论文部分内容阅读
摘要：随着科技的快速发展，虚拟现实不再只存在于人们的想象中。虚拟校园漫游系统，是基于虚拟现实技术创建的一个逼真的虚拟校园场景，是将现实中的物体全方位体现在人们面前，让未进入校园的人们能够经由图像、声音等模拟的现实的场景，借由动态交互的体验，让访问者如同真的置身于校园中，达到身临其境的效果。
关键词：虚拟现实；虚拟校园漫游系统；数字校园
随着科技的快速发展，虚拟现实不再只存在于人们的想象中，越来越多的行业中出现了虚拟现实技术的身影。在教育行业中，作为数字校园的基础和平台的校园漫游系统的实现也是离不开虚拟现实技术的支持。校园漫游系统主要是指虚拟校园漫游系统，是基于虚拟现实技术同时使用计算机图形学、多媒体技术等高新技术，以真实校园为蓝本，使用虚拟现实技术，构建一个逼真的虚拟校园场景，使体验者可以通过计算机网络实现自动漫游、视点的改变等交互行为，达到身临其境的效果。
1虚拟现实的特点
虚拟现实的特点主要有沉浸性、交互性和构想性。沉浸性是指借着电脑制作的仿真的三维图像，通过人类接收图像、声音等的视觉、听觉等感官器官的生理特点，经由如键盘鼠标、头盔等交互设备让使用者产生自己就是虚拟环境中的一员，达到身临其境的感觉。交互性主要通过电脑键盘、鼠标、传感设备等输人输出设备进行人机交互。通过对使用者的语音及身体各部位的运动状态的识别，计算机可对系统呈现的图像及声音进行相应调整以达到让使用者得到更好体验的目的。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作-引。构想性是指使用者通过在虚拟环境中获得视、听、触等感知，在脑海中构成画面，产生联想。
2漫游系统与三维动画的区别
三维动画是一种模拟人行走时观察到的场景的动画效果，它的行走路线是唯一的，不可变更的。访问者只能跟随动画的播放情景进行参观，不能按照自己的意愿进行场景切换。漫游系统中访问者可以按照自己的意愿在三维场景中任意参观，如果借由专门的感官设备，还可以通过视觉、听觉、触觉等达到身临其境的感觉。
3虚拟漫游的开发技术
当前，虚拟漫游的开发技术主要分为三类：基于图形、基于图像以及基于图形与图像混合类型。其中，基于圖形的虚拟漫游技术需要建立场景中的精准的三维几何模型，即通常所说的建模法。基于图像的虚拟漫游技术则不需要进行创建几何模型，其主要是使用拍摄的真实图片通过全景图像生成器和空间编辑器对图像的拼接处理完成。基于图形与图像混合建模的虚拟漫游技术是将之前两种技术的进行了优点整合缺点规避的融合处理：先绘制几何模型，得到图像，再修正模型，最后得到使用图像形式来表现的几何模型。
这三类技术各有优缺点。使用基于图形的虚拟漫游技术可以得到较为真实、细腻的场景，有利于访问者与场景中的对象进行交互，且技术路线比较成熟，但是它存在着构建场景时工作量大以及实时渲染时对计算机的软硬件要求比较高的不足；使用基于图像的虚拟漫游技术具有制作周期短、成本低的优点，但是需要事先拍摄，只能生成已有的场景，并且因为虚拟对象是图像，用户想要与之交互较为困难；基于图形与图像混合建模的虚拟漫游技术通过集合以上两种技术的优点使得场景中的模型真实性、实时性和交互性都得到了保障，但是因为其出现较晚还处于探索阶段，在实现时还存在技术上的一些困难。对三种技术的优缺点分析后，本课题最终采用的是基于图形的虚拟漫游技术。
4虚拟校园漫游系统的基本开发方案
本研究以笔者所在学院的校园为对象，开发桌面型的虚拟校园漫游系统，系统的具体实现过程如下：
（1）确定系统规模、显示效果、开发工具等。
（2）建立模型库，制作模型。
（3）模型优化。
（4）实现虚拟校园场景生成。
（5）设定漫游方式，实现对漫游交互。
5建模工具
市面上的三维建模软件比较多，但是各自主要运用的方向不同。如：Maya更利于角色创建，Softlamge XSI更偏向于影视方面，Houdini综合性较强，但是上手难度大，Rhino强于nurbs建模等。在对多种建模软件进行对比分析后，本系统最终选择了3DSMAX作为模型的主要制作软件。首先，3DSMAX功能简洁高效，易于上手，构建出来的3d模型具有较强的真实感，在进行场景搭建中实用性强。同时，它能够精确拟合CAD格式的平面图的坐标，可以迅速地进行数据间的正确转换，从而达到快速建立校园三维立体场景模型的目的。并且其对硬件系统的要求也很低，常规硬件配置就能够满足使用需求。
6校园漫游系统场景模型的建立
系统场景模型的建立主要由以下几个步骤组成：
（1）数据准备。虚拟校园漫游系统中所需创建的模型主要有建筑、地形、地物三类。对其进行建模需要获取以下数据，建立相关数据库：
①通过资料收集，得到各类建筑物的cad格式的平面图以及坐标。
②通过数字摄影测量方法，得到地形的数据。
③先利用数字摄影技术得到模型在现实中的参照物的高清照片，再使用Photoshop一类的图形处理软件对照片进行图像处理，最后将得到可用的贴图图片保存为JPG格式，制作创建场景所需的贴图数据库。
（2）地形建模。因为广安职业技术学院校园中的地形并不复杂，我们将其按地形特点划分为若干区域，使用多边形对各区域进行模拟，合并构成整体地形。
（3）建筑模型。主要是通过将cad格式的平面图导入到3DSMAX中，在此基础上通过编辑多边形进行建模。对于有cad平面图的建筑物来说使用编辑多边形来进行建模不仅简便快捷，而且可以创建各种表面用以描述细节。
（4）贴图处理。从贴图数据库中找出相应贴图，使模型更加真实。
（5）优化模型。在保证真实度的前提下尽可能地优化模型，减少计算量，加快渲染速度。
7场景漫游与交互
笔者所在学院的虚拟校园漫游系统主要采用控制视点的方式来实现了实时漫游。漫游工具主要使用鼠标与键盘。访问者主要可使用带有目标定位的导航图直接切换到目标视点，通过点击感兴趣的三维模型查询相关属性。漫游方式主要采用的是固定路径的自动漫游与由键盘鼠标控制的交互式漫游。
8小结
使用虚拟现实技术以真实校园为蓝本，搭建出来逼真的虚拟校园场景，通过虚拟校园漫游系统可以更好地进行对外宣传，让来访者可以在千里之外就可以身当其境地感受到校园文化氛围，浏览校内风光，了解学校相关信息，同时也为建设数字校园提供了良好的基础平台。
关键词：虚拟现实；虚拟校园漫游系统；数字校园
随着科技的快速发展，虚拟现实不再只存在于人们的想象中，越来越多的行业中出现了虚拟现实技术的身影。在教育行业中，作为数字校园的基础和平台的校园漫游系统的实现也是离不开虚拟现实技术的支持。校园漫游系统主要是指虚拟校园漫游系统，是基于虚拟现实技术同时使用计算机图形学、多媒体技术等高新技术，以真实校园为蓝本，使用虚拟现实技术，构建一个逼真的虚拟校园场景，使体验者可以通过计算机网络实现自动漫游、视点的改变等交互行为，达到身临其境的效果。
1虚拟现实的特点
虚拟现实的特点主要有沉浸性、交互性和构想性。沉浸性是指借着电脑制作的仿真的三维图像，通过人类接收图像、声音等的视觉、听觉等感官器官的生理特点，经由如键盘鼠标、头盔等交互设备让使用者产生自己就是虚拟环境中的一员，达到身临其境的感觉。交互性主要通过电脑键盘、鼠标、传感设备等输人输出设备进行人机交互。通过对使用者的语音及身体各部位的运动状态的识别，计算机可对系统呈现的图像及声音进行相应调整以达到让使用者得到更好体验的目的。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作-引。构想性是指使用者通过在虚拟环境中获得视、听、触等感知，在脑海中构成画面，产生联想。
2漫游系统与三维动画的区别
三维动画是一种模拟人行走时观察到的场景的动画效果，它的行走路线是唯一的，不可变更的。访问者只能跟随动画的播放情景进行参观，不能按照自己的意愿进行场景切换。漫游系统中访问者可以按照自己的意愿在三维场景中任意参观，如果借由专门的感官设备，还可以通过视觉、听觉、触觉等达到身临其境的感觉。
3虚拟漫游的开发技术
当前，虚拟漫游的开发技术主要分为三类：基于图形、基于图像以及基于图形与图像混合类型。其中，基于圖形的虚拟漫游技术需要建立场景中的精准的三维几何模型，即通常所说的建模法。基于图像的虚拟漫游技术则不需要进行创建几何模型，其主要是使用拍摄的真实图片通过全景图像生成器和空间编辑器对图像的拼接处理完成。基于图形与图像混合建模的虚拟漫游技术是将之前两种技术的进行了优点整合缺点规避的融合处理：先绘制几何模型，得到图像，再修正模型，最后得到使用图像形式来表现的几何模型。
这三类技术各有优缺点。使用基于图形的虚拟漫游技术可以得到较为真实、细腻的场景，有利于访问者与场景中的对象进行交互，且技术路线比较成熟，但是它存在着构建场景时工作量大以及实时渲染时对计算机的软硬件要求比较高的不足；使用基于图像的虚拟漫游技术具有制作周期短、成本低的优点，但是需要事先拍摄，只能生成已有的场景，并且因为虚拟对象是图像，用户想要与之交互较为困难；基于图形与图像混合建模的虚拟漫游技术通过集合以上两种技术的优点使得场景中的模型真实性、实时性和交互性都得到了保障，但是因为其出现较晚还处于探索阶段，在实现时还存在技术上的一些困难。对三种技术的优缺点分析后，本课题最终采用的是基于图形的虚拟漫游技术。
4虚拟校园漫游系统的基本开发方案
本研究以笔者所在学院的校园为对象，开发桌面型的虚拟校园漫游系统，系统的具体实现过程如下：
（1）确定系统规模、显示效果、开发工具等。
（2）建立模型库，制作模型。
（3）模型优化。
（4）实现虚拟校园场景生成。
（5）设定漫游方式，实现对漫游交互。
5建模工具
市面上的三维建模软件比较多，但是各自主要运用的方向不同。如：Maya更利于角色创建，Softlamge XSI更偏向于影视方面，Houdini综合性较强，但是上手难度大，Rhino强于nurbs建模等。在对多种建模软件进行对比分析后，本系统最终选择了3DSMAX作为模型的主要制作软件。首先，3DSMAX功能简洁高效，易于上手，构建出来的3d模型具有较强的真实感，在进行场景搭建中实用性强。同时，它能够精确拟合CAD格式的平面图的坐标，可以迅速地进行数据间的正确转换，从而达到快速建立校园三维立体场景模型的目的。并且其对硬件系统的要求也很低，常规硬件配置就能够满足使用需求。
6校园漫游系统场景模型的建立
系统场景模型的建立主要由以下几个步骤组成：
（1）数据准备。虚拟校园漫游系统中所需创建的模型主要有建筑、地形、地物三类。对其进行建模需要获取以下数据，建立相关数据库：
①通过资料收集，得到各类建筑物的cad格式的平面图以及坐标。
②通过数字摄影测量方法，得到地形的数据。
③先利用数字摄影技术得到模型在现实中的参照物的高清照片，再使用Photoshop一类的图形处理软件对照片进行图像处理，最后将得到可用的贴图图片保存为JPG格式，制作创建场景所需的贴图数据库。
（2）地形建模。因为广安职业技术学院校园中的地形并不复杂，我们将其按地形特点划分为若干区域，使用多边形对各区域进行模拟，合并构成整体地形。
（3）建筑模型。主要是通过将cad格式的平面图导入到3DSMAX中，在此基础上通过编辑多边形进行建模。对于有cad平面图的建筑物来说使用编辑多边形来进行建模不仅简便快捷，而且可以创建各种表面用以描述细节。
（4）贴图处理。从贴图数据库中找出相应贴图，使模型更加真实。
（5）优化模型。在保证真实度的前提下尽可能地优化模型，减少计算量，加快渲染速度。
7场景漫游与交互
笔者所在学院的虚拟校园漫游系统主要采用控制视点的方式来实现了实时漫游。漫游工具主要使用鼠标与键盘。访问者主要可使用带有目标定位的导航图直接切换到目标视点，通过点击感兴趣的三维模型查询相关属性。漫游方式主要采用的是固定路径的自动漫游与由键盘鼠标控制的交互式漫游。
8小结
使用虚拟现实技术以真实校园为蓝本，搭建出来逼真的虚拟校园场景，通过虚拟校园漫游系统可以更好地进行对外宣传，让来访者可以在千里之外就可以身当其境地感受到校园文化氛围，浏览校内风光，了解学校相关信息，同时也为建设数字校园提供了良好的基础平台。