三维虚拟

三维虚拟（精选11篇）

三维虚拟 篇1

0 引言

全息投影是近期非常流行的技术, 它采用全息膜配合投影展示产品, 提供了丰富的全息影像, 可以在玻璃、亚克力等材质上成像, 将装饰性、实用性融为一体, 成为现在一种前沿的市场推广手段。2008年美国CNN电视台首次在总统大选的报道中应用了全息投影技术, 动用了35部高清摄像机, 从各角度同时对主持人进行拍摄, 拍摄的图像数据传输到20台电脑中进行合成处理, 最终通过高清投影仪实现全息人像的真实再现。全息投影技术是通过在空气或特殊镜片上形成立体影像, 是全息摄影术的逆向展示, 可以从任何角度观看全息影像的不同侧面。目前市场上可实现的全系投影从技术上分为四种: (1) 空气投影。美国麻省的一名29岁研究生发明了一种空气投影技术, 可以在气流墙上投影图像, 并且使其具备交互功能。这一技术灵感来源于海市蜃楼原理, 将图像投射在大片的水蒸气上, 由于组成水蒸气的水分子震动不均衡, 可以形成立体感很强的全息图像。 (2) 激光束投影。日本公司研制了一种利用激光束来投射实体的全息影像投射方法。这一方法主要利用了氧气和氮气在空气中散开时, 两者混合成的气体变成灼热的物质, 并在空气中通过不断的小爆炸形成全息图像。 (3) 美国南加利福尼亚大学的研究人员研制了一种360度全息显示屏, 将图像投影在高速旋转的镜子上, 从而实现全息影像。 (4) 雾幕立体成像系统。雾幕立体成像, 也被称为雾屏成像, 通过镭射光借助空气中的微粒, 在空气中成像, 使用雾化设备产生人工喷雾墙, 利用这层水雾墙代替传统的投影屏, 结合空气动力学制造出能产生平面雾气的屏幕, 再将投影仪投射喷雾墙上形成全息图像。

1 系统总体设计

全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示, 本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感, 全息投影技术是真正呈现3D的影像, 可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面。产品系统是由三维显示系统、计算机多媒体系统、控制系统所组成。下图1为系统流程框图。

1.1 三维显示系统

三维立体显示系统提供了良好的沉浸式虚拟场景。在虚拟现实应用中用以显示实时的虚拟现实仿真应用程序, 该系统通常主要包括专业投影显示系统、悬挂系统、成像装置等三部分, 三维显示系统在360度全息投影技术中完成活动三维立体视频的在场景造型上的再现, 使立体影像与周围的人造景观背景有比较“真实”的结合。下图2为成像系统图。

1.2 计算机多媒体系统

多媒体计算机系统是指能把视、听和计算机交互式控制结合起来, 对音频信号、视频信号的获取、生成、存储、处理、回收和传输综合数字化所组成的一个完整的计算机系统。具有同步性, 集成性, 交互性, 综合性等特征。在360度全息投影技术中, 计算机多媒体系统利用先进的多媒体技术和计算机控制技术, 可以实现大的场景、复杂的生产流水线、大型产品等的逼真展示。

1.3 控制系统

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。在360度全息投影技术中, 控制系统完成活动模型控制、电源控制、播放控制等。

2 视频制作

本系统不可或缺的便是在视频制作上, 因此为了视频的精彩呈现, 选择基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max以及视频处理软件Adobe After Effects。

3DSMax在应用范围方面, 广泛应用于广告、影视、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏以及辅助教学等领域。该软件的突出特点:1) 基于PC系统的低配置要求;2) 安装插件 (plugins) 可提供3DSMax所没有的功能 (以及增强原本的功能;3) 强大的角色 (Character) 动画制作能力;4) 可堆叠的建模步骤, 使制作模型有非常大的弹性。

AE的全称是After Effects, 一个影视后期特效合成及设计软件。AE软件可以帮助您高效且精确地创建无数种引人注目的动态图形和震撼人心的视觉效果。利用与其他Adobe软件无与伦比的紧密集成和高度灵活的2D和3D合成, 以及数百种预设的效果和动画, 增添令人耳目一新的效果。

3 电路模块控制设计

3.1 单片机STC15W408AS

STC15W408AS是STC生产的一款高速、可靠、抗强干扰的新一代单片机, 内置晶振及复位电路, 减少最小系统的外围电路、PCB板面积及设计成本。另外此芯片资源丰富, 功能强大, 符合本设计要求。本设计使用三路PWM为LED驱动电路提供PWM输入信号, 通过SPI控制ESP8266无线通信模块的数据收发。

3.2 ESP8266无线WIFI模块

本设计采用ESP8266无线WIFI模块控制视频的播放、暂停、停止。

3.2.1 ESP8266简介

ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi Fi透传模块, 拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术, 专为移动设备和物联网应用设计, 可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上, 进行互联网或局域网通信, 实现联网功能。

ESP8266封装方式多样, 天线可支持板载PCB天线, IPEX接口和邮票孔接口三种形式;

ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。

3.2.2 ESP8266主要功能

ESP8266可以实现的主要功能包括:串口透传, PWM调控, GPIO控制。

3.2.3 ESP8266内部结构

ESP8266高度片内集成, 包括天线开关balun、电源管理转换器, 因此仅需极少的外部电路, 且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。下图3为ESP8266结构图。

3.3 人机界面软件程序设计

三维虚拟投影系统的控制程序设计流程图如下图4所示, 其主要包括:

3.3.1 系统初始化

在系统初始化程序中, 主要完成对各模块的启动处理, 其中包括:显示屏进入播放界面、无线模块ESP8266启动。

3.3.2 检测系统状态

系统初始化以后, 开始检测wifi模块, 并且检测视频播放状态, 一切正常后, 等待进入系统启动状态。

3.3.3 启动任务

检测系统状态正常后, 开始检测触摸屏是否有事件发生, 即用户是否对触摸屏操作, 如果有那么系统开始发送相应的指令到视频控制, 从而实现智能播放停止的功能, 如果没有系统保持待机功能。

4 结论

通过把物理学光学技术、三维动画技术、物联网技术和嵌入式技术融合, 应用于投影技术中, 不仅突破了传统声、光、电局限, 将美轮美奂的画面带到观众面前, 给人一种虚拟与现实并存的双重世界感觉, 给人们带来新的视觉享受。而且还克服以大屏幕为主的传统展示方式的缺点, 体现了融合展示及互动展示。本设计尺寸灵活、成像清晰度高、安装便捷、形式新颖、内容多样, 适用于虚拟样机、生物医学以及建筑视景与城市规划、地震及消防演练仿真、军事模拟战场、电子对抗、航空航天模拟等领域, 具有较高的推广与应用价值。

参考文献

[1]高玉芹.单片机原理与应用及C51编程技术[M].机械工业出版社, 2011.

[2]向华.三维动画制作[M].高等教育出版社, 2011.

[3][加]卡琴.科学鬼才[M].人民邮电出版社, 2012.

[4]石东海.单片机数据通信技术融入门道精通[M].西安电子科技大学出版社, 2002.

[5]余锡存.单片机原理与接口技术[M].西安电子科技大学出版社, 2002.

[6]卢晓丽.计算机网络技术[M].机械工业出版社, 2012.

三维虚拟 篇2

关键词：当代艺术理论论文,文艺理论论文发表,文学理论论文投稿

素描作为艺术设计专业的基础课程，在传统的课程教学中，学生要想更好的观察和绘画，需要控制好灯光、明暗等因素。用虚拟现实方法构建的场景能够更轻松的进行交互控制进而成为学生素描教学中重要的观察手段。作者在虚拟现实技术应用的基础上开发的的素描学习系统，能起到丰富教学手段、改进教学方法和提高教学效率的作用。

介绍

虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的，简称VR技术。Virtual是虚拟的意思，Reality是真实的意思，合并起来就是虚拟现实。这一词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代提出的，也称灵境技术或人工环境，国内也有人译为“灵境”或“幻真”。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身历其境的沉侵感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。随着虚拟现实技术的发展，做为一种新的管理方法和技术，虚拟系统在项目管理进程中正发挥着越来越重要的作用。首先，由于硬件设备投入非常昂贵，虚拟系统通常被用于那些在现实生活中比较危险的教学活动诸如军事、医疗、工程等等。随着技术的更新和发展，在基础教学中，越来越多人使用虚拟现实技术来讲授科学、物理、艺术等等学科。

虚拟现实技术长期以来被用于教育和培训工作。Hratman进一步的使用虚拟现实环境来检测学生的空间认知能力。Park et al发现虚拟现实技术制作的地图能够进一步提高学生的空间想象能力。美国芝加哥大学的电子可视化实验室和交互计算环境实验室设计出了一个名为“美妙(NICE)”的儿童教育作品，它是“叙述性、身历其境感、合作互动环境”的简称，其宗旨是“让我们在虚拟世界里一起学习和成长”。因此，我们非常有必要开发一个教育系统，它能够帮助教师减少教学压力。同时这个教学系统还能够提高学生的学习积极性，激发学生的学习动力，给学生提供一种直观的交互学习环境，进而能很好的完成我们的最终教育目标。

研究目的在传统的素描教学中，有很多相互影响的因素。教师通常需要去发现并纠正学生的种

种问题，这会增加教师的工作量。同时因为学生经常被动的接收建议，这也会降低他们主动发现问题的能力。为了有效的解决上述问题，我们研究应用3D虚拟现实技术开发了此款交互式素描学习系统。

在本次研究中，我们希望通过开发素描学习系统最终达到下列研究目标：

(1)通过应用素描学习系统的实时交互技术，有效减少教师的教学压力，也能够在一定程度上弥补中学美术教师短缺的问题。

(2)通过展现素描学习系统的趣味性和交互教育功能，能够有效的吸引学生的注意力，提高学生的学习积极性。

(3)素描学习系统的在线学习功能能打破时间和空间的限制，同时虚拟现实技术在空间、阴影、材质表现等方法具有很大的优势，这些都能有效弥补传统媒体在互动交流方面的不足。

系统构建

本系统由以下三部分组成：

1.第一部分：模型

根据课程目标和课程内容的需求，为了训练学生基础的素描造型能力，我们通常将各种各样的物体细分成一个个基本的单元。这些虚拟模型通常由平面和曲面构成。例如圆锥体、球体、圆柱体是由曲面构成的三维物体，而正方体、四棱锥、六棱柱是由平面构成的三维物体。众所周知，这两类物体是最基本的几何体。使用几何体的目的在于将复杂的物体分解成简单基本单元，比如人头就可以看做是由球体、圆柱体、长方体等基本单元构成的复杂对象。

学生依靠所学到的经验，将真实生活的物体分解成简单的几何体并进行重构。这种训练可以增强学生在素描绘画中的观察和分析能力。

2.第二部分：构建虚拟现实交互操作环境

为了顺应在线学习的新趋势，我们可以将素描学习系统开发成网络学习的平台，学生可以通过因特网或局域网进行在线学习，它可以弥补传统学习方法在时间和空间方面的不足。我们希望通过消除学生在自然观察过程中所遇到的各种相互干扰的因素，同时给学生提供互动的学习环境，以此提高学生的学习积极性。

我们所开发的系统属于桌面虚拟现实系统，这套人机交互系统的硬件设备是屏幕、鼠标、键盘。在软件方面，虚拟现实技术能特供特殊的空间概念，实时三维图片的灯光/阴影计算功能、纹理贴图计算功能能够为素描教学提供一种非常真实的交互学习环境。

3.第三部分：纸质练习

三维虚拟城市景观建模技术研究 篇3

关键词：三维建模；城市景观；虚拟城市；CityGML

所谓的“虚拟城市” 是指运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等现代化技术，以宽带网络为纽带，并应用计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。

1 虚拟三维城市模型系统数据

CityGML是虚拟三维城市模型系统数据库的结构设计主要逻辑，其主要是对三维数据进行储存和管理。当前，主要的数据类型主要有：地籍数据和航空影像；DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模；对建筑物而言，在三维模型中可以把它当作一个cityObjectMember来看待，它的空间属性并不是非得与LOD2层次的数据描述相同。建筑物模型数据，采用激光扫描或摄像测量方法在大约250 km2范围内对建筑物进行三维重建，建模工具主要通过数据CAD或3D MAX转换成为CityGML格式。

2城市园林景观三维可视化应用

2.1在城市园林景观中，一般情况下所以园林中一部分为建好的，一部分为在建的，在这些区域的数据源多对应现状是普查GIS数据库和CAD设计施工图。设计者为了表达城市园林景观的设计理念和意向的各种分布形态，把CAD设计施工图的数据源中把地形地貌平面、竖向规划、小品平面位置及铺装、植物的分布等所对应。

2.2城市园林景观GIS数据的现状地形图的获取普查是现状建成数据的主要来源。其中，按照绿化分类普查的GIS数据主要有：公园绿地在内的面状数据和对应的属性关联子表，通过“绿地细斑代码”属性字段进行关联。

3 三维虚拟城市景观专题模型

3.1 DTM模型。三维城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，其中，每个起伏要素对象可以对某块地域内的地形起伏来描述。具体表现为：规则格网和不规则三角形以及质点集和断裂线等。断裂线主要表示为地面上不连续的部分，几何上一般以三维曲线来变现。这四种地形表现形式在CityGML数据集中可以随意组合。首先，在不同的LOD中可以出现不同类型的精度与分辨率做出反映。其次，不同组合方式可用来描述每块地表。值得注意的是，此种情况下不规则三角网与断裂线必须缝合。再次，相邻的地域可以以不同的形式来分别表达。为了能便于组合不同地域地形比，各个起伏要素对象可用一个二维多边形来指定其有效范围，这种方法可以让地形在不同精度时便于拼合。

3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是对建筑物的组成和附属部分的空间和专题特征的表达方式。其中AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityGML的子类。而BuildingPart和Building类是AbstractBuilding的派生类。即建筑物建模时把某一部分的建模视为抽象“建筑我对象”。另外，一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分也可以是一个Building对象。当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时，建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要问题。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面发交叉曲线，该曲线可以精确地对建筑物和地表面的结合位置进行描述，形成一个焕然建筑物的闭环。如：当有的建筑物包含有院子时，则该曲线可以形成两个闭环来组成，其他建筑物的描述也是以此方式来描述的。当集成时，为确保纹理的准确定位，应把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至与交叉曲线完全吻合的为止。

3.3细节层次模型（LOD）。根据处理和分析多元数据的展示需要，CityGML可以分为5个细节层次的精细程度来描述三维城市。其实2.5维的DTM数据既为LOD0，其可以再2维地图和航空影响上以相互叠加的方式来使用。LOD1所描述的建筑物是呈块状形的。LOD2则是主要描述建筑物的屋顶、纹理和植被对象等。LOD3所描述的对象主要是建筑物的结构层次。另外高分辨率的纹理也可以在这些结构面上相互叠加。LOD4层次主要对房间的内部结构进行建模。细节层次的不同点位的精确度也不同。因此，城市的三维数据集质量可以以LOD的级别来评价。用户也可以根据自己的需求，随意选取合适的建模层次。在同一对象可以在一个CityGML数据集中上以不同细节层次来表示，而两个数据集中也可以分别把同一对象的不同细节层次放在一起。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。

3.4几何拓扑建模。CityGML可以用0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等边界表达的方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模。其中，边、面、立体等基元可以聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求必須确保模型的点、边、面、立体基元及聚合体的一致性，满足完整性约束。并确保拓扑关系清晰性，消除数据冗余，如相离的两个立体基元之间，那么它们两者的体积加在一起就是其体积的总和，相反两个交叉的立体基元的体积计算则非常麻烦。

3.5几何语义建模。CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征上，CityGML以专题模型描述建筑物的属性和层次关系等几何拓扑对象。CityGML模型有语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于在各自层次体系中分别遍历或者相互遍历。

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3.6建筑物建模。在一般的三维景观中，因为城市中建筑物种类繁多，结构用途各异组成最重要的部分；城市不同建筑风格不同。反映出一个城市的特色可以在特定地段以独特的建筑物及其所处的环境来反应。所以，景观模型的主要表达内容是城市建筑物。由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。

3.7道路建模。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。級别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。

4 应用三维虚拟城市景观建模技术需注意事项

4.1由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不编辑和修正的大比例尺地形图图层较多，如果直接将其导入到软件中，不仅会对整个场景的美观产生影响，还会在建筑物的三维建模中受到干扰。因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要。

4.2在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。

参考文献：

[1] 李庆军.三维模型及可视化技术在城市景观应用研究[D].中国建筑，2009.（11）.

[2] 丁令奋.城市景观可视化的研究进展[J].园林与建筑，2010.（05）.

[3] 王育坚，刘治国，张睿哲，刘畅.城市三维建模与可视化应用研究[J]. 北京联合大学学报（自然科学版），2007，21（4）.

[4] 刘凯成.虚拟城市三维景观构建技术研究.城市建筑，2008.（2）.

三维虚拟仿真研究框架 篇4

三维仿真平台的建立,需要集数据库技术、二维可视化技术、统计分析功能、专业模型计算、三维可视化表现、网络会商功能于一体。在数据存储、统计、分析与二维可视化方面,GIS系统已经比较完善,信息集成度高;从专业模拟计算的角度,相关专业的学者已有大量的研究成果,科学可视化方面也有比较多的应用软件;三维虚拟仿真技术作为一种新的技术,在信息表达方面独树一帜,是二维可视化系统的提升和补充。

1 三维仿真平台框架

三维虚拟仿真平台作为综合平台,其总体框架主要由四个模块组成:三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块。数据库部分作为后台数据的总仓库存储系统运行所需数据,随时接纳由计算或监测输入的数据资料,同时为二维GIS模块和三维可视化模块提供显示数据,为数学模型计算程序提供计算参数。数据库模块包括GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库三个部分,联合实现上述功能。数学模型计算作为系统进行科学模拟的核心内容,为可视化平台提供科学的计算结果,供用户判断决策,并接收可视化平台的反馈信息,随时调整计算条件,其计算结果也可存入数据库中。二维GIS模块和三维可视化模块并列作为前台的显示和交互界面,是整个系统面向用户的窗口。GIS模块完成二维显示和统计分析功能,并与三维可视化模块相连接实现地图导航功能,三维可视化模块则实现场景的三维可视化表现任务[1]。这些模块的集成最终形成三维虚拟仿真平台。

2 数据库设计

三维虚拟仿真平台作为综合平台,包括二维GIS和三维仿真两方面表现,本文将数据库设计分成GIS数据库、三维空间数据库和属性数据库三个部分进行研究。GIS空间数据库主要为二维GIS提供绘图和空间分析的数据源;三维空间数据库为三维可视化模块提供显示所用到的空间结构位置、纹理材质等数据;属性数据库则为GIS和三维可视化模块中的各个实体提供属性信息,同时也存储数学模型计算结果,供查询分析之用。

2.1 GIS数据库

GIS数据库分为空间数据库和属性数据库,空间数据用于描述空间地理对象的属性,是对点、线、面特征的操作。在GIS系统中,空间数据以图层的形式存储和表达,在Arc/Info中图层称为coverage,每个图层存储一个特定的专题图形,不同的图层通过描述信息特征或者辅助特征(如控制点和边界范围)达到空间信息的匹配和配准。图形特征分为点、线段、多边形等,分别对应空间对象的点、线、区域等特征,每个对象对应一条记录。属性资料用来描述图形的特征,包括点属性资料、线属性资料和多边形属性资料。属性数据在GIS中以关系型数据库形式存储,可利用ArcGIS等GIS软件的连接功能,通过用户定义的特征识别码使属性数据库与空间数据库相关联。

2.2 三维仿真空间数据库

三维空间数据库包含的信息有:三维地形地物的空间几何信息,空间拓扑关系,相对应实体的纹理、材质、层次细节构造等方面的信息数据。与传统的商业关系数据库相比,三维空间数据库技术的理论和产品仍处于探索和试验阶段,商业化的三维空间数据库系统尚不多见。

OpenFlight格式数据模型将实体按照其几何结构进行存储,从基础的三角形面组合为局部结构,最后构造为完整形体,通过节点三维坐标和形体拓扑关系存储模型的几何信息。另外该数据模型可以同时存储与实体显示相关的属性信息,如模型材质、色彩、明暗阴影等,模型文件中对纹理信息只存储纹理名称和映射关系,纹理图片需另外存储,通过上述存储方式可从三维可视化角度实现实体信息的关联存储与访问。

2.3 属性数据库

属性数据是指描述三维实体各种属性信息的数据,其中既包括实体名称、实体说明等文本数据,也包括相关的图片、音像等多媒体数据。在数学模型计算方面,一方面需要存储计算所需的基础数据,如河道地形、糙率、流量、水位、经验拟合曲线等;另一方面则需存储计算结果。

3 空间数据与属性数据之间的联系

无论是空间数据还是属性数据,最终都要集成于三维虚拟仿真系统平台中,为信息查询分析、仿真模拟服务。实体空间信息由OpenFlight格式的模型文件存储,可通过三维可视化平台调用而绘制出实体的三维形态;实体属性信息存储于Oracle等关系数据库中,可通过SQL语句进行查询、更新等操作。因此要实现基于三维场景的信息连接查询,需要通过程序设计和数据库间的关联来实现。

4 二维GIS可视化

二维地理信息系统可视化已较为成熟,已经有不少商业GIS软件。但要开发与三维相结合的仿真平台,对GIS的开发调用必须能够脱离商业平台独立运行,这方面组件式GIS技术完全可以满足要求。国内外著名的GIS厂商都相继推出了他们的GIS组件,如InterGraph公司的GeoMedia,MapInfo公司的MapX,ESRI公司的MapObjects和ArcObjects等。而近年来ESRI公司推出的ArcGIS9中的ArcGIS Engine则是组件GIS开发中的新工具。

5 三维可视化

5.1 三维图形显示原理

5.1.1 坐标系定义

现实世界是真三维的,把具有空间坐标的三维实体通过各种变换投影到二维屏幕上的过程称为三维图形显示。为了在计算机屏幕上得到真实感的图形图像,需要一系列坐标变换和计算机图形学技术处理,其过程示意如图1所示。

5.1.2 图形变换

三维图形显示要将世界坐标系中的三维实体经过一定几何和投影变换之后,显示在二维屏幕坐标系中,其中图形的几何变换主要包括平移、旋转、变比、错切等方面,投影变换则一般采用透视投影的方式。

三维图形的几何变换矩阵可用T3D表示如下:

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从变换功能上T3D可分为4个子矩阵,其中,

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产生比例、旋转、错切等几何变换;[a41a42a43]产生平移变换;

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产生投影变换;[a44]产生整体比例变换。

5.2 三维可视化软件开发平台

实现以上的三维图形显示过程需要相应图形开发软件的支持。实现场景三维可视化显示的软件很多,本文以OpenGVS为例来实现场景的实时驱动。OpenGVS是Quantum3D公司提供的视景开发软件包,该软件提供了构建虚拟场景的总体框架和大量的C函数接口,本身实现了许多图形显示经典算法,从而避免了重复开发工作,对视景开发的效率很高。

OpenGVS提供了构建虚拟场景的多个三维场景的驱动接口,主要有Frame,Channel,Scene,Camera,Object,Light,Fog等(Quantum3D Inc,2001)。如图2所示。

程序设计可分为三个部分:程序初始化、图形处理循环和程序退出,结构如图3所示。初始化是对场景三维可视化所涉及的各种实体进行初始化赋值并载入的过程,主要包括:创建图像通道并定义透视投影视图体的大小;载入地形地物实体,将其置于特定的空间位置;设定光照和雾化效果的具体参数,加入场景;初始化摄像机位置和视角。通过初始化工作,程序就具备了图形渲染的数据基础,可渲染出最初的场景静态效果图。而要实时生成图形,进行动态交互仿真,就需要根据交互操作实时改变绘图参数,并根据参数的改变渲染出相应图形,这正是程序的图形处理循环部分所要完成的任务,也是三维交互系统设计的核心所在。实时系统的图形处理是按帧循环的,每帧中都首先根据交互操作的要求进行实体状态更新,如改变摄像机的位置视角、各种地物的运动状态、光照雾化的效果参数等,然后按照更新后的实体状态绘制输出。其中对实体更新变化过程的控制正是三维仿真模拟的实现接口,如场景漫游就是通过更新摄像机位置和视角来实现的,基于科学计算的三维交互仿真也是通过对相应实体运动变化控制函数的设计而完成的。

5.3 三维可视化与漫游

三维可视化系统的基本功能便是真实再现模拟场景,在计算机虚拟环境下对场景进行随意漫游。根据程序的框架结构,三维显示是通过图形场景的渲染完成的,场景画面的明暗阴影及雾化根据光照和雾化参数进行调整,场景的漫游则通过对摄像机的控制加以实现[3]。

5.3.1 三维图形显示

三维图形的显示需要对图形进行剪裁、消隐处理,程序设计中通过定义视图体的大小进行图形剪裁,并应用Z缓冲区算法完成消隐处理。为真实表达三维空间的物体,一方面需要描述其几何特性,即实体的空间位置,另一方面则要描述其光亮度和颜色。另外现实世界是绚丽多彩的,要在计算机屏幕上逼真表达,需要描绘和模拟不同表面的纹理图像,进行纹理映射处理。

纹理映射的实现是依据纹理空间、景物空间和计算机屏幕图像三者的映射关系来完成的。一般来说,二维纹理定义在一个平面区域(纹理映射空间)上,该平面区域上的每一点处,均定义有灰度值或颜色值。在图形绘制时,根据纹理空间与景物空间之间的映射关系,确定景物表面上任一可见点P在纹理空间的对应位置(u,v),而(u,v)处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面P点处的纹理属性。

景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现纹理图片与相应景物实体间平面位置上的配准,其映射关系是一种仿射变换:

u=a0+a1X+a2Y+a3XY (2)

v=b0+b1X+b2Y+b3XY (3)

式中,(u,v)是纹理空间中的坐标,(X,Y)是景物空间实体表面坐标,(ai,bi,i=0,1,2,3)为8个变换参数。可依据纹理图片与实体表面相对应的四个控制点,求解这8个变换参数,从而确定映射关系。景物空间与计算机屏幕图像间的映射即前面所述的透视投影变换。

对大范围的地形模拟,除三维建模外,要获得更多的地形信息,最佳的方法是用数字化的航摄像片进行相对应的纹理映射。因为航摄像片是地面的中心投影,因此航摄影像与地形模型间的映射关系为透视投影变换,通常采用直接线性变换的方法建立纹理坐标(u,v)与地形空间坐标(x,y,z)之间的映射关系:

u=A/C (4)

v=B/C (5)

A=L1x+L2y+L3z+L4 (6)

B=L5x+L6y+L7z+L8 (7)

C=L9x+L10y+L11z+1 (8)

利用一定分布的6个以上的控制点,就可根据最小二乘原理解算出L1～L11这11个参数,确定影像与地面模型的映射关系。

5.3.2 场景控制漫游

场景的随意控制漫游是交互式三维可视化系统有别于动画演示系统的特征之一,通过对视点空间位置和转角的控制来实现[5]。在OpenGVS的Camera接口中,提供对视点控制的模拟回调函数接口,只要编程限制摄像机的运动规则,即可实现诸如漫游过程中视点不能低于地面、进行碰撞检测等功能。摄像机视点由鼠标或键盘操作控制,实现调整视点的高低变化及变向移动等功能。因为系统地形涉及多个层次细节,所以在不同高程漫游时其移动速度应该不同,高空时漫游速度快,可以很快到达指定地点,地表则漫游速度慢,以便仔细观察相关实体;同时俯视角度也应该随之改变,高空观看俯视角大,地面浏览则俯视角变小,达到平视的视觉习惯。具体实现时,通过实时检测视点距地面垂直距离的方法动态改变漫游速度与视角,即当视点距地面的垂直距离大于某一设定高度时,漫游速度设为最大值,俯视角垂直于地面,当该距离减小至接近地面的某一预定值时,漫游速度达到最小,视角水平,中间过程按线性插值,从而达到漫游时速度与视角的自动渐变效果,增强了系统操作的友好性能。图4(a)和图4(b)分别为视点在不同高程时三维可视化系统所显示的场景效果。

为模拟光照变换下的场景,需要在场景中加入光源并控制其位置、方向等属性。如为了模拟一天中不同时刻的场景状态,可根据时间将场景中的太阳光光源按圆弧移动位置,并调整光照的方向,使实体生成不同的影子。局部光源的加入还可以描述车灯、路灯等效果,逼真地模拟各种场景。

6 三维可视化与数据库的集成与交互

三维虚拟场景下对数据库的操作主要集中于实体属性信息的查询统计。属性库的查询统计主要采用SQL查询语句,查询的关键是三维场景下实体的识别并与属性库相关联。

由上面数据库的设计方案可知,三维仿真系统的属性数据分静态数据和动态数据两种,静态数据不再更新变动,只供查询之用;动态数据则不断更新变化,需要实时监测,不断对数据库进行插入、更新、查询等操作。因此两者在查询显示方面自然有所不同,静态数据存储于后台数据库中,正常状态下不显示在屏幕上,其数据大多通过基于三维场景的鼠标点击查询方式,通过对话框形式显示出来;而对于动态数据,虽然也可以通过同样的方式加以显示,但考虑到动态数据的实时变化性,许多情况下对实时性较强的关键数据,需要随时关注其变化,因此采用将这部分数据直接显示在屏幕上的方式,使数据的更新变化一目了然。

6.1 基于三维场景的动态查询

三维动态查询是指通过鼠标选择与点击操作,对三维虚拟场景中各个实体的信息进行直接查询,不需要进行场景画面的切换。通过该功能可以在虚拟场景下将三维实体与数据库中相应实体的属性信息(文本、图片、多媒体)连接起来,达到实体三维显示与相关属性信息的一体化表现。

6.2 实时数据的更新与显示

与静态数据不同,由于实时数据具有动态变化的特点,因此在查询显示方面就不但要考虑数据获取的及时性,而且需要考虑数据显示的直观便捷的需要,使实时数据能够及时、直观地表现于三维虚拟场景中,跟踪相关实体动态显示其属性信息。为此需要解决数据获取和数据显示两个方面的关键技术问题。

7 数学模型与数据库的集成与交互

由于数据库在数据存储、更新、保护、共享等方面的特殊优势,因此应该尽可能将系统数据交付数据库进行统一存储管理。然而当前的很多数学模型程序都由FORTRAN语言编写,采用文件管理方法管理和操作数据,FORTRAN语言不提供数据库读写功能。可以采用Visual C++编写中转程序的方式解决这一问题,实现数学模型与数据库的集成与交互。

8 结束语

仿真平台建立的目标是为了信息管理与决策支持,通过对应用于流域的三维虚拟仿真平台总体结构的分析,将系统功能的实现划分为三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块四个部分的信息集成,从宏观上对仿真平台的集成开发进行了有益的探索。

讨论了GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库的建立和相互关系,从空间数据和属性数据两个方面讨论了数据存储、查询以及两者的联系。重点研究了三维空间数据库的设计及三维空间数据库与属性数据库的连接。

简要介绍了三维图形的显示原理,以三维软件开发包OpenGVS为底层开发平台进行系统开发,实现了三维可视化功能,构建了具有高度真实感的流域场景。探讨了场景三维显示与漫游的方式及实现方法,提出漫游过程中自动调节漫游速度和俯视角度以及对不同状态下可视效果的处理方案。研究了不同漫游状态下显示方式的差异,通过实时监测视点位置的方法实现了自动友好的交互式漫游,并通过添加雾化、光照等效果优化了场景模拟的效果。

在三维可视化与数据库的交互方面,探索了基于三维虚拟场景的动态查询与数据实时显示的实现方法。尝试了运用管道传输方式解决FORTRAN计算程序与数据库信息的数据传输障碍,为数学模型与数据库的交互提供了接口。

参考文献

[1]陈瑜,古钟璧,周新志,等.GIS数据融合的虚拟现实系统探讨[J].计算机仿真,2006,23(4):216-219.

[2]孙家广.计算机图形学[M].3版.北京:清华大学出版社,1998.

[3]熊芝兰,郝燕玲,申冬慧.基于数字海洋环境的视景仿真系统研究[J].系统仿真学报,2005,17(7):1631-1633.

[4]王少梅,张煜.港口物流系统仿真建模及三维可视化研究[J].港口装卸,2002,6:1-4.

三维虚拟 篇5

关键词 三维虚拟实景；图书馆；漫游系统

中图分类号：G258.6 文献标识码：B 文章编号：1671—489X（2012）30—0060—02

1 三维虚拟实景

1.1 三维虚拟实景简介

三维虚拟实景基于全景图片，全景图片视场涵盖双眼正常有效视角以上乃至360°的完整场景范围，其在Java、Quick Time、ActiveX或Flash等计算机技术的支持下实现真实场景的还原展示。由多个全景图的实景展示节点组成，采用多媒体人机交互界面和交互信息导航方式，结合导航地图、控制按钮、热点区域、超链接、皮肤系统、音乐、解说等辅助元素可以形成三维虚拟实景漫游系统。用户观看三维虚拟实景漫游系统时，三维立体空间感强，犹如身在真实场景中[1]。

1.2 制作三维虚拟实景漫游系统的方法和工具

三维虚拟实景漫游系统制作分“照片拍摄”“照片拼接为全景图”和“三维虚拟实景漫游制作”三阶段。

1）照片拍摄：选用按一次快门能拍180°视角照片的8 mm鱼眼镜头相机，1个拍摄点要拍4张照片才能拼合成一张全景图。拍摄时，三脚架位置、高度不变，云台可绕三脚架的垂直中轴线水平旋转，相机固定在可旋转的云台上，拍好一张照片后水平旋转云台90°接着拍下一张。

2）照片拼接为全景图：在一个拍摄点拍摄的4张照片经软件自动拼接或人工找拼接点拼接，合成一张全景图。

3）三维虚拟实景漫游制作：先期设计系统构架和界面风格，连同制作好的辅助元件导入设计软件进行制作、合成。

制作三维虚拟实景漫游系统的工具： 1）硬件设备，“尼康D300”数码相机机身、“SIGMA 8MM”鱼眼镜头和电子快门线各1套，高性能多媒体计算机1套；定制的三脚架和旋转云台1套；2）软件工具，“杰图”研发的拼图软件“造景师”，“杰图”研发的三维虚拟实景漫游制作与合成软件“漫游大师”，图片处理软件“Adobe Photoshop”，音频处理软件“Adobe Audition”。

2 图书馆三维虚拟实景漫游系统的设计目标

图书馆三维虚拟实景漫游系统是对图书馆的虚拟化立体展示。与用户近距离参观实物相比，虚拟化立体展示能给用户更好的影像精度、视觉角度、艺术观感等体验，用户在浏览时可对反映实物信息的影像进行放大、缩小、360°旋转，获取实地参观无法也不能获取的部分信息，最关键的是不必亲赴实地，耗费精力少。图书馆虚拟化立体展示的内容有图书馆各区域的位置分布、环境布局等地理信息，还有图书馆功能、服务信息、使用导航等使用资讯。通过三维虚拟实景技术，用户浏览图书馆三维虚拟实景漫游系统，就如真的进入图书馆实地一样，只需点击鼠标就能全方位地了解与熟悉图书馆。

3 图书馆三维虚拟实景漫游系统的设计实现

3.1 照片拍摄与拼接

照片拍摄是三维虚拟实景漫游制作的核心部分。

1）拍摄对象：图书馆所在建筑物的外部，图书阅览室、期刊阅览室、电子阅览室等功能区，进出图书馆及各功能区的出入口部位。

2）拍摄选点：一个功能区通常选3～4个拍摄点，拍摄点一般选大多数人习惯的观看点。如图书馆所在建筑物的外部可选3个拍摄点：第一个拍摄点选在建筑物前面，用于拍远景；第二个拍摄点选在图书馆大门前；第三个拍摄点选在建筑物后面，同样拍远景。图书阅览室可选4个拍摄点：入口处1个，主功能区选2个，出口处1个，其中出、入口处所在点在后期设置导航。

3）拍摄：架好三脚架，拍好一张照片后水平旋转云台90°接着拍下一张，共拍4张。旋转云台时三脚架若有移动，则需重拍此前所拍的全部照片——三脚架移动后，相邻2张照片的拼接边缘相对位置发生变化，照片拼接会失败。

完成照片拍摄后，将照片导入“造景师”进行拼合。若4张照片满足“曝光度相差不大”“物景影像在拼接处有相同部位的影像匹配”等智能拼接条件，软件会自动拼接好照片；若4张照片中有一张照片满足不了智能拼接条件，则需人工在照片上根据影像寻找、编辑拼接点以人工方式拼接。

3.2 系统构架和界面设计

系统构架的核心是实现导航功能和关联全部元件。导航功能依靠“全景图播放次序”和“地图”实现。

1）全景图播放次序设计。依图书馆实际出、入馆次序和各功能区实现功能的次序设计导航，具体次序为：建筑物外景→大门入口（入馆）→服务总台（1楼）→第一阅览室（1楼）→期刊阅览室（2楼）→自习室（2楼）→电子阅览室（3楼）→第四阅览室（4楼）→第五阅览室（5楼）→第六阅览室（6楼）→第七阅览室（7樓）→书吧（1楼）→展览室（1楼）→报告厅（1楼）→大门出口（出馆）。

2）地图设计。一类为图书馆所在建筑物的3D影像图，一类为楼层平面图，建筑物3D图与楼层平面图按实际位置关系关联。

界面是图书馆三维虚拟实景漫游系统的封面和入口，也具有构架系统的作用，其在配色、造型、风格等方面应体现图书馆特色。界面主要由主界面皮肤、载入界面、地图、热点链接、缩略图、按钮、文字等元件组合而成。主界面皮肤中有“图书馆三维虚拟实景漫游系统”文字，留有空白处放置“场景播放器”“缩略图”“地图播放器”等元件。

3.3 系统功能实现

“按钮”“区域雷达”“缩略图”“热点链接”等是“漫游大师”中最常用的元件。1）“按钮”提供控制操作，可布局在主界面皮肤和场景播放区内；2）“区域雷达”设置在地图中，只用在地图上，其雷达扇形指示区与正在播放场景的某一方向一一对应；3）“缩略图”是设置在主界面皮肤上的实景图的缩略图标；4）“热点链接”能设置在全景图、地图和主界面皮肤中，链接目标有全景图、地图、文字、音视频等。

实现系统功能时，“热点链接”元件使用最频繁。1）场景链接：一个场景中可设置多个热点链接，点击热点链接图标后跳转至目标场景。2）展示细节：在场景中点击一本书的影像时，热点链接就会弹出该书的编目信息。3）展示服务类型、借阅流程、规章制度：点击入口或服务总台场景中设置的热点链接时，弹出相关信息提示。

系统制作次序：导入主界面皮肤→制作载入界面→设置场景播放器（场景播放器是呈现全景图的窗口）→在“场景列表区”按“全景图播放次序”导入全景图→设置地图播放器（地图播放器是呈现地图的窗口）→在“地图列表区”按先3D地图、后楼层平面图的次序导入地图→设置按钮功能与属性→设置播放进度条→设置“缩略图”→设置热点链接（先设置场景链接，再设置细节展示链接，最后设置展示其他内容链接）→设置区域雷达→加入音频解说→各功能验证→修改与完善→发布作品。

4 结束语

设计实施图书馆三维虚拟实景漫游系统，前提是明确设计目标，核心是拍好全景照片，关键是设计好构架和界面，重点是实现系统功能。

参考文献

三维虚拟 篇6

随着高校扩建的步伐不断加快以及招生宣传的竞争, 传统的学校二维平面地图仅仅提供校园导航的简单功能, 已不能满足校园信息化的要求, 而集成校容校貌展示、招生宣传、校园信息化管理的新一代三维虚拟校园系统, 将是大势所趋, 将成为校园门户网站不可缺少的重要栏目, 对学校的对外形象宣传、招生宣传、信息化管理将产生重要的作用。

二、虚拟现实技术

虚拟现实技术 (vimlal Reality, 简称VR) 又称“灵境技术”, 最早是由美国人兰尼尔 (J.artier) 提出实定义的:“用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界, 让用户可以从自己的视点出发, 利用自然的技能和某些设备对这一虚拟世界客体进行浏览和交互考察。”它综合了计算机图形、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学, 是现代仿真技术的高级发展和突破。

虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、思维构想性的特点, 它融合了其它先进技术, 能够将现实生活中的事物对象, 以三维图像的模式呈现在计算机中, 给人以仿真真实世界的感觉。

也许你会认为虚拟化现实技术离我们的生活仍然很遥远。但目前世界上已经有很多通过虚拟现实技术开发的产品了, 虚拟现实产品一般通过网络渠道进行网上传输、宣传。比如顾客通过键盘按键或鼠标点击可实现简单对产品进行了解, 查看相关信息。有的甚至可以直接用鼠标拖拽对象, 实现真实世界的实地察看。

三、三维虚拟校园的总体设计

(一) 模型设计。

三维虚拟校园制作的首要任务就是要进行校园内所有模型的建模, 利用AUTOCAD与3DS MAX软件可实现模型设计。

(二) 材质设计。

要实现仿真设计, 所有建筑的材质需要和实地相仿, 用专业的数码相机采集校内场景, 记录各建筑的材质, 由PHOTOSHOP软件实现软件的编辑修改, 由3DSMAX软件可实现材质的设计制作。

(三) 仿真设计。

要实现在校园内行走、校园自动漫游等效果, 需用VRP软件导入3DSMAX制作的校园建筑, 再进行仿真设计。

(四) 信息管理设计。

将仿真校园与后台数据相连接, 可实现校内数据管理。

四、三维虚拟校园的技术实现

(一) 硬件部分。

高配置计算机、存储用服务器、渲染用服务器、数码高清的摄像机、录像机、照相机。

(二) 软件部分。

WINDOWS XP操作系统、AUTOCAD软件、3DS MAX软件、VRP虚拟现实的软件。

(三) 技术实施流程。

一是校园整体实地考察, 用AUTO-CAD制作校园建筑平面图。二是运用3DS MAX软件导入AUTOCAD图进行校园建筑建模。三是使用数码相机进行实地材质采集。四是利用3DS MAX软件实现各建筑的材质贴图, 并设置相关的灯光与摄影机。五是结合VRP软件实现校园三维建筑虚拟现实。六是综合运用3D建模与VRP技术实现虚拟现实的仿真设计与制作。技术实施整体流程图, 如图1所示。

(四) 技术关键及创新点。

虚拟现实技术, 不仅应用于学校, 而且能够实现广告宣传, 推动广告产业发展。实现校园数据的集中可视化展示与管理, 为基层单位提供校园地理信息服务。三维虚拟校园作为各个部门信息展示的载体, 可以直观形象地进行可视化展示。定位展示、全部校园单位的路线导引, 快速放大、缩小, 360全景等多角度三维立体展示, 提供招生展示发布、新生报到导引、学生生活服务导引功能。

虚拟现实技术在当今市场还有很大的发展空间, 目前应用的单位企业较少, 技术制作人员很少, 制作费用高昂。我们有制作虚拟空间的成功案例, 积累了丰富的经验, 对应用虚拟现实技术起到了推动作用。

五、结语

本系统运用AUTOCAD软件实现二维平面制图, 综合运用3DS MAX软件实现了校园内建筑建模、材质贴图与灯光设置, 运用VRP软件实现了校园的仿真制作。对于辅助教师管理成绩起到很大作用。

参考文献

[1] .韩松喜.利用Excel实现成绩的自动统计[J].中国教育技术装备, 2012

[2] .王勇.EXCEL在班主任日常管理工作中的应用[J].科技创新导报, 2012

[3] .徐秀勤.Excel中数据安全处理方法探讨[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2012

三维虚拟 篇7

利用最新的计算机虚拟现实技术和三维激光扫描技术, 对校园整体建筑和功能区及相关空间信息数据进行统一的采集、存储、分析和数字化的表达, 产生虚拟三维校园实景模型, 让其直观形象地逼近校园实景, 便于学校各项工作的开展。传统的利用全站仪和GPS等设备只能获取单点高精度空间三位信息数据, 对于三维校园的建立存在工作量繁重且不可避免的丧失很多真实信息, 同时对于按真实比例建模的虚拟三维校园实景模型存在信息不足的严重障碍。基于以上原因, 传统的获取空间三维信息的方法已经难以满足三维校园建设的需求。因此建设三维校园亟待解决的问题就是在方便快捷的手段上将校园实景在计算机中再现, 便于校园信息的浏览、分析和查询。计算机虚拟现实技术和三维激光扫描技术的出现和发展为三维校园的建设提供了有力的技术支持, 通过全新的技术和手段让校园虚拟三维实景在计算机中的重现成为了可能。

1 计算机虚拟现实技术

虚拟现实技术即虚拟现实。虚拟现实 (Virtual Reality, 简称VR, 又译作灵境、幻真) 是近年来出现的高新技术, 也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界, 提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟, 让使用者如同身历其境一般, 可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。[1]虚拟现实是多种技术的综合, 包括实时三位计算机图形技术, 广角 (宽视野) 立体显示技术, 对观察者头、眼和手的跟踪技术, 以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。该技术一个主要的应用方面就是在地理中, 将三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起, 再现城市建筑及街区景观, 用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观, 可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作, 满足数字城市技术由二维GIS向三维虚拟现实的可视化发展需要, 为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。

虚拟三维校园就是虚拟现实技术的具体应用, 它由浅至深有三个应用层面, 分别适应学校不同程度的需求:

○1简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览;

○2基于教学、教务、校园生活, 功能相对完整的三维可视化虚拟校园;

○3以学员为中心, 加入一系列人性化的功能, 以虚拟现实技术作为远程教育基础平台;

虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力与三维激光扫描技术的结合, 将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐, 最终两者将在教育培训领域广泛应用并发挥重要作用。

2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术主要利用激光测距原理来获取目标数据[2], 可用于变形监测、工程测量、地形测量、古建筑和文物保护、断面和体积测量等领域, 具有不需要合作目标、高精度、高密度、高效率、全数字特征等优点[3]。三维激光扫描技术可以真实描述扫描对象的整体结构及形态特性[4], 快速准确生成三维数据模型, 有效避免基于点云数据进行分析造成的局部性和片面性[5]。

三维激光扫描系统集激光发射器、数码相机、控制电路板、滤光镜为一体[6], 地面三维激光扫描测量系统的工作过程, 实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过程.它通过具有一定分辨率的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。

三维激光扫描技术在虚拟三维校园实景模型建立的应用中具有如下的优势:

○1能够高效快速的获取空间三位信息点云数据, 用于生成三维实体模型, 将实景复制到计算机中, 方便校园物体属性和信息的浏览、查询和分析;

○2根据三维激光点云数据建立三维校园实体模型, 通过前后模型的比较分析, 可以清楚的了解到学校建筑和功能区的变化情况, 从而为校园规划设计提供依据;

○3按照实体比例建模的虚拟三维校园实景模型可以进行多种数据信息的提取和分析, 形成一个功能相对完整的三维可视化虚拟校园。

3 三维激光扫描技术在虚拟三维校园实景模型中的应用方向

3.1 虚拟校园实景的三维可视化访问和管理

利用三维激光扫描技术将校园的整体建筑和功能区进行三维激光扫描, 获取点云数据后进行处理, 建立虚拟三维校园的实体模型。每个建筑和功能区都有详细的属性介绍, 方便游客和管理部门进行访问。对于学校的对外宣传和职能部门的管理有很大的促进作用。另外还可以建立虚拟三维校园模型的导航系统, 使用者可以方便快捷的浏览、查询和操作。

3.2 校园功能区基于Web云的浏览

通过三维激光扫描技术获取校园的建筑和功能区的点云数据后, 对数据处理分析, 进行纹理采集, 特征性提取等构建实景模型, 然后通过与计算机虚拟现实技术的结合, 利用三维点云后处理软件生成校园的Web点云, 这样我们就可以在网页上浏览到校园的虚拟三维实景模型。校园Web点云的优势在于不仅具有校园构筑物和功能区的三维空间信息数据, 而且还具备校园的实景颜色信息。使用者通过网络便可远程浏览到校园的实景信息。另外, 该形式的成果还具备精准的量算功能, 方便校园属性信息的提取和分析, 为规划者提供良好可靠的规划依据。

3.3 校园前后三维模型的比较分析

校园的规划也是一个不断发展变化的过程, 对发生变化的建筑和功能区进行扫描和重新建模, 更新其属性信息, 能够让管理人员和访客即时的了解到校园的最新信息。另外多次扫描的校园三维数据模型进行存储和叠加分析, 可精确地了解到目标的结构形变、位移以及属性变化关系等, 为校园进一步规划发展提供真实可靠的基础数据, 也可以让访客了解到学校的变迁史, 感受校园的文化底蕴和氛围。

4 结束语

三维激光扫描技术是近年来出现的一项高新技术, 是测绘工具的又一次更新换代, 是在空间定位技术后的测绘技术的又一次新突破。该技术以其快速、精确、无接触及三维可视化的特点在越来越多的领域发挥其重要的作用。它是获取空间三维信息的一种有效快速的方式。作为一项新兴的测绘技术, 它突破了传统的单点测量模式, 为虚拟三维校园实景模型的建立提供了一个崭新的技术途径。将三维激光扫描技术应用于虚拟三维校园领域可以有效解决以前的技术难题。目前, 三维激光扫描技术还处于发展阶段, 但随着三维激光技术在测量距离和精度等性能方面的不断提升, 基于三维激光技术的各项一定会得到广泛的应用。

摘要：作为数字化校园重要组成部分的三虚拟维校园实景模型也已成为校园信息化建设的重要组成部分。三维可视化的模式让校园管理更加便捷、直观, 相较于传统的基于二维平面地图和影像地图的虚拟校园, 其更能满足学校对外宣传、校园导航、校园规划和信息化管理的多元化要求。三维激光扫描技术可以快速高效地扫描对象的整体结构和形态特性, 准确生成三维数据模型, 对于校园空间三维信息的获取非常适用。本文探讨三维激光扫描技术在虚拟三维校园中的应用和方法, 指明了该技术在虚拟三维校园建设中的应用方向。

关键词：虚拟三维校园,三维激光扫描技术,三维校园管理

参考文献

[1]郭巍.《信息与电脑 (理论版) 》:中国学术期刊 (光盘版) 电子杂志社, 2010年第05期.

[2]闫利, 崔晨风, 张毅.三维激光扫描技术应用于高精度断面线生成的研究[J].遥感信息, 2007 (4) :54-56.

[3]李必军, 方志详, 任娟.从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究[J].武汉大学学报信息科学版, 2003, 28 (4) :65-69.

[4]毛方儒, 王磊.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术, 2005, 25 (2) :1-6.

[5]罗德安, 朱光, 陆立等.基于三维激光影像扫描技术的整体变形监测[J].测绘通报, 2005 (7) :40-42.

三维虚拟 篇8

1 三维模型的绘制

本系统以杭州地铁为资料依据,运用3ds Max、Sketch Up软件以及相关插件,将盾构机在地下施工方式用动画的形式表现出来,其具体制作流程为:

1.1 盾构机的绘制

1.1.1 软件选取

3ds Max软件作为目前应用最为广泛的三维软件,其功能十分强大。在本系统的建立过程中我们将用到它的两大优点:1)3ds Max营造的三维空间非常符合人们的视觉心理,用户可以很自然地将3ds Max所营造的虚拟场景与现实生活场景联系起来,增加系统的真实性。2)具有快速制作动画的能力。工具栏中的曲线编辑器、约束路径编辑器以及摄影表等功能都可以帮助我们高效、准确的创作动画[1]。

1.1.2 模型分解

盾构机是一个独立的工作系统,结构复杂,若作为一个整体直接建模将十分繁琐,因此需要对它进行功能模块分解。参照盾构机的工作原理,可以将盾构机的工作模式简单归纳为;刀盘转动切削泥土由管道送出,管片拼装机完成管片拼装,最后由液压千斤顶推动机身前进。由此可以将其分解为刀盘、管片拼装机和机身三大功能模块分别建立模型,最后利用3ds Max的文件合并命令将所有模型合并到一个场景文件中。

1.1.3 建模技巧

模型的生成一般有3种方法,即多边形、面片及NURBS建模[2],盾构机模型的绘制采用多边形建模,这样可以描述足够的细节,创建任何表面。在模型的绘制过程中需要注意必要的操作技巧以帮助简化制作步骤,营造一个良好的模型环境。在建模过程中应注意:

1)为避免在合并文件中出现重名或重新修改编辑时因找不到元素出现混乱,在给每个部件模型命名时应注意规范,尽量与实际名称相吻合,3ds Max软件按名称选择功能可以帮助快速选中部件模型。同一功能模块上的相同的部件模型要成“组”,以便于后期调用。

2)盾构机模型内部机构部件较多,绘制时很容易发生误操作。在处理这种情况时可以采用“孤立编辑”命令,只对单个部件修改操作而其他部件暂时隐藏,不仅方便我们对模型的修改,也更加清晰的看到模型的效果。

3)3d max所默认的单位是美制建筑图的英寸,这不符合我们日常使用习惯。为真实的仿真盾构机大小尺寸等,我们要将单位改成十进制的“厘米”或“毫米”。

4)绘制模型需要熟练的掌握3d max各种命令操作,学会利用特殊命令简化模型的绘制过程。如利用“圆形矩阵”命令复制相同的刀具组,用“可渲染线条”直接制作管道等,这些命令不但使模型制作效果更加真实,也大大缩短了模型的制作时间。

5)3d max的各种插件功能强大,可以有效的帮助绘制模型,如vray渲染器插件,超级布尔插件等。结合自己所需要绘制的模型,了解各种插件所具有的功能,正确使用插件以达到事半功倍的效果。

1.2 辅助模型建模方法

为了使系统更加真实,需要绘制大量的辅助模型,例如地面上的各种景观等。在建立辅助模型时,对模型的精确程度要求不高,但需要快速大量的制作。3ds Max在建立模型后在渲染部分需要耗费大量的精力,且制作过于精细后场景文件将过于庞大,对计算机性能的要求较高,不利于本系统的推广和使用[3]。Sketch Up软件界面简洁简单易用,制作的模型文件较小,自有的材质编辑器也能够满足简单的模型渲染,同时强大的软件接口,使其能够与多种主流设计软件交换数据,如Auto CAD,3ds Max,Piranesi等,在完成建模后可以轻松的转化为3ds文件。

下面以地面上一栋居民建筑楼为例简单介绍模型制作过程。首先要在软件的场景信息中设置系统单位,与3ds Max中单位保持一致,便于导入3ds Max后的修改[4]。用线工具做出模型大体轮廓后,使用推拉工具即可生成三维模型,绘制出门窗的轮廓线,运用材质浏览器创建模型需要的材质并赋予,一栋居民楼的制作就完成。需要特别注意的是,将Sketch Up模型导入转为3ds文件后会生成部分jpg格式的图片,这些都是原模型的材质贴图,需要将他们与模型文件放在一起保留。

2 模型优化法

盾构仿真三维模型所包含的模型数量较多,为提高仿真效果,对场景模型优化必不可少,这里简单介绍几种常见手段。

1)尽量减少分段数

在不影响模型显示效果的前提下,分段数越低越好。如系统中的远景以及盾构机中若干细小的输送管道等。

2)采用标准几何图形建模

标准几何体的节点较规则,不会产生过多的线、面等,有利于降低文件的数据量。

3)减少冗余面

冗余面是指删除后对效果图影响不大的面,如楼房的底面,冗余面的去除可以降低场景的复杂度。

3 精确制作掘进动画

3.1 动画制作的分类与选择

3ds Max制作动画主要包括角色动画、路径动画和关键帧动画三种。角色动画是指按照表现对象的形状尺寸建立模型及场景后,再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄像机的运动和其他动画参数,最后让计算机自动运行生成动画的一种方式[5]。路径动画的最大特点就是它可以按照指定路径制作动画,参数调节在属性面板中完成。关键帧动画是制作动画的主要方法,只要设置对象在关键帧处的位置坐标,电脑将自动连接完成动画。

本系统对盾构机的运动形式较为简单,可简化为沿直线运动的同时刀盘发生转动,但对旋转速率、掘进速度等参数调节要求严格。因此我们选择制作关键帧动画,运用曲线编辑器调节各种参数。

3.2 运用函数曲线制作动画

根据地质勘探和实验结果分析数据,我们可以预测出盾构机工作时间与掘进深度的关系,以时间轴为横轴,掘进深度为纵轴绘制出曲线图。在软件中选定刀盘为操作对象,将其世界坐标归零,打开曲线编辑器,选择对象—位置,将曲线图绘制在帧数-位置的坐标轴上,再运用相同的操作方法在对象-旋转窗口中完成刀盘旋转动画,最后将盾构机其他部分与刀盘相关联,动画即制作完成。

4 结论

地下交通工程规模庞大,盾构施工技术也复杂且难以掌握。虚拟现实技术所再现的三维场景将可以形象而具体的展示这门技术要领,加深对整个施工过程的印象,这是传统手段如文字、效果图甚至动画所不能实现的。此外,仿真系统建立的模型都是基于真实数据资料,严格遵循了工程项目设计标准,能够真实地再现地下施工场景。设计人员可以在三维场景中仔细观察,因而使得许多不易察觉的设计缺陷能够发现。随着时代的发展,虚拟仿真三维建模技术将会得到越来越广泛的运用。

参考文献

[1]何晓田.基于3D MAX实现虚拟校园场景建模[J].电脑知识与技术,2011(8):5365-5366.

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[4]夏思文,甘淑,陈功凯.基于SketchUp建模的虚拟楼盘设计与实现关键技术研究[J].河南科技,2011(5):607-609.

三维全景虚拟校园的研究与应用 篇9

21世纪是以知识创新和应用为重要特征的信息化时代, 随着国家教育信息化建设的推进, 信息技术革命突破了人类活动的时空障碍, 空间与时间的阻隔在互联网面前灰飞烟灭。网络的开放性、交互性、共享性、超媒体、大容量等优势, 不但可以丰富教学方式、加强资源共享;而且能够传播学校风采、展示校容校貌。那么学校如何把校园环境、重点实验室、图书馆等设施生动地展现出来, 让学生、家长和社会更真实地体会到、感受到校园情况?伴随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展, 三维全景虚拟现实技术, 给校园的宣传、展示提供了全新的表现形式, 让老师、学生、家长等仅需通过电脑和网络, 就能身临其境的感受优美的校园风光, 良好的教学环境。

2. 三维全景虚拟校园的相关理论研究

2.1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实, 英文名称是Virtual Reality, 简称VR技术, 这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔 (Jaron Lanier) 在20世纪80年代初提出的, 也称灵境技术或人工环境。Virtual的英文本意是表现上具有真实事物的某些属性, 但本质上是虚幻的。Reality的英文本义是"真实"而不是"现实"。Virtual Reality英文本义是"真实世界的一个映像" (a image of real world) 。虚拟现实是利用计算机模拟生成一个逼真的、具有三维视觉、触觉等多种感知的虚拟环境, 使用户仿佛置身于一个生动、形象、具有视、听、触觉的感观世界, 可以直接观察周围环境及事物的内在变化, 并能与之发生"交互", 产生与真实世界相同的反馈信息, 获得与真实世界同一样的感受, 使人和计算机很好地"融为一体"。虚拟现实技术是一门新兴的跨学科新技术, 是集三维图形技术、人机交互技术、传感技术、仿真技术、显示技术、人工智能、网络并行处理等技术的最新发展成果为一体的综合集成技术, 是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。其中计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境 (Virtual Environment, 简称VE) 。

2.2 虚拟现实技术的特征

1993年, Burdea等将虚拟现实技术的特征概括为[1,2]:沉浸感 (Immersion) 、交互性 (Interactivity) 、想象性 (Imagination) 。

该技术的特点在于计算机生成一个以视觉感受为主, 也包括听觉、触觉的综合可感知的、逼真的三维虚拟环境, 用户可以通过计算机进入这个环境用自然方式与虚拟环境中对象进行交互操作, 与之产生互动, 进行交流, 改变了过去人类除了亲身经历, 就只能间接了解环境的模式, 从而有效的扩展了认知手段和领域, 从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉, 给用户带来身临其境的感受。通过虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境, 用户沉浸在多维信息空间中, 使以往只能借助传统沙盘的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界, 并依靠人本身对事物的感知和认知能力, 全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。身临其境的沉浸感和人机互动的交互性是虚拟现实的实质特征, 对时空环境的现实构想 (即启发思维, 获取信息的过程) 是虚拟现实的最终目的。

2.3 三维全景虚拟现实技术概念

三维全景虚拟现实技术 (也称实景虚拟) , 是基于全景图像的真实场景虚拟现实技术。全景[3] (英文名称是Panorama) 是在固定视点时用数码照相机按照一定的方式拍摄实景, 按照均匀角度绕垂直轴向旋转360度, 根据具体情况拍摄一组或多组照片, 在计算机中对图像进行拼接、调整和整合, 按照表达分类生成无缝全景图象, 通过计算机技术实现全方位互动式观看的真实场景还原展示方式。在浏览器端, 基于播放插件 (通常是Java或Quicktime、activex、Flash等) 的支持下, 使用鼠标控制环视的方向, 可左可右可近可远, 实现全景图的浏览。

3. 三维全景虚拟校园的应用

3.1 方便浏览者直观的了解校园。

基于三维全景虚拟校园的构建, 360度全景环视, 整合音乐, 创意设计的多媒体宣传, 模拟真实世界, 提供了一个高清晰度、生动、逼真的优美校园空间, 可以使浏览者从不同角度遍历校园的教学楼、实验楼、宿舍楼等各个部分, 真实的反映了校园的建筑风格、布局特点及绿化情况, 空间次序的视觉理解和感知变得非常容易, 使浏览者有身临其境的感觉, 更能给许多不能亲临校园参观的浏览者一种新的选择和高度逼真的视觉体验。

3.2 方便师生尽快的熟悉校园生活。

三维全景虚拟校园使教学楼、实验楼、宿舍楼、食堂等公共设施以全彩色主体景象, 生动、形象的画面, 配合虚拟环境中的音响, 亦即人以与感受真实世界一样的 (自然的) 方式来感受计算机生成的虚拟世界。三维全景给人真实感强, 交互性强, 可随意拖动鼠标浏览场景, 帮助师生全面的了解校园的布局, 了解校园信息, 为更好的适应学习生活提供方便。特别是新生在入学前可以通过学校网站的三维全景虚拟校园, 了解学校的教学楼, 图书馆等公共设施的具体位置, 了解校园风光、校园文化, 尽快的熟悉校园生活。

3.3 是校园文化, 校容校貌的展示平台, 是校园信息化建设的重要组成部分。

校园是师生生活、学习、活动的场所, 浓郁丰厚的校园文化所渗透弥漫的精神氛围, 潜移默化地影响着、感染着我们每一个人, 伴随着我们成长。三维全景虚拟校园作为校园文化, 校容校貌的展示平台, 有利于大学生思想政治素质和良好品德修养的提升, 有利于学生健康人格的塑造.

3.4 有利于树立和提高学校的形象, 扩大学校知名度, 吸引更多的生源。

高校招生的生源质量, 直接影响着学校培养人才的质量, 直接关系着学校的生存、前途和命运, 以及是否能实现可持续发展。因此如何提高学校宣传的质量, 增强宣传的有效性, 提高学校的知名度和认可度, 已成为各院校发展的头等大事。基于网络, 建立三维全景虚拟校园, 现已成为宣传非常有效的手段, 有助于健全宣传工作, 提高宣传能力, 扩大宣传覆盖面, 更好的体现其办学特色, 学校特点, 展示学校实力, 也有助于让学生、家长、社会更好地体会到、感受到校园情况, 帮助考生、家长直观、形象的了解学校和选择专业, 从而吸引更多的生源。

3.5 对现实校园的虚拟效果, 是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

在互联网空间中, 建立起三维全景虚拟校园, 实现现实校园在时间和空间上的扩展与延伸, 为校园规划设计提供了一种最直观的表现形式, 对于校园信息管理、新建楼宇及风景展示项目规划、报批、管理等提供了一种有效的手段, 也可以拓展为学校规划发展的一种历史纪念, 记录学校变迁和发展。

3.6 将基于全景图像的虚拟现实界面应用到校园网网页设计中可以改变传统的单纯基于文本和图形设计的简单平面结构。

三维全景虚拟校园, 大大地改变了原来万维网上单调、交互性差的2 D平面世界, 实现环境与参与者的互动交互, 创造一个具有沉浸感、交互性的虚拟三维世界, 增强信息的直观性、流通性、交互性、协同性和有效性, 使浏览者真正通过网络在生动、逼真的三维世界里遨游。

4. 结束语

基于全景图像构建的三维全景虚拟校园, 360度全景环视, 高清晰全景展示, 打破时空的限制, 真实、直观、系统的展现交互式三维校园场景, 使浏览者全方位、立体化的了解校园, 其开放性、可视化的特点必将成为未来信息化的趋势。

摘要：三维全景虚拟校园是基于全景图像的真实场景虚拟, 利用三维全景软件对校园场景虚拟以及与图像、文字、声音等多媒体技术的结合, 构建出一个生动逼真的三维虚拟校园, 让学生、家长等更多的人仅需通过电脑和网络了解学校, 就能身临其境的感受优美的校园风光、良好的教学环境。

关键词：虚拟现实技术,三维全景,虚拟校园

参考文献

[1].严子翔.VRML虚拟现实网页语言.北京:清华大学出版社, 2001

[2].赛博科技工作室.VRML与Java编程技术.北京:人民邮电出版社, 2002

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[8].周春艳, 邹峥嵘.基于全景图像的虚拟校园.电脑与信息技术.2002年第2期

三维虚拟 篇10

关键词：三维全景；虚拟校园漫游；生成和运用；研究分析

l 三维全景的含义和用途

三维全景全称为三维全景漫游技术，其核心正是三维全景图像。通过利用拍摄设备所获得的多张360度和180度的照片，拼接为一张图像，从而构成一个全景空间。与传统的二维场景相比，其具有多个优点：一是真实感强。二是互动性强。观众可以凭借自己的喜好进行随意操作。三是文件体积小，方便传输，对丁硬件的要求也不是太高。对丁学校来说，近年来，虚拟校园漫游系统的开发和运用就被提上了日程。而整个系统的构建的关键和基础，则是三维全景的牛成，其能够将众多360度拍摄的照片组合成为一个全景图像，然后再通过一些软件和插件，在计算机、于机等媒体上予以真实的还原。而且观看者还可以根据自己的喜好，进行上下左右、前后远近的调整，获得一种身临其境之感。所以从这个角度来说，没有三维全景，也就没有虚拟校同漫游系统的牛成，发挥着关键的基础性作用。

2 虚拟校园漫游系统中三维全景的生成和运用

2.1 图像采集

图像是三维全景牛成的原始素材，一般来说，图像的获得包含两种形式。第一种是运用全景相机拍摄。全景相机可以直接获得全景图像，免去了后续制作的麻烦，但是其弊端也是显而易见的，即全景相机本身是十分昂贵的，拍摄成本较高，所以一般很少使用。第二种是采用普通相机拍摄。可以将普通的照相机或摄像机架设在一个可以水平选装的支架上，然后进行转动拍摄。所拍摄出来的照片是有一定重合部分的，所以需要在电脑上利用软件进行拼接处理。因为普通照相机和摄像机的价格相对低廉，所以这也是当下主流的图像采集方式。例如，可以运用多个鱼眼镜头，分别拍摄建筑物、雕塑等立方体上下左右前后的六个面，然后再将安装了鱼眼镜头的相机同定在支架上，进行背景的拍摄，每旋转90度拍一张。之所以采用这方式，是因为180度的鱼眼镜头拍摄出的照片没有重叠区域，很容易让后期的拼接处理出现偏差，而每隔90度拍摄一张，就可以将其和鱼眼拍摄照片进行比对，更加方便与后期的制作。在获得了带有重叠区域的图像素材之后，因为每一幅图片坐标不同，所以为了获得统一化的效果，必须将其统一到同一个坐标体系中。对此通常采用球面投影和柱面投影的方式。球面投影是将多幅图像拼接投射到一个球面上，获得图像像素点在空间中的方位信息。其对于图像素材本身并没有什么特殊的要求，所以是一种广为采用的方式。柱式投影可以视为是球面投影的变形，其将准备拼接的图像投射在一个网柱体上，与球面投影相比，其在获得空间方位信息的同时，还能够快速地去除重复的信息。经过上述处理后，整个三维全景图的骨架也就搭设完毕了。

2.2 图像拼接

因为全景照相机的价格较为昂贵，所以在图像采集过程中，还是多采用普通相机拍摄加后期拼接处理的方式为主。其根本原理是将众多图像汇集在一起，然后删除掉其重叠部分，使之成为了一个新的整体。其中的关键就在丁重叠位置和区域的查找。如果查找的不准确，就会出现重复表现和遗漏表现的结果，也就难以称为是全景图了。且因为在具体的拍摄过程中，受到硬件本身和具体环境的影响，使得最终的图片效果还以做到百分百精确，经常出现一些平移、扭曲、变形、色彩等情况，这也再一次凸显出了图像拼接的重要性。一般来说，图像拼接包含两种方式，即区域拼接和特征拼接。区域拼接是对面面灰度信息的运用，以此来作为特征和区分，但是涉及层面众多。特征拼接则是针对图像的点、线、面、轮廓等特征进行匹配，因为是一种点对点的处理，所以运算量较小，也是当下一种主流的处理方式。在具体拼接方法上，第一种是帧到帧的合成。又被称为是静态图像拼接技术。其能够以批量的形式将所有的图像变换为同一个坐标体系，然后利用不同的时空滤波器进行拼接。既可以是自动获得，也可由设计者于动选择。第二种是帧到图像合成。鉴丁帧到帧的组合很容易小现累积误差，所以一些设计者对帧到图像的方式进行了尝试，也就是动态拼接技术，其将图像帧和拼接图像放置到同一个坐标体系内进行处理，既减少了累积误差的出现，而且在一些运动场景的表现时，往往有着更加出色的效果。第三种是拼接图像到帧的合成。其可以视为是帧到图像合成的反运用。是以帧图像的坐标体系为标准，让拼接图像与之相配准，所以也更加适用丁一些视频传输和动态图像拼接。第四种是拼接图像到拼接图像的合成。还是为了避免帧图像所出现的误差，所以设计者们探索出了拼接图像到拼接图像的合成，其将图像按照一定的特点和规则进行分段，先形成子图像，然后再将子图像进行组合，可谓是一种误差小且方便快捷的方式。当所有的全景地图制作完毕之后，则要进一步将其转换为Flash格式，对此Pan02vr是一个十分得力的T具，可以将全部素材都输入到该软件中，然后选择球面或柱式投影，最终牛成高质量的Flash。

2.3漫游发布

制作三维全景的最终日的是整个漫游系统的牛成，所以要将主要景点、建筑物、硬件设施等组合成单个节点的三维全景图，以实现单个场景的交互式漫游。其优势在丁能够全面、快速而流畅的实现自动和于动漫游控制。而制作方也可以将整个系统整合在一个网页下，放置在校同网站中，再辅以百度地图等工具，实现从宏观到局部的全面展示。最后，为了获得更好的使用感受，也需要定期对整个系统的界面进行优化，以达到互动性强、特色鲜明的日的。具体来说，系统的整体风格是要与学校整体形象相一致，比如校同建筑物的色彩、学校一些宣传材料中常用到的图案和背景等，使浏览者不看名字，就能够凭借印象和感觉知道这是哪一所学校，使学校的特色得到最大化的彰显。除此之外，也应该在整个系统中适当加入一些音乐和音效。一些优美的轻音乐能够增强浏览者的身临其境之感，从单纯的视觉感受变为了视听合一。而一些音效的加入，如转入下一节点时发出的美妙声响等，则能够让人感受到一种人性化关怀。

大型桥梁的三维建模与虚拟仿真 篇11

桥梁漫游系统主要的实体模型包括主梁、桥塔、桥墩、栏杆、拉索等,每个部分的建模都有不同,使用的技术和方法不同。本文使用3DS Max进行场景的三维建模,具体可分为几何建模、材质设置、灯光设置、摄相机设置、渲染和烘焙等几个部分。漫游交互平台大都是非常昂贵的,像国外的Vega、Virtools等,本文是使用的VR-Platform三维互动仿真平台软件作为虚拟桥梁的漫游引擎,这个软件的共享版本是免费的,而且操作简单。

1 虚拟现实的应用和发展前景

在我们的现实生活中有很多场景不能身临其境,而虚拟现实正好能弥补这方面的困难,不但可以亲临现场作业,而且还操作控制简单,正是虚拟现实的这个优点决定了它的广泛用途。虚拟现实已经广泛的应用于城市规划、室内设计、房地产开发、工业仿真、军事模拟等各个方面[1]。

虚拟现实的发展前景是美好的,与网络通信特性的结合更是人们所期望的。在某种意义上说虚拟现实将改变人们对生活的观点和看法,改变人类的思维方法,甚至会改变对自己、世界、空间的看法。它是一项发展中的技术,具有广阔的应用方向[2]。利用它和外部硬件设备,我们的生活将会更加美好有趣。

2 虚拟现实系统的相关技术

作为一个发展的技术,虚拟现实系统的目标是生成一个可交互漫游的虚拟世界,让用户可以随意的浏览、漫游。要达到这个目标,除了需要硬件设备外,还需要具有相关的技术才能得到保证。

虚拟现实系统的相关技术比较多,这些技术大都存在于我们目前所接受、学习、研究的学科理论之中,这些技术包括通信技术、计算机技术、多媒体技术、传感技术、立体显示技术、建模技术等,虚拟现实技术是这些相关技术的集成与渗透。

3 虚拟现实系统的组成

虚拟现实系统从大的方面来说一般包括硬件系统和软件系统两个组成部分,它是计算机技术、多媒体技术、网络技术、传感器技术、人工智能技术等多学科、多功能的子系统所构成的终合集成环境,是包括数字图象处理、网络通信及建模技术等终合性很强的技术[3]。

虚拟现实系统的组成结构图如图1所示。从图中可以看出虚拟现实系统的组成以VRP漫游引擎为中心,其它的组成设备可以通过相应的接口与漫游引擎进行通信、数据交换等。3DS Max所建造的三维模型和Photoshop处理的贴图通过输入输出接口与VRP漫游引擎进行交互,漫游引擎处理模型数据并存储在数据库中,由数据库管理软件进行管理、维护、更新等,最后经过VRP-Builder编辑器的场景处理后由内嵌的VR浏览器进行浏览、交互漫游,整个虚拟现实系统也就设计成功了。

4 虚拟桥梁系统的设计

虚拟桥梁漫游系统在进行设计之前要经过大量的准备工作,本系统的设计流程如图2所示,下面就每一个设计过程做一个简单的讲解。

4.1 模型建立

在建立模型之前要把场景的尺寸与桥梁的真实情况保持一致,单位合理并做到统一。由于桥梁跨度比较大,结构比较复杂,在工程图纸上的度量单位一般是毫米,所以3DS Max中的显示单位和系统单位也都设置成毫米。在3DS Max中使用菜单栏的Customize菜单项里的Units Setup(单位设置)进行单位统一的设置,同时要把几何模型在视窗中的世界坐标和相对坐标都设置好,设置好几何模型的中心坐标[4]。

在桥梁虚拟漫游系统中也存在着不规则的物体,我们可以使用Loft(放样路径)等技术手段来生成不规则的实体。对主梁桥面这样具有固定横截面的实体,可以先绘制出二维横截面和路径,然后使用放样路径再生成三维模型。放样路径的使用比较简单,但是不好控制其参数的变化,控制不好就会影响整个系统的运行速度。

对桥塔、桥墩这类实体的构造,可以使用修改器列表里的编辑网格再加上Extrude(挤出)来形成三维模型。对长条状的实体如栏杆、拉索等,尽量不用模型而用贴图的方式表现,这是因为这些细长条形的物体只会增加当前场景文件的模型数量,并且在实时渲染时还会出现锯齿与闪烁现象[5]。

4.2 材质的设置

在完成场景模型的建立之后,即可为该模型添加材质。本文使用的是标准材质,对部分模型添加了纹理贴图。如果需要将物体烘焙为Lighting Map时,一般只能设置材质为Advanced Lighting、Architectural、Standard类型,而在要使用到其他材质时,一般需要将该物体烘焙为Complete Map。

无须在其他贴图通道里设置过多信息,因为这些设置在经过烘焙后,导入VRP编辑器之后,大部分效果都丢失了。如在Reflection(反射)通道里添加Flat Mirror(镜面反射),虽然渲染时看得到,但当物体经过烘焙导入到VRP编辑器之后就看不出来了。

4.3 灯光和相机的设置

VRP对Max场景中的灯光设置没有特别要求,按需要设置合理的灯光和阴影参数即可。本文使用的是Target spot,并添加了一个skylight,使用的阴影类型为Area Shadows阴影类型(也可以将其改为其它阴影类型)。场景中的灯光参数都是按照通常作图的布光方式进行设置的,对于相机的参数也没有特别的要求,而且相机不是必须的。

4.4 渲染与烘焙

VRP对应用什么类型的渲染器进行渲染没有严格要求,使用高级光照渲染可以产生全局照明和真实的漫反射效果;但应用标准灯光模拟全局光照,使用Scanline进行渲染其效果也很好。为加强真实感,在本系统中我们使用Max的高级光照渲染。按F10打开渲染面板,选择高级光照选项卡,然后选择Light Tracer选项。修改设置Bounces的参数,其它参数取默认值即可。渲染后的效果如图3所示,这里加入了周围场景。

烘焙就是把MAX中的物体的光影以贴图的方式带到VRP中,以求真实感,在3DS max中进行烘焙的工具是Render To Texture命令。在对3DS max 7中的场景渲染效果感到满意之后,首先在3DS max任意视图中选择所有物体(也可直接按下Ctrl+A组合键),然后单击RenderingRender To Texture命令,随后便会弹出Render To Textures对话框,依次修改参数并进行设置,设置完毕后点击Render开始烘焙。

4.5 虚拟现实软件中的设计

把上边的工作完成后,就要把在3ds Max中建立好的场景模型导出到VRP-Builder编辑器中进行后期的处理。利用VRP提供给3DS Max建模软件的VRP-for-Max插件,把场景中的模型导出至VRP-Builder中,导出过程非常自动化,对用户没有太多特定的要求。

在VRP-Builder中集成了一个可视化的二维界面编辑器,可以设计各式各样的界面,如添加面板、添加按钮、设置热点和动作等,在本编辑器中还可以对场景材质进行编辑。对场景贴图的优化,通过调整贴图格式减小贴图量,由于贴图量与贴图的面积成正比,因此在将其尺寸缩小为1/2后,其贴图量会缩小到原贴图量的1/4,改变贴图的压缩格式也可以减小贴图量。在VRP-Builder中可以创建场景相机、可以设置场景的碰撞检测、可以制作场景特效等功能[6]。

在对运行窗口各个选项设置完成后,单击工具栏中的运行按钮或F5,这时VRP-Builder会启动一个内置的浏览器,将用户所编辑的场景以最终产品的形式展现在一个窗口中。把所做的场景文件保存,最后通过简单的操作制作能够独立运行的Exe文件。

5 结束语

从以上设计研究中可以看出,VR-Platform平台具有很强的灵活性。虚拟桥梁系统主要由建模和交互漫游两部分组成,通过本文的研究为以后桥梁的设计、施工与维护提供了重要的依据,并结合数据库管理技术做到了实时、高效的信息查询功能,更高的可以为桥梁的监测做出进一步的探讨和研究,提供可视化的监测系统。

摘要：利用3DSMax建模软件和中视典数字科技有限公司自主开发的VR-Platform虚拟现实平台软件的结合,探讨了大型桥梁虚拟漫游系统的设计,介绍了虚拟现实的应用和发展前景,讨论了三维场景构建与交互漫游实现过程中所使用的技术,展现了虚拟现实技术在大型桥梁设计中的强大功能,证明了这种方案是切实可行的。

关键词：大型桥梁,虚拟漫游,三维场景,虚拟现实技术

参考文献

[1]周洪玉,王惠英,周岩.虚拟现实及应用的研究[J].哈尔滨理工大学学报.2000.5(4):49-51.

[2]任德记,田斌,李洋波.虚拟现实技术及其在工程建设中的应用研究[J].三峡大学学报.2002.24(2):139-142.

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