基于VR的虛擬校園漫游系統(tǒng)研究與建設(shè)

高學(xué)芹

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省徐州市 221009）

目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可以在校園內(nèi)以三維虛擬場(chǎng)景的形式，營(yíng)造優(yōu)美的地理環(huán)境和高尚的人文信息，實(shí)現(xiàn)高校的數(shù)字化和虛擬化校園建設(shè)。當(dāng)學(xué)生被高校錄取后，可以在到達(dá)學(xué)校之前，通過(guò)虛擬校園系統(tǒng)對(duì)校園的一樓一室進(jìn)行360 度的察看，通過(guò)校園環(huán)境、建筑風(fēng)格以及師生的面貌深深感受到高校獨(dú)特的校園文化，使學(xué)生能夠在虛擬校園漫游系統(tǒng)中盡情地享受將要來(lái)臨的校園生活，給人一種“身臨其境”的感覺(jué)。本文以某校虛擬校園漫游系統(tǒng)建設(shè)為主要目標(biāo)，分析研究了基于VR的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)研究、建模以及制圖等內(nèi)容。

1 漫游系統(tǒng)概況

某校區(qū)共占地1800 余畝，交通便利，南門(mén)緊靠國(guó)道，西門(mén)前是步行街，東邊是高鐵站，北面是森林公園。校園文化與現(xiàn)代教育特色融為一體，學(xué)校正在不斷建立科技、人文、生態(tài)主題全面的三維虛擬數(shù)字化校園系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)采用了頭戴式結(jié)構(gòu)，盡管在設(shè)備的要求上較高，但是大大提高了該系統(tǒng)的趣味性和沉浸感，有效地提高了用戶的積極性和主動(dòng)性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)，用戶能夠在虛擬校園漫游系統(tǒng)中盡情地漫游，能夠依據(jù)系統(tǒng)中預(yù)先輸入的路線進(jìn)行參觀漫游，按照個(gè)人的興趣在虛擬校園漫游系統(tǒng)中自由移動(dòng)，對(duì)一些建筑以及教師的信息進(jìn)行參觀和聽(tīng)取學(xué)校的官方介紹。

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程比較繁瑣，所涉及的方面很多，主要有以下幾部分組成：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理、建模、虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及各種功能的實(shí)現(xiàn)等。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：首先，根據(jù)三維虛擬設(shè)計(jì)的初步構(gòu)想，對(duì)相關(guān)平面設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的景觀進(jìn)行圖片采集和處理。其次，將處理過(guò)的校園平面設(shè)計(jì)和所拍攝得到的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行利用，由這些數(shù)據(jù)構(gòu)建三維直觀性的校園表地面模型，所建立的模型主要由校園地表地形、教學(xué)和生活建筑、綠化的花木等；緊接著就是虛擬校園漫游系統(tǒng)的建立，即對(duì)三維虛擬校園漫游系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)；最后還需要實(shí)現(xiàn)各模型之間的交互功能，使大家能夠利用軟件對(duì)校園進(jìn)行全方位虛擬仿真的參觀漫游體驗(yàn)。

2 總體設(shè)計(jì)

虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有很多環(huán)節(jié)，對(duì)細(xì)節(jié)的要求也比較高。在早期階段，收集、處理數(shù)據(jù)和構(gòu)建模型需要很多時(shí)間；在中間階段，需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建、數(shù)據(jù)模型修改和改進(jìn)；后期需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行全面開(kāi)發(fā)、測(cè)試和優(yōu)化。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究中，需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)地調(diào)查，根據(jù)實(shí)地狀況建立三維模型，通過(guò)三維模型給出校園環(huán)境的總體情況，然后將實(shí)際情況添加到虛擬環(huán)境中，盡可能地把實(shí)際情況 給還原到該系統(tǒng)中，使體驗(yàn)者能夠感受到強(qiáng)烈的親切感和沉浸感。

該系統(tǒng)的模式分為漫游體驗(yàn)?zāi)Ｊ胶妥杂审w驗(yàn)?zāi)Ｊ絻煞N，供體驗(yàn)者進(jìn)行選擇。漫游體驗(yàn)?zāi)Ｊ绞且粭l在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中精心規(guī)劃的路線，主要是從前門(mén)到校園中心的道路，從前門(mén)出發(fā)，經(jīng)過(guò)學(xué)校各個(gè)主要建筑，使學(xué)生能夠參觀學(xué)校建筑，盡快熟悉學(xué)校，這對(duì)于即將到來(lái)的校園學(xué)習(xí)和生活提供了很大的幫助。

在自由體驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢脩艨梢赃x擇起點(diǎn)，根據(jù)觸摸控制前進(jìn)的方向，能夠在虛擬校園中自由穿梭，觸摸到建筑物時(shí)，相機(jī)將無(wú)法向前移動(dòng)，給你一種身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)。

除此之外，該系統(tǒng)還增加了校園主要建筑物的官方介紹，供體驗(yàn)者了解校園建筑，體驗(yàn)者可以通過(guò)中心光標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇，在等待數(shù)秒鐘后，會(huì)彈出介紹框，當(dāng)用戶移開(kāi)固定的區(qū)域 時(shí)，介紹框的內(nèi)容就會(huì)消失。

2.2 虛擬校園開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)

虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有很多環(huán)節(jié)，對(duì)細(xì)節(jié)的要求也比較高。在早期階段，收集、處理數(shù)據(jù)和構(gòu)建模型需要很多時(shí)間。在中間階段，需要對(duì)引擎進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建、數(shù)據(jù)模型修改和改進(jìn)。后期需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行全面開(kāi)發(fā)、測(cè)試和優(yōu)化。

2.3 實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園漫游方案的設(shè)計(jì)

在三維虛擬校園漫游方案的設(shè)計(jì)中，第一種設(shè)計(jì)為360 度全景虛擬漫游的設(shè)計(jì)思路，該方法需要用數(shù)碼相機(jī)拍攝校園內(nèi)的多個(gè)場(chǎng)景和角度，用電腦合成有效照片。第二種設(shè)計(jì)為三維模型的虛擬漫游的設(shè)計(jì)思路，該方法利用三維軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本相對(duì)較高，但是容易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)性要求較低。本文最終選擇了第二種三維軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)。

3 虛擬校園漫游系統(tǒng)建模

3.1 數(shù)據(jù)收集和處理

在數(shù)據(jù)采集和處理的過(guò)程中，任務(wù)量較大，涉及方面較多，對(duì)于校園景觀規(guī)劃和校園設(shè)計(jì)圖紙有很大的幫助。由于三維建模的需要，前期需要收集全校地形圖以及校園內(nèi)建筑物照片。實(shí)際上，相關(guān)人員在收集校園建筑以及校園環(huán)境照片時(shí)，需要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對(duì)不同的建筑結(jié)構(gòu)，采取不同的拍攝方式和角度 ，有必要時(shí)要對(duì)拍攝相機(jī)進(jìn)行升級(jí)，以獲得更加優(yōu)質(zhì)的照片。在用相機(jī)拍攝既有校舍外觀、人文景觀等之后，還需要用PS 處理軟件對(duì)已經(jīng)拍攝的相片進(jìn)行預(yù)處理。

3.2 底圖繪制及處理

在俯瞰校園后，我們可以將建筑部分與草坪、花壇、樹(shù)木等綠色設(shè)施區(qū)分開(kāi)，然后制定建筑規(guī)劃。首先，創(chuàng)建一個(gè)多邊形的背景平面圖，通過(guò)不同形狀的幾何圖形是勾勒出不規(guī)則的設(shè)施，如綠化帶和人行道，建筑的草圖是由簡(jiǎn)單的幾何圖形組成，然后對(duì)建筑的高度和地面設(shè)施的形狀進(jìn)行調(diào)整，直到比例合理為止。

校園總體二維規(guī)劃主要采用CAD 施工圖進(jìn)行校園規(guī)劃設(shè)計(jì)，它是產(chǎn)生校園三維模型的主要數(shù)據(jù)源。同時(shí)，它也參考了谷歌地球衛(wèi)星圖像地形圖中校園的三維場(chǎng)景。

在建模之前，我們應(yīng)該編輯和處理數(shù)字地形圖的格式。如果我們使用的格式是DWG，在Auto CAD 環(huán)境中能夠得到應(yīng)用，但是直接導(dǎo)入DWG 文件就會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。

3.3 3ds Max的三維建模

建模是場(chǎng)景的重要組成部分，因此在生產(chǎn)過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照CAD 基礎(chǔ)圖的尺寸和位置進(jìn)行建模，避免在以后的合并中再次修改。

校園建筑建模是構(gòu)建三維虛擬校園模型的重點(diǎn)，使用3dmax2010 軟件制作建筑模型。3ds Max 軟件基于windows 平臺(tái)，它是Auto desk 和Auto CAD 的同一系列的產(chǎn)品之一。3ds Max 與Auto CAD 文件具有良好的兼容性，并可以生成精確的模型。一般的過(guò)程是先將CAD 參考圖導(dǎo)入到3ds Max 軟件中，展開(kāi)U-V 貼圖，繼續(xù)映射，最后添加燈光渲染。其次，以某校汽車學(xué)院辦公樓為例，對(duì)建筑造型進(jìn)行分析。

第一步是將加工好的原始Auto CAD 平面圖作為參考圖導(dǎo)入3ds Max 軟件的俯視圖中。

第二步是采用優(yōu)化模型設(shè)計(jì)的思想，盡量減少面數(shù)，在平面上設(shè)計(jì)窗和墻。但對(duì)于輪廓突出部分，需要根據(jù)原型進(jìn)行建模，以避免模型變形。在本文的案例中，主要采用多邊形建模法，利用平面來(lái)支撐表面，用修改器修改，最后生成一個(gè)規(guī)則的物體。由于整個(gè)校園內(nèi)有許多單體建筑，后期所有單體建筑都是分別建模，然后組合在一起的。在性能較好的前提下，盡量減少后期聯(lián)合作業(yè)的工作量。這種方法特別適用于建筑物建模。

第三步是在已建立模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建與多邊形頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)的點(diǎn)（UV），它提供應(yīng)用紋理映射所需的信息，UV 點(diǎn)將連接到模型的頂點(diǎn)。

第四步是選擇合適的照明，照明是提高三維虛擬仿真效果的重要手段。在某些場(chǎng)景中，由于模型的遮擋，亮度太低。因此，有必要在這些地方設(shè)置光量導(dǎo)入量，讓這個(gè)區(qū)域參與到二次反射中，使沒(méi)有燈光的地方顯得更加真實(shí)自然。雖然會(huì)占用一定的資源，但可以大大提高場(chǎng)景的真實(shí)性和還原性。室內(nèi)場(chǎng)景的照明更為復(fù)雜。為了獲得更逼真的場(chǎng)景，除了重要的燈光體盒外，還需要模擬真實(shí)的陰影。因此，有必要在光源入口處設(shè)置多個(gè)聚光燈進(jìn)行模擬。常見(jiàn)的燈光為Skylight Target Spot，其目標(biāo)方向固定，燈光均勻分散。即使在不同的位置，人們也能感受到相同的亮度，在模擬天空和陽(yáng)光的散射時(shí)，照明效果非常好。

3.4 地面目標(biāo)模型

在校園景觀地面目標(biāo)模型的建立中，主要以花木為主。該系統(tǒng)采用大家廣泛使用的Double boarding 技術(shù)，用圖像代替物理模型的設(shè)計(jì)方法，即對(duì)樹(shù)或花的表面模型進(jìn)行粘貼、透明處理，并設(shè)置Alpha。采用該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，視覺(jué)效果較好。

3.5 地形建模

系統(tǒng)的地形模型一般都是基于校園地形CAD 原始圖進(jìn)行建立的，只保留輪廓線。輪廓線數(shù)據(jù)是根據(jù)地形圖中的數(shù)據(jù)輪廓線進(jìn)行繪制的，可以將其轉(zhuǎn)換為三維輪廓線數(shù)據(jù)，如果地形不平，可以修改。

編輯柵格以創(chuàng)建地形對(duì)象，在俯視圖3ds Max 中創(chuàng)建矩形平坦地面，將其磨成50×50 面，使用“編輯網(wǎng)格”命令，設(shè)置“頂點(diǎn)”，并根據(jù)立面數(shù)據(jù)拉出地面高度，形成三維模型。

3.6 紋理貼圖的處理

常用的紋理貼圖有兩種：位圖法和程序貼圖法。位圖可以在3D-Max 建模過(guò)程中粘貼，但要確定映射的“UVW”坐標(biāo)，設(shè)置貼圖坐標(biāo)、位置等參數(shù)以精確映射模型。在這里，我們使用生成的模型展開(kāi)地圖，這樣一兩張圖片就可以收集到建筑物的紋理圖像。

3.6.1 紋理采集

可以用相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍照，也可以通過(guò)搜索紋理的方式，獲取相關(guān)特征和地貌的紋理。如果采用野外拍攝的方法，最好選擇晴天，以保證照片的亮度，獲得穩(wěn)定的正射影像。

3.6.2 紋理制作

圖像處理內(nèi)容包括：紋理校正(如淺色校正)、損傷修復(fù)、紋理大小調(diào)整。本文以墻面紋理的生成為例，重點(diǎn)考慮了如何避免物體在墻面前的圖像。墻體紋理具有大量的重復(fù)模式，通過(guò)圖像分析可以消除重復(fù)模式，提取其基本紋理。

3.6.3 建立紋理數(shù)據(jù)庫(kù)

紋理存儲(chǔ)應(yīng)遵循命名原則，如強(qiáng).jpg，如果它們有相同的名字，程序會(huì)在編譯最后一個(gè)場(chǎng)景時(shí)將它們轉(zhuǎn)換成強(qiáng)格式。這樣，場(chǎng)景中的一張地圖會(huì)被另一張同名地圖覆蓋，導(dǎo)致地圖混亂。

3.7 植被代理

植被的綠化率將影響到場(chǎng)景的最終效果。因此，在植被生產(chǎn)中要采用遠(yuǎn)、近兩種景色的處理方法。近景植被采用更多的面表示，而遠(yuǎn)景植被是最簡(jiǎn)單的面，可以減少場(chǎng)景計(jì)算的工作量。

3.8 場(chǎng)景合并

該方案結(jié)合校園規(guī)劃設(shè)計(jì)的CAD 施工圖和Google 地球衛(wèi)星圖像，設(shè)計(jì)了各個(gè)校園的局部場(chǎng)地地形模型，包括道路、湖泊、草圖等，并利用實(shí)際情況對(duì)地圖進(jìn)行對(duì)比和修正，然后結(jié)合建筑模型對(duì)人們?cè)缙诘男@場(chǎng)景進(jìn)行引導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬校園漫游系統(tǒng)。校園系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用戶的虛擬校園漫游個(gè)人喜好，也可以查看建筑信息。虛擬校園漫游系統(tǒng)是通過(guò)pc 機(jī)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器，具有很強(qiáng)的操作感和沉浸感。有少數(shù)學(xué)校開(kāi)發(fā)的移動(dòng)校園漫游系統(tǒng)僅使用移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)校園漫游，從本質(zhì)上講仍然是一種傳統(tǒng)的操作，仍然無(wú)法避免沉浸體驗(yàn)差的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端使用的虛擬校園漫游系統(tǒng)，用戶可以親身體驗(yàn)虛擬校園的景色。所有的內(nèi)部操作都是通過(guò)光標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不需要外部設(shè)備操作，從而獲得身臨其境的體驗(yàn)。

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上的虛擬現(xiàn)實(shí)程序無(wú)法相互通信。每家公司的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和程序都需要使用自己的手機(jī)作為支持，這使得該系統(tǒng)無(wú)法在更多平臺(tái)上推廣。該系統(tǒng)采用電腦端的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，只能在電腦端運(yùn)行，希望在以后的發(fā)展中有機(jī)會(huì)解決這個(gè)遺憾。