一。最理想的效果就是用最少的多邊形來表達(dá)視角上很真實(shí)的模型。第三，植物建模。根據(jù)校園內(nèi)各種植物在所選取的視野范圍內(nèi)的地理位置、生長密度等特征，可分別采用十字交叉或多十字交叉模型。第四，合理運(yùn)用實(shí)例。當(dāng)數(shù)字校園的場(chǎng)景中相同的某個(gè)實(shí)際物體比較多時(shí)，可通過引用同一個(gè)實(shí)例的方法來解決相同幾何體的模型問題從而降低模型數(shù)據(jù)的存貯空間。

2.視景的漫游分析

2.1人機(jī)交互的控制分析

在虛擬三維世界之中，漫游的過程主要是人和計(jì)算機(jī)的交互過程，因此為了能夠滿足不同漫游方式的需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)漫游引擎的過程中可以設(shè)置成為手動(dòng)漫游以及自動(dòng)漫游。

針對(duì)于手動(dòng)漫游來說，能夠隨時(shí)隨地的控制漫游過程中的速度以及方向和視角，根據(jù)任意的視角來觀察建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)施。相對(duì)于手動(dòng)漫游來說，自動(dòng)漫游需要為一個(gè)預(yù)先確定下來的路徑創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，之后則是通過觀察者應(yīng)用一個(gè)導(dǎo)航器來穿過路徑進(jìn)行自動(dòng)的對(duì)運(yùn)動(dòng)做出控制。

2.2 視線的碰撞檢測(cè)方法分析

漫游人員在進(jìn)行漫游的過程中將會(huì)和地形以及障礙物出現(xiàn)一定的碰撞，Vega雖然能夠?qū)Φ孛媾鲎矙z測(cè)做出相應(yīng)的定義，但是針對(duì)于定義的運(yùn)動(dòng)模型根本無法能夠起到實(shí)際性的作用，因此，本研究采用技術(shù)視線碰撞檢測(cè)的方法來進(jìn)行檢測(cè)。

針對(duì)這種方法來說，主要是空間直線以及空間多邊形的求交問題，并且核算的方法也能夠得到兩個(gè)方面的結(jié)果：第一是漫游的過程中地形以及障礙物所進(jìn)行的碰撞檢測(cè)；第二則是虛擬的實(shí)體選擇以及虛擬場(chǎng)景環(huán)境之中的絕對(duì)坐標(biāo)系如下圖1所表示。

作為起點(diǎn)，并且沿著觀察坐標(biāo)系Y軸向著正向進(jìn)行射線，同時(shí)也可以給根據(jù)空間直線的方程式來對(duì)其進(jìn)行描述。

L：X=Rt+E（t≥0）

在公式之中，X（x，y，z）主要是為視線上任意點(diǎn)，然而R（xr.yr.zr）則是為射線的方向。然而E（xe，ye，ze）所表示的便是視點(diǎn)射線上起點(diǎn)，t主要是為X點(diǎn)距離視線的距離。在空間平面P的防塵以及其法向量主要是為以下公式所述。

Ax+By+Cz+D=0

N（A，B，C）主要是為容易求得出來的攝像以及平面的焦點(diǎn)和視點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離。

N1·N2=N1x·N2x+N1y·N2y+N1z·N2z， N·（Rt+E）+D=0，

t0=-（N·E+D）/（N·R），（N·R≠0）。

在公式之中，要是射線L和平面P所平行，那么則不存在著焦點(diǎn)，不然射線L以及平面P則是相交的，焦點(diǎn)主要是為X0=Rt0+E，其視點(diǎn)到交點(diǎn)的距離主要是為t0。

虛擬的實(shí)體選擇是可以得出進(jìn)一步的求解，然而在對(duì)實(shí)體進(jìn)行選擇的過程中，通常情況下不知道視線應(yīng)該和那個(gè)多邊形進(jìn)行交匯，要是每一次都會(huì)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景之中所有的表面多邊形全部都是經(jīng)歷了一遍，那么將會(huì)出現(xiàn)比較大的運(yùn)算量，從而到導(dǎo)致出現(xiàn)一些不必要的浪費(fèi)。所以，在現(xiàn)實(shí)基于視線的碰撞檢測(cè)過程中，必須要考慮到球形包圍盒以及長方體包圍盒的快速求交方法能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬體的選擇。

3.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)分析

漫游引擎主要是一組三維場(chǎng)景漫游的核心程序所在，并且負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)輸入映射以及試點(diǎn)的控制以及虛擬場(chǎng)景調(diào)度管理等系統(tǒng)漫游的功能。在數(shù)字校園漫游引擎之中，多數(shù)系統(tǒng)能夠在主頁定義一些可選項(xiàng)，能夠給漫游都提供一打開或者關(guān)閉的功能設(shè)置，從而使“游客”在數(shù)字校園之中能夠觀賞到不同時(shí)段（不同季節(jié)）的校園景色，同時(shí)也能夠采用任意的視角和路線在校園之中自由穿行。

基于上述主要系統(tǒng)分析，通過建立起基于多為信息空間的和諧人機(jī)環(huán)境，被認(rèn)為是信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展過程中的主要目標(biāo)，并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是支撐多為信息空間的關(guān)鍵因素所在，通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行數(shù)字城市的虛擬建設(shè)以及虛擬裝修等進(jìn)行展示，能夠更好的為相關(guān)領(lǐng)域上面的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，從而取得一個(gè)良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉航，王積忠，王春水.虛擬校園三維仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007.28（12）：2934-2936

[2]楊曼，阮秋琦.基于MultiGen的虛擬場(chǎng)景真實(shí)感研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008.18（9）：177-179

[3]馬萍.三維虛擬校園立體場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2013：12-15