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【摘要】本文以天津中德职业技术学院绿色校园为对象,使用EON Studio虚拟仿真软件,在桌面平台下初步实现了基于因特网的虚拟校园漫游系统。简要介绍了虚拟现实中的实体建模、系统交互设计,实时漫游仿真等技术,为校园管理和服务宣传提供一个科学简便、形象直观的可视化人机交互平台。
【关键词】虚拟现实 绿色校园 实时漫游
【中图分类号】TP3 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2009)03(a)-0087-02
1 引言
虚拟现实是一项涉及计算机图形学、人机交互、人工智能等学科的综合技术,其目的是用计算机生成一个逼真的三维感觉世界,给观众以如同真实世界的体验。虚拟现实技术在广告宣传、建筑设计、军事模拟、视景仿真等领域已得到广泛的应用。随着计算机软硬件技术的发展,利用虚拟现实技术还可以实现虚拟场景实时漫游系统,这种技术应用于学校校园的对外宣传和文化交流中,能给许多不能亲临校园参观的人一种新的选择和高度逼真的视觉体验,因而具有较高的实际价值。本课题根据天津中德职业技术学院绿色校园规划设计,使用EON Studio虚拟仿真软件,在桌面平台下建立三维绿色虚拟校园漫游系统,并将其发布在Internet上,浏览者对校园实现网上实时交互浏览,本系统最突出的优点是浏览者在虚拟校园漫游时能通过系统鹰眼鸟瞰图实时了解自己当前所处校园的地理位置,真正实现了网络交互导航的功能,更充分地使人有了沉浸式的感受。
2 系统设计规划
2.1 设计目标
针对校园漫游系统进行了理论和技术实现上的研究探索, 设计了虚拟绿色校园模型, 将校园内的建筑、风景结合在一起, 在可视环境下解决与校园空间有关的信息查询、对外宣传等实际问题。
天津中德职业技术学院虚拟校园漫游系统的设计目标如下 :
(1)实现校园地图3D化,使用虚拟现实技术在计算机中虚拟再现建筑/交通效果。
(2)通过2D平面地图+3D立体数字模型实现网络校园地图指南及导向。
(3)实现预设固定路线动画漫游演示及自主交互导航漫游。
(3)实现学校各楼体信息上地图/查看,并允许后续通过数据库管理、完善、修改。
(4)为后期二次开发——实验室环境展示、个性化学习、网络虚拟实验等功能铺垫。
2.2 系统实现总体规划
根据设计目标所要实现的各项功能,将通过以虚拟现实技术为核心,以MAX模型制作技术、网络Java脚本编程、多媒体及SQL数据库技术为辅的方式来实现。
本系统使用使用EON虚拟现实开发平台,使用3Dsmax软件来制作场景3D模型文件,并用Photoshop软件辅助进行后期画面处理,所有楼体、地面材质将严格参照真实的照片以确保画面清晰绚丽。使用多媒体(文字、视频、图片等)方式来表现学校的介绍性信息。此系统主界面提供虚拟现实3D场景显示主窗口及2D鸟瞰地图导航窗口,实现第一人称3D浏览漫游,完全模拟校园建筑及交通场景,在场景中显示各个建筑物的简单信息,实现建筑物的快速指向等功能。
3 系统的实现
3.1 虚拟场景构建
一个场景的层次关系对视景系统的运行质量有极大的影响。适当的层次关系是提高系统实时性的关键技术。按照校园规划的整体地貌特性将所包括的特征场景按主次2个层次划分,完成由精细及粗略的模型构造过程。此部分模型构建全部在3ds max中完成,这样做有利于模型的修改和调整。虚拟校园的场景层次如图1所示。
3.1.1 建筑物建模
根据校园展示规划所要突出的重点,将全部建筑物分为主建筑物和次建筑物。其中标志性教学楼中西机床培训中心以及主要行政办公楼等属于主建筑物;其余教学楼、实训车间、学生公寓及食堂属于从建筑物。各个楼体建筑物模型,和各自的材质文件打包成独立的模型文件,放入数据库中统一管理,并在下载浏览的时候使用动态下载模式。
3.1.2 其他
⑴地面模型
道路及地面草坪、绿篱等归属同一个“地面”模型文件。为了减少模型量、模型文件大小、以及保证画面运行流畅,地面模型制作为无起伏的平面,而绿篱将制作为长条方形模型。道路及草坪、绿篱等将使用多维子材质重叠来表现。该“地面”模型文件以及相关坐标值也将放入数据库中统一管理。
⑵树木
树木将使用十字面片+图片材质的技术来模拟,场景中只使用几种常见常青树木,所有树木模型合并成统一的模型文件,和相关坐标值一起放入数据库中统一管理。
⑶标志牌
楼宇标志牌、交通指向标志牌将制作为各自独立的模型文件,和相关坐标值一起放入数据库中统一管理。
⑷能源装置
太阳能反光板和风能发电装置采用3d精细建模技术,所有太阳能反光板合并成统一模型,风能发电装置制作为单一模型文件,和相关坐标值一起放入数据库中统一管理。
3.1.3 光源及阴影设定
全局模型系统将使用东南方向,与地面成75°角的阳光作为光照环境来渲染阴影。阴影将渲染成图片,使用逼真的静态阴影效果。
3.2 预设路线和实时漫游
3.2.1 预设路线动画展示
本系统提供1～2个校园自动预设漫游路径,触发按键在UI界面中。此类动画是通过在3d max中预设活动相机运动路线,录制漫游过程,生成并输出动画,使用UI界面按键进行触发的展示漫游动画场景的。运行效果如图2所示。
3.2.2 实时交互漫游
利用鼠标和键盘的动作实现用户可以在3D场景中以第一人称视角来自由的漫游,如同在真实场景中行走一样。同时当我们使用第一人称漫游时,虚拟现实程序将把人物视点坐标及方向值传递到2D地图中,并在2D地图中用红色小箭头表示,在系统中指示出用户当前坐标及方向,展示效果如图3所示。
在此系统中用户可通过点击,选择所要查看的楼宇等;也可通过鼠标点击+滑动或键盘按键实现在3D场景中随意漫游。当使用者的将鼠标放置在3D场景中的楼宇或能源装置上时,将出现标签显示该楼宇或该场景物体的名称,显示效果如图4所示。
4 结论
本课题主要使用EON和3D MAX设计开发了中德职业技术学院虚拟绿色校园漫游系统,最终的系统可以在浏览器上进行多视点、多场景浏览。在视觉上取得了较好的效果。本系统是使用EON在虚拟漫游应用的初探,既可以方便校外人士了解我院 ,也可以将此用于远程教育,推动虚拟现实技术在教育领域中的发展。
参考文献
[1] 张茂军.虚拟现实系统.科学出版社,2001.
[2] 阳化冰.虚拟现实构造语言.2000.
[3] 严子翔.VRML虚拟现实网页语言,2001.
[4] 陆昌辉,仇刚,蔡勇.VRML入门与提高.北京大学出版社,2003.
[5] 郁宇,张菁.虚拟校园的初步实现及其拓展空间,中国科技信息.2005,9.
[6] 李辛沫.基于VRML的五邑大学虚拟校园漫游系统.五邑大学学报,2004,18.
[7] 曾芬芳.虚拟现实技术,上海交通大学出版社,1997.
[8] EON Studio快速入门指南,北京易用伟业计算机应用技术有限公司,2006.
【关键词】虚拟现实 绿色校园 实时漫游
【中图分类号】TP3 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2009)03(a)-0087-02
1 引言
虚拟现实是一项涉及计算机图形学、人机交互、人工智能等学科的综合技术,其目的是用计算机生成一个逼真的三维感觉世界,给观众以如同真实世界的体验。虚拟现实技术在广告宣传、建筑设计、军事模拟、视景仿真等领域已得到广泛的应用。随着计算机软硬件技术的发展,利用虚拟现实技术还可以实现虚拟场景实时漫游系统,这种技术应用于学校校园的对外宣传和文化交流中,能给许多不能亲临校园参观的人一种新的选择和高度逼真的视觉体验,因而具有较高的实际价值。本课题根据天津中德职业技术学院绿色校园规划设计,使用EON Studio虚拟仿真软件,在桌面平台下建立三维绿色虚拟校园漫游系统,并将其发布在Internet上,浏览者对校园实现网上实时交互浏览,本系统最突出的优点是浏览者在虚拟校园漫游时能通过系统鹰眼鸟瞰图实时了解自己当前所处校园的地理位置,真正实现了网络交互导航的功能,更充分地使人有了沉浸式的感受。
2 系统设计规划
2.1 设计目标
针对校园漫游系统进行了理论和技术实现上的研究探索, 设计了虚拟绿色校园模型, 将校园内的建筑、风景结合在一起, 在可视环境下解决与校园空间有关的信息查询、对外宣传等实际问题。
天津中德职业技术学院虚拟校园漫游系统的设计目标如下 :
(1)实现校园地图3D化,使用虚拟现实技术在计算机中虚拟再现建筑/交通效果。
(2)通过2D平面地图+3D立体数字模型实现网络校园地图指南及导向。
(3)实现预设固定路线动画漫游演示及自主交互导航漫游。
(3)实现学校各楼体信息上地图/查看,并允许后续通过数据库管理、完善、修改。
(4)为后期二次开发——实验室环境展示、个性化学习、网络虚拟实验等功能铺垫。
2.2 系统实现总体规划
根据设计目标所要实现的各项功能,将通过以虚拟现实技术为核心,以MAX模型制作技术、网络Java脚本编程、多媒体及SQL数据库技术为辅的方式来实现。
本系统使用使用EON虚拟现实开发平台,使用3Dsmax软件来制作场景3D模型文件,并用Photoshop软件辅助进行后期画面处理,所有楼体、地面材质将严格参照真实的照片以确保画面清晰绚丽。使用多媒体(文字、视频、图片等)方式来表现学校的介绍性信息。此系统主界面提供虚拟现实3D场景显示主窗口及2D鸟瞰地图导航窗口,实现第一人称3D浏览漫游,完全模拟校园建筑及交通场景,在场景中显示各个建筑物的简单信息,实现建筑物的快速指向等功能。
3 系统的实现
3.1 虚拟场景构建
一个场景的层次关系对视景系统的运行质量有极大的影响。适当的层次关系是提高系统实时性的关键技术。按照校园规划的整体地貌特性将所包括的特征场景按主次2个层次划分,完成由精细及粗略的模型构造过程。此部分模型构建全部在3ds max中完成,这样做有利于模型的修改和调整。虚拟校园的场景层次如图1所示。
3.1.1 建筑物建模
根据校园展示规划所要突出的重点,将全部建筑物分为主建筑物和次建筑物。其中标志性教学楼中西机床培训中心以及主要行政办公楼等属于主建筑物;其余教学楼、实训车间、学生公寓及食堂属于从建筑物。各个楼体建筑物模型,和各自的材质文件打包成独立的模型文件,放入数据库中统一管理,并在下载浏览的时候使用动态下载模式。
3.1.2 其他
⑴地面模型
道路及地面草坪、绿篱等归属同一个“地面”模型文件。为了减少模型量、模型文件大小、以及保证画面运行流畅,地面模型制作为无起伏的平面,而绿篱将制作为长条方形模型。道路及草坪、绿篱等将使用多维子材质重叠来表现。该“地面”模型文件以及相关坐标值也将放入数据库中统一管理。
⑵树木
树木将使用十字面片+图片材质的技术来模拟,场景中只使用几种常见常青树木,所有树木模型合并成统一的模型文件,和相关坐标值一起放入数据库中统一管理。
⑶标志牌
楼宇标志牌、交通指向标志牌将制作为各自独立的模型文件,和相关坐标值一起放入数据库中统一管理。
⑷能源装置
太阳能反光板和风能发电装置采用3d精细建模技术,所有太阳能反光板合并成统一模型,风能发电装置制作为单一模型文件,和相关坐标值一起放入数据库中统一管理。
3.1.3 光源及阴影设定
全局模型系统将使用东南方向,与地面成75°角的阳光作为光照环境来渲染阴影。阴影将渲染成图片,使用逼真的静态阴影效果。
3.2 预设路线和实时漫游
3.2.1 预设路线动画展示
本系统提供1～2个校园自动预设漫游路径,触发按键在UI界面中。此类动画是通过在3d max中预设活动相机运动路线,录制漫游过程,生成并输出动画,使用UI界面按键进行触发的展示漫游动画场景的。运行效果如图2所示。
3.2.2 实时交互漫游
利用鼠标和键盘的动作实现用户可以在3D场景中以第一人称视角来自由的漫游,如同在真实场景中行走一样。同时当我们使用第一人称漫游时,虚拟现实程序将把人物视点坐标及方向值传递到2D地图中,并在2D地图中用红色小箭头表示,在系统中指示出用户当前坐标及方向,展示效果如图3所示。
在此系统中用户可通过点击,选择所要查看的楼宇等;也可通过鼠标点击+滑动或键盘按键实现在3D场景中随意漫游。当使用者的将鼠标放置在3D场景中的楼宇或能源装置上时,将出现标签显示该楼宇或该场景物体的名称,显示效果如图4所示。
4 结论
本课题主要使用EON和3D MAX设计开发了中德职业技术学院虚拟绿色校园漫游系统,最终的系统可以在浏览器上进行多视点、多场景浏览。在视觉上取得了较好的效果。本系统是使用EON在虚拟漫游应用的初探,既可以方便校外人士了解我院 ,也可以将此用于远程教育,推动虚拟现实技术在教育领域中的发展。
参考文献
[1] 张茂军.虚拟现实系统.科学出版社,2001.
[2] 阳化冰.虚拟现实构造语言.2000.
[3] 严子翔.VRML虚拟现实网页语言,2001.
[4] 陆昌辉,仇刚,蔡勇.VRML入门与提高.北京大学出版社,2003.
[5] 郁宇,张菁.虚拟校园的初步实现及其拓展空间,中国科技信息.2005,9.
[6] 李辛沫.基于VRML的五邑大学虚拟校园漫游系统.五邑大学学报,2004,18.
[7] 曾芬芳.虚拟现实技术,上海交通大学出版社,1997.
[8] EON Studio快速入门指南,北京易用伟业计算机应用技术有限公司,2006.