虛擬現(xiàn)實技術(shù)在校園漫游系統(tǒng)的運(yùn)用探究

譙琳

摘要：隨著科技的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實不再只存在于人們的想象中。虛擬校園漫游系統(tǒng)，是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的一個逼真的虛擬校園場景，是將現(xiàn)實中的物體全方位體現(xiàn)在人們面前，讓未進(jìn)入校園的人們能夠經(jīng)由圖像、聲音等模擬的現(xiàn)實的場景，借由動態(tài)交互的體驗，讓訪問者如同真的置身于校園中，達(dá)到身臨其境的效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬校園漫游系統(tǒng)；數(shù)字校園

隨著科技的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實不再只存在于人們的想象中，越來越多的行業(yè)中出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的身影。在教育行業(yè)中，作為數(shù)字校園的基礎(chǔ)和平臺的校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)也是離不開虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持。校園漫游系統(tǒng)主要是指虛擬校園漫游系統(tǒng)，是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)同時使用計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等高新技術(shù)，以真實校園為藍(lán)本，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建一個逼真的虛擬校園場景，使體驗者可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動漫游、視點(diǎn)的改變等交互行為，達(dá)到身臨其境的效果。

1虛擬現(xiàn)實的特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實的特點(diǎn)主要有沉浸性、交互性和構(gòu)想性。沉浸性是指借著電腦制作的仿真的三維圖像，通過人類接收圖像、聲音等的視覺、聽覺等感官器官的生理特點(diǎn)，經(jīng)由如鍵盤鼠標(biāo)、頭盔等交互設(shè)備讓使用者產(chǎn)生自己就是虛擬環(huán)境中的一員，達(dá)到身臨其境的感覺。交互性主要通過電腦鍵盤、鼠標(biāo)、傳感設(shè)備等輸人輸出設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互。通過對使用者的語音及身體各部位的運(yùn)動狀態(tài)的識別，計算機(jī)可對系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整以達(dá)到讓使用者得到更好體驗的目的。使用者通過自身的語言、身體運(yùn)動或動作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察或操作-引。構(gòu)想性是指使用者通過在虛擬環(huán)境中獲得視、聽、觸等感知，在腦海中構(gòu)成畫面，產(chǎn)生聯(lián)想。

2漫游系統(tǒng)與三維動畫的區(qū)別

三維動畫是一種模擬人行走時觀察到的場景的動畫效果，它的行走路線是唯一的，不可變更的。訪問者只能跟隨動畫的播放情景進(jìn)行參觀，不能按照自己的意愿進(jìn)行場景切換。漫游系統(tǒng)中訪問者可以按照自己的意愿在三維場景中任意參觀，如果借由專門的感官設(shè)備，還可以通過視覺、聽覺、觸覺等達(dá)到身臨其境的感覺。

3虛擬漫游的開發(fā)技術(shù)

當(dāng)前，虛擬漫游的開發(fā)技術(shù)主要分為三類：基于圖形、基于圖像以及基于圖形與圖像混合類型。其中，基于圖形的虛擬漫游技術(shù)需要建立場景中的精準(zhǔn)的三維幾何模型，即通常所說的建模法?；趫D像的虛擬漫游技術(shù)則不需要進(jìn)行創(chuàng)建幾何模型，其主要是使用拍攝的真實圖片通過全景圖像生成器和空間編輯器對圖像的拼接處理完成。基于圖形與圖像混合建模的虛擬漫游技術(shù)是將之前兩種技術(shù)的進(jìn)行了優(yōu)點(diǎn)整合缺點(diǎn)規(guī)避的融合處理：先繪制幾何模型，得到圖像，再修正模型，最后得到使用圖像形式來表現(xiàn)的幾何模型。

這三類技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。使用基于圖形的虛擬漫游技術(shù)可以得到較為真實、細(xì)膩的場景，有利于訪問者與場景中的對象進(jìn)行交互，且技術(shù)路線比較成熟，但是它存在著構(gòu)建場景時工作量大以及實時渲染時對計算機(jī)的軟硬件要求比較高的不足；使用基于圖像的虛擬漫游技術(shù)具有制作周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是需要事先拍攝，只能生成已有的場景，并且因為虛擬對象是圖像，用戶想要與之交互較為困難；基于圖形與圖像混合建模的虛擬漫游技術(shù)通過集合以上兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)使得場景中的模型真實性、實時性和交互性都得到了保障，但是因為其出現(xiàn)較晚還處于探索階段，在實現(xiàn)時還存在技術(shù)上的一些困難。對三種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析后，本課題最終采用的是基于圖形的虛擬漫游技術(shù)。

4虛擬校園漫游系統(tǒng)的基本開發(fā)方案

本研究以筆者所在學(xué)院的校園為對象，開發(fā)桌面型的虛擬校園漫游系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程如下：

（1）確定系統(tǒng)規(guī)模、顯示效果、開發(fā)工具等。

（2）建立模型庫，制作模型。

（3）模型優(yōu)化。

（4）實現(xiàn)虛擬校園場景生成。

（5）設(shè)定漫游方式，實現(xiàn)對漫游交互。

5建模工具

市面上的三維建模軟件比較多，但是各自主要運(yùn)用的方向不同。如：Maya更利于角色創(chuàng)建，Softlamge XSI更偏向于影視方面，Houdini綜合性較強(qiáng)，但是上手難度大，Rhino強(qiáng)于nurbs建模等。在對多種建模軟件進(jìn)行對比分析后，本系統(tǒng)最終選擇了3DSMAX作為模型的主要制作軟件。首先，3DSMAX功能簡潔高效，易于上手，構(gòu)建出來的3d模型具有較強(qiáng)的真實感，在進(jìn)行場景搭建中實用性強(qiáng)。同時，它能夠精確擬合CAD格式的平面圖的坐標(biāo)，可以迅速地進(jìn)行數(shù)據(jù)間的正確轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到快速建立校園三維立體場景模型的目的。并且其對硬件系統(tǒng)的要求也很低，常規(guī)硬件配置就能夠滿足使用需求。

6校園漫游系統(tǒng)場景模型的建立

系統(tǒng)場景模型的建立主要由以下幾個步驟組成：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。虛擬校園漫游系統(tǒng)中所需創(chuàng)建的模型主要有建筑、地形、地物三類。對其進(jìn)行建模需要獲取以下數(shù)據(jù)，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫：

①通過資料收集，得到各類建筑物的cad格式的平面圖以及坐標(biāo)。

②通過數(shù)字?jǐn)z影測量方法，得到地形的數(shù)據(jù)。

③先利用數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)得到模型在現(xiàn)實中的參照物的高清照片，再使用Photoshop一類的圖形處理軟件對照片進(jìn)行圖像處理，最后將得到可用的貼圖圖片保存為JPG格式，制作創(chuàng)建場景所需的貼圖數(shù)據(jù)庫。

（2）地形建模。因為廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園中的地形并不復(fù)雜，我們將其按地形特點(diǎn)劃分為若干區(qū)域，使用多邊形對各區(qū)域進(jìn)行模擬，合并構(gòu)成整體地形。

（3）建筑模型。主要是通過將cad格式的平面圖導(dǎo)入到3DSMAX中，在此基礎(chǔ)上通過編輯多邊形進(jìn)行建模。對于有cad平面圖的建筑物來說使用編輯多邊形來進(jìn)行建模不僅簡便快捷，而且可以創(chuàng)建各種表面用以描述細(xì)節(jié)。

（4）貼圖處理。從貼圖數(shù)據(jù)庫中找出相應(yīng)貼圖，使模型更加真實。

（5）優(yōu)化模型。在保證真實度的前提下盡可能地優(yōu)化模型，減少計算量，加快渲染速度。

7場景漫游與交互

筆者所在學(xué)院的虛擬校園漫游系統(tǒng)主要采用控制視點(diǎn)的方式來實現(xiàn)了實時漫游。漫游工具主要使用鼠標(biāo)與鍵盤。訪問者主要可使用帶有目標(biāo)定位的導(dǎo)航圖直接切換到目標(biāo)視點(diǎn)，通過點(diǎn)擊感興趣的三維模型查詢相關(guān)屬性。漫游方式主要采用的是固定路徑的自動漫游與由鍵盤鼠標(biāo)控制的交互式漫游。

8小結(jié)

使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)以真實校園為藍(lán)本，搭建出來逼真的虛擬校園場景，通過虛擬校園漫游系統(tǒng)可以更好地進(jìn)行對外宣傳，讓來訪者可以在千里之外就可以身當(dāng)其境地感受到校園文化氛圍，瀏覽校內(nèi)風(fēng)光，了解學(xué)校相關(guān)信息，同時也為建設(shè)數(shù)字校園提供了良好的基礎(chǔ)平臺。