基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的校園3D漫游系統(tǒng)研究

顧語琪　孔　鑫　李彥雪*

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

1　研究背景與意義

1.1　研究背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外興起。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(簡稱VR技術(shù))是一種借助計算機及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的，用戶與計算機之間實現(xiàn)視覺、聽覺、嗅覺的有效互動方式，具有多感知性、存在感、交互性、自主性的特點。其在計算機技術(shù)研究中占據(jù)重要地位，并逐漸滲透到軍事、教育、工業(yè)設(shè)計等方面，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。利用其先進的交互性與多感知性等特點，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在三維數(shù)字景觀漫游的研究方面也取得了一定成就。目前，高校間競爭愈發(fā)激烈，傳統(tǒng)方式已無法滿足學(xué)校發(fā)展需求。國內(nèi)外很多高校紛紛推進了校園信息化建設(shè)，構(gòu)建虛擬校園漫游系統(tǒng)已然成為高校提高自身競爭力與影響力的一大手段。

1.2　研究意義

依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，項目可以實現(xiàn)對校園環(huán)境全方位的立體演示，讓用戶身臨其境的感受東北林業(yè)大學(xué)南校區(qū)四時風(fēng)光。它為用戶搭建了一個了解校園的多元化信息平臺，為學(xué)校的宣傳、展示提供了全新的方式。同時，項目不僅是對校園現(xiàn)狀的漫游展示，還對南校區(qū)整體景觀進行改造與提升。校園三維數(shù)字景觀漫游系統(tǒng)作為數(shù)字校園建設(shè)的基礎(chǔ)，同時也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的典型，通過直觀的預(yù)覽改造成果，它讓設(shè)計更具合理性與實操性，這將對于東北林業(yè)南校區(qū)的建設(shè)改造有重大的指導(dǎo)意義。

2　研究現(xiàn)狀

2.1　虛擬校園的應(yīng)用現(xiàn)狀

作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，美國研究水平遙遙領(lǐng)先，并廣泛運用于教育領(lǐng)域。大學(xué)生的日常學(xué)習(xí)生活、大學(xué)的管理建設(shè)已經(jīng)與校園的信息化建設(shè)息息相關(guān)。其他一些國家也積極的進行虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與應(yīng)用。美國加利福尼亞大學(xué)、日本京都大學(xué)甚至達到了建設(shè)虛擬智慧城市的水平。瑞士聯(lián)邦多所高校都參與到建立“瑞士虛擬校園”的項目中，澳大利亞墨爾本大學(xué)也建立了相對完善的虛擬校園。

我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步晚，故與發(fā)達國家相比仍存在很大差距。但是，虛擬校園建設(shè)已得到了有關(guān)部門和科學(xué)家相當(dāng)?shù)闹匾?。國?nèi)許多高校都認(rèn)識到虛擬校園的發(fā)展前景并投入到這一研究中。

1996年，天津大學(xué)率先完成了虛擬校園的建設(shè)。北京航空航天大學(xué)計算機系也是最早開始進行VR技術(shù)研究的單位之一，并取得了矚目的研究成果。包括香港理工大學(xué)在內(nèi)的幾所香港名校紛紛從事了虛擬校園的研究，部分實現(xiàn)了虛擬校園功能。清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)等內(nèi)地高校也開展了虛擬校園的研究，實現(xiàn)了校園信息的可視化查詢、路徑查詢等功能。

2.2　虛擬現(xiàn)實在設(shè)計中的應(yīng)用

隨著科技的進一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了工業(yè)、城市設(shè)計等多個領(lǐng)域。但是，要實現(xiàn)在園林設(shè)計中的應(yīng)用，目前來說比較困難。因為虛擬城市中的許多要素均是規(guī)則的形體比如幾何體建筑，它們在建模過程中所需計算的面相對較少，故實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實效果比較容易。而園林設(shè)計中常用的景觀要素，如植物、道路、地形、水體等多是不規(guī)則的形體，用計算機的模型表示會非常復(fù)雜?，F(xiàn)階段的民用計算機很難實現(xiàn)其效果。所以，現(xiàn)階段，在園林設(shè)計方面，實現(xiàn)流暢的虛擬現(xiàn)實效果基本是不可能的。

3　東北林業(yè)大學(xué)南校區(qū)3D漫游系統(tǒng)構(gòu)建流程

現(xiàn)實校園南校區(qū)→數(shù)據(jù)的采集與處理→校園南校區(qū)的規(guī)劃設(shè)計與景觀改造→三維校園模型的建立→虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的驅(qū)動→虛擬校園漫游。

3.1　平面繪制階段

3.1.1前期數(shù)據(jù)采集

一開始，借助皮卷尺等測量工具，我們對南校區(qū)建筑進行了外圍數(shù)據(jù)測量，對南校區(qū)道路寬度、設(shè)施位置等各項數(shù)據(jù)都做了記錄，并利用數(shù)碼相機拍攝百余張建筑外觀及外環(huán)境照片，這些數(shù)據(jù)為后續(xù)工作提供了有力的支撐。同時，通過問卷調(diào)查，我們采集了同學(xué)們對于新校區(qū)景觀改造的建議。最后對得到數(shù)據(jù)進行整理分析。

3.1.2校園方案設(shè)計

由于東北林業(yè)大學(xué)南校區(qū)規(guī)劃不合理，存在：食堂門前交通組織混亂，停車場設(shè)計不規(guī)范；博物館及園林學(xué)院段硬質(zhì)鋪裝過多，基本沒有景觀效果；馬家溝兩側(cè)景觀單一等問題，我們對這些問題進行方案優(yōu)化：對交通線路進行梳理，確定最便利的各級道路；增加新校區(qū)景觀小品設(shè)施如趣味花壇、座椅等，增加景觀趣味性，使方案設(shè)計更加合理化、人性化；進行南校區(qū)植物景觀設(shè)計，營造舒適的植物景觀環(huán)境，保證生態(tài)的多樣性。

3.1.3平面繪制(CAD)

根據(jù)精確的測量數(shù)據(jù)及拍攝照片，完成CAD的1∶1的現(xiàn)狀平面繪制(單位mm)，可用正交模式保證畫出的線水平或垂直，在對象捕捉下調(diào)節(jié)光標(biāo)的矢量追蹤(快捷鍵OS)。我們確定了多個景觀要素，包括建筑、道路、水體的尺寸及位置，再將各要素調(diào)整到相應(yīng)圖層。接下來對需要設(shè)計改造的地方進行調(diào)整，最后將底圖保存為EPS格式。

3.2　三維模型創(chuàng)建階段

3.2.1材質(zhì)處理(PS)

在大量實景照片的基礎(chǔ)上，利用PS技術(shù)對于貼圖材質(zhì)進行色彩、形狀、大小調(diào)整，完成仿真處理。

3.2.2建模階段(SU)

在SU中導(dǎo)入CAD底圖，導(dǎo)入時要注意在選項下將三項勾選并將單位調(diào)整為mm。連好面后根據(jù)實地測量所得的新校區(qū)建筑尺寸與建筑模數(shù)進行建筑模型制作。首先，我們根據(jù)拍攝圖片確定建筑層數(shù)，再用推拉工具對建筑起相應(yīng)高度。緊接著進行門窗、樓梯等細(xì)節(jié)處理，相同的門與窗戶間可以關(guān)聯(lián)(組成組件)，方便一起修改。同時，我們將小品、地面鋪裝等起一定高度，最后賦予建筑、地面與實際相符的材質(zhì)(見圖1)。

3.3　動畫及漫游引擎制作階段

3.3.1完成漫游動畫(lumion)

將在SU中建好的模型導(dǎo)入lumion場景中，在天氣下調(diào)整陽光、云彩等，將水體草坪在自然材質(zhì)庫下編輯材質(zhì)。在場景中增加植物、小品設(shè)施等素材對場景進行豐富完善。植物搭配時要注意喬、灌、草的合理搭配。選取適當(dāng)?shù)慕嵌扰臄z照片并導(dǎo)出。在“動畫模式”下，進行錄制，選擇合適起點，點擊拍攝照片，拉近鏡頭后再拍一張，保持整個過程處于勻速狀態(tài)(轉(zhuǎn)彎處要多拍幾張照片，防止觀看者出現(xiàn)暈眩不適的感覺)。將南校區(qū)場景瀏覽一遍后，完成合并。最后加上各種聲音特效，加強觀者的3D環(huán)繞的感受。

3.3.2虛擬校園漫游系統(tǒng)的引擎制作

借助實驗室儀器設(shè)備，我們完成虛擬校園漫游系統(tǒng)的引擎制作，實現(xiàn)了虛擬校園的建設(shè)。

4　結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與校園三維數(shù)字景觀漫游系統(tǒng)的建立密不可分。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為校園三維數(shù)字景觀漫游系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，在虛擬校園的建立過程中起到了至關(guān)重要的作用，而校園三維數(shù)字景觀漫游系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的典型案例，同時也在推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。作為一種新興的計算機技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著不可估量的發(fā)展前景。但是，我們需要意識到它本身仍存在很多需要完善的地方，其與風(fēng)景園林的結(jié)合還處于最初級的階段。我們需要不斷開辟新的技術(shù)手段，促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)在園林的運用，讓其在設(shè)計規(guī)劃領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。