虚拟校园系统技术（精选12篇）
虚拟校园系统技术 篇1
1 虚拟现实技术的应用
虚拟现实是一种可以进行人机互动, 并可以逼真的模拟真实环境的视觉以及听觉, 可以以假乱真的新型技术, 简称VR[1]。这就要求必须实现遥感技术、全球定位系统, 以及地理信息系统的综合运用, 并结合三维可视化环境的一种仿真系统。在互联网高速发展的今天, VR已经不再仅仅局限在科幻电影中。在超越图文, 声效以及动画之后, 进入到一个全新的发展时代。本文介绍的一种方法, 是通过对Google Earth与三维模型的交互使用, 构建出辽源职业技术学院的虚拟校园仿真系统。通过对系统的构建, 可以为学院开展理论与实践教学一体化教学提供丰富实训资源。并且成为学院对外宣传的窗口, 加大招生宣传力度, 服务于学生等多功能并举。
2 虚拟校园的构建
本文采用的是Sketch Up建立校区建筑模型, 这主要是因为, Sketch Up不但操作简单, 而且功能强大, 并且可以与Google Earth进行数据交互。在学院模型建设完成后, 便于设计师进行模型的导入与导出, 实现学院场景和建筑物的虚拟现实的构建。Google Earth为用户提供三维立体的高清影像, 并且提供三维平台, 可供用户发布三维图形[2]。要想构建虚拟校园, 有平台还是不够的, 还要对校区内的建筑和场景进行建模。
3 总体规划
以辽源职业技术学院的实际场景为建模依据, 既然是仿真, 就必须尽可能接近现实。并且使用户在使用的过程中有身临其境的感觉, 也就是VR中常说的“沉浸感”。可以使用户更了解学校的环境, 以及提升学校知名度, 达到了认知与广泛宣传的目的。这就要求虚拟校园要实现网络化应用, 可以通过网页浏览。而且还要开发各手机平台下的APP应用, 可以使用户更轻松的访问。在前期准备过程中, 需要多积累原始数据和资料, 比如原始的CAD图纸文件, 照片等。在浏览的过程中, 访问者通过一些基本指令的操作即可实现漫游。甚至细到阳光的强弱, 天气的变化。另外一些周边功能的拓展, 学生以及老师的常见功能的开发等都是在总体规划时应进行考虑的。
4 虚拟场景建模
在进行完总体规划后应该进行模型的构建, 建模不是凭空想象, 必须要严格依照比例进行。这就要求前期的数据采集和整理要准确, 采集的信息要全面, 方式要科学。首先最直观的就是收集学院建筑的原始图纸, 校园规划图;其次要对建筑进行实地拍摄, 采用数字测量手段直接获取数据;最后对于细节图片进行透视处理, 以及无缝贴图的方法, 精细模型, 特别是树木、花草灯细节[3]。作为虚拟校园的主要建模部分, 各建筑物才是重点, 应该符合比例, 并且适当保留细节以及结合环境位置, 营造出更真实的仿真模型。
在建模的过程中, 利用Sketch Up的划线工具进行校园轮廓线的描绘。获取建筑物的标高, 并按照先整体后局部的原则创建轮廓。后用编辑工具进行细微部分的建模, 利用材质工具, 把细部纹理图片贴到建筑物表面。在贴膜的过程中, 需要运用ps软件进行初步的处理, 使建筑物与模型相匹配[4]。对于屋面的处理, 必须要结合卫星图像完成, 难点在与侧立面的处理。对于环境的处理要注意尽量做到简单、统一, 即要节省系统资源, 提高运行速度, 尽量简化, 达到视觉效果间的平衡。
5 结束语
在虚拟校园仿真系统的建设中, 综合运用了虚拟现实技术, 以及网络多媒体技术等。实现了集导航、仿真、交互于一体的多功能。用户可以通过浏览网页的方式, 进行人机互动, 实现数据的交互, 进行校园的漫游, 为数字化校园的建设提供了有力的保障。另外, 在开发虚拟校园仿真系统的同时, 应该从学院各专业开设的课程入手, 比如, 建筑类专业的《建筑构造与识图》课程, 可以从建模的时候就入手, 从图纸的识读到构件的模型建立, 以工作过程为主线, 建立课程体系。软件专业的学生可以围绕着虚拟仿真系统开发手机APP软件等。现今的VR技术发展越来越成熟, 能建模的软件也越来越多, 随着工程技术专业对bim的关注度越来越高, 用bim建模也成为VR发展的趋势之一。希望在不久的将来能看到虚拟现实技术更多的技术应用到实际。
摘要：作为数字化校园建设的重要内容之一, 虚拟校园仿真技术以其逼真的校园环境, 可视化的交互界面, 为数字化校园提供了整合交流的平台。本文采用三维建模与多媒体技术的综合运用, 实现了辽源职业技术学院校园实景的构建。该系统可实现校园交互式导航以及各种资源交流配置。
关键词：虚拟现实,虚拟校园,三维建模
参考文献
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[2]张晓宇.虚拟校园漫游系统的设计与实现[D].吉林:吉林大学, 2013.
[3]胡光军.三维虚拟校园自动漫游系统的设计与实现[D].山东:山东大学, 2013.
[4]张渭军, 孔金玲, 钟新科, 等.虚拟校园系统的设计与开发[J].计算机与数字工程, 2010, (4) :181-183.
虚拟校园系统技术 篇2
为了及时准确监视飞机运行的设备状态,设计开发了将高速数据采集卡、高频任意信号发生器与工控计算机等集成的虚拟仪器系统.该系统使用虚拟仪器技术,将更多的工作交付给软件,减少操作人员的`劳动强度.
作 者：敬良胜 作者单位：四川纵横仪器有限公司,四川,成都,610041刊 名：西南交通大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：37(z1)分类号：V241关键词：虚拟技术 仿真 数据采集 飞机
虚拟校园系统技术 篇3
关键词 虚拟现实 校园环境 人机交互
中图分类号： TP311 文献标识码：A
1 背景
1.1 国内校园环境建设现状
20世纪80年代以来，校园模式开始由封闭型向分散、开放型转变。这表现为：（1）学科建设不断分化、综合，学科教学用房不便交流向有机开放型转变：（2）许多高校形成了校园社区化的格局，校园空间内外开放：（3）学科界线被打破，交叉融合发展。校园基本特征的上述转变，要求在规划理念上，应该由传统的机械功能分区转变为以人为本的区域互动。传统教育以传授知识为主要目的，以教师、课堂和教材为中心，与之对应的建设规划和设计，则把教室、教学楼和教学区作为重点。而当今的教育即以全面提高学生的素质及其实践能力为目标，既重视课堂教学，又重视课堂外的教育。显然，与之对应的建设规划和设计，就应该同时重视教学空间。
1.2 国内虚拟导航发展现状
在当今电子信息技术迅速发展的时代，高校信息技术也随之崛起，校园虚拟导航技术也成了彰显校园规划信息建设优越性的一个方面。浙江大学CAD&CC国家重点实验室开发出一套桌面型虚拟建筑环境得实时漫游系统，还研制出在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学已经成功的虚拟出人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成等技术问题。
清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场现实中的关键技术——立体现实技术进行了研究，提出了一种基于JPEC标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。当前，我国专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发与推广，已具备了国际上比较先进的虚拟技术解决方案。
2 校园环境信息传达
2.1 国内高校建设趋势
现时期高校的“共建，调整，合并，联合”使高校的建设规模不断扩大，大学的功能也越来越多样化，因此，在这样的复杂环境中，我们有必要在校园里去建立结构层次清晰明了的空间整体秩序。以便于师生更好的去了解熟悉所在环境及更好的融入校园的学习生活当中。
“人塑造了环境，同时环境也塑造了人”随着现代高校规模的不断扩大，功能的日趋多样化，现代大学教育的内涵也在不断的发生改变，由原来的只注重传授知识技能向更加尊重学生的主体地位和提高学生的全方面素质方向转化。大学校园给予了师生一个自主自在的学习、交流、提高的场所，在知识经济快速发展的前景下，当代高校也在向智能化、开放化的方向转变。校园环境是一个师生交流、学科交叉、知识碰撞的充满个性化发展的场所。校园环境呈现出自然性、自然性、综合性和人文历史性的发展趋势。
随着高校规模的扩大，校园格局不断更新，校园的开放度不断提高，大学是老师以及学生学习、交流、生活、交通等基本活动场所。而随着全面推动全国校园信息化的发展进程，传统的指路标识标牌因功能单一维护更新困难而难以满足现实需要；广大师生群体对校园信息要求越来越高，要求更快、更便捷更充分的掌握最新的校园资讯；同时随着数字化、多媒体网络平台等信息科技技术的广泛应用和不断升级，校园信息化、数字化建设已成为一种时代的趋势。校园数字导航系统的开通势必会加快校园的数字化、信息化發展。
2.2 虚拟校园的运用
虚拟校园是通过先进的数字化技术，将学校的环境、教学信息等各种资源信息化。将学校风光和地图相结合，可以使采访者足不出户便可饱览校园风光，这不仅可以使广大师生更加便捷了解学校建设和周边环境，也给外来者提供了更加便捷的信息方式。也为学校树立了良好的对外形象。虚拟校园的建设也为校园规划提供辅助工具，虚拟校园与学校信息的有机结合，使导航操作界面焕然一新，虚拟现实技术可以通过三维立体显示。运用VR技术可以在多维空间进行模拟仿真，提供给师生们一个集视觉、听觉、触觉为一体的具有新鲜感的信息查询与介绍的方式。
到目前为止，虚拟校园的研究主要采用以下两种方法。一种是“基于真实图像的绘制技术”（IBR），另外一种是基于VRML的虚拟现实技术。现有的虚拟校园漫游系统一般是通过 IBR技术实拍现实的景物然后经过特殊的软件处理，形成一个以视点为中心的360度的全景图。国内的高校的虚拟现实技术大部分处于起步阶段，具有代表性的高校是武汉理工、海南大学、北京化工及北京交通等几所大学。其中北京交通大学采用的技术是基于真实图像的绘制技术，海南大学采用的是VRML建模技术。由此可见虚拟校园的建设对于学校的数字化信息化的发展具有重要的现实意义。
2.3 虚拟场景的技术支持
虚拟系统是一种可以体验虚拟世界的计算机系统，是一种集视觉，听觉，触觉为一体的虚拟计算机系统。是系统研发者将现实的世界通过三维技术所仿真的环境。通过人机交互技术，使受众在虚拟校园导航系统中观察漫游，有身临其境的感觉。用户可以自主的选择校园里的景点，并通过鼠标或触屏的方式进行漫步或改变，在设置的同时也给校园的景物进行配音及解说，并且建筑物也有真实的力学特征，如碰撞检测机能，杜绝发生穿墙而过情况。
同时虚拟系统的研发与传统的计算机图形学不同，虚拟现实技术强调的是三维图形的立体显示，通过VR 技术在多维空间进行仿真建模，在此同时为了使系统表现更加逼真更加符合现实生活中物体的运动规律，在虚拟物体受力之后，便会出现一系列反应，会向施力方向移动、翻滚、掉落等。虚拟场景强大的技术支持对于其发展前景也将起到推动作用。
3 结语
虚拟现实技术是支撑多维信息空间的关键技术之一，建立具有多维信息空间的和谐人机互动环境是未来信息技术发展的目标。随着校园规模的扩大，校园社区化的格局，校园空间内外开放的今天。虚拟技术的运用随着高校规模扩大化在响应“科教兴国”全面推动全国校园信息化进程的今天。虚拟校园技术不仅给广大师生及外来者提供更加便捷的第一手消息，也给校园的规划建设提供了辅助作用，也有利于提高学校的对外形象。虚拟校园技术的运用势必会有更广阔的发展前景。
参考文献
[1] 陈于仲编著.大学校园建设规划论.电子科技大学出版社，2008年03月第1版.
[2] 吴迪，黄文骞。虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋绘测，2002，22（6）. 15-17.
虚拟校园系统技术 篇4
虚拟校园作为一个比较新颖的展示方式,已经越来越受到各个学校的重视,它可以利用三维立体的方式将校园的总体概况展现出来。而且由于互联网的发展,越来越多的人在网上进行信息的发展,可以在线进行传播。虚拟校园漫游的检索和获取,而虚拟校园正是顺应互联网在表现方式上会显得更加的生动活泼,让人有比较高的沉浸感。
目前国内外研究的虚拟校园系统在实现方法上可分为两种,主要按照虚拟场景的构造方法来区分。一种是传统的基于几何建模的虚拟漫游技术,另一种是新兴的基于实景图像的全景技术。
几何建模技术主要研究对象是对物体几何信息的表示与处理,设计几何信息数据结构及相关构造的表示与操纵数据结构的算法建模方法。对于建筑通常采用面建模,用面片来表现对象的表面,基本元素多为三角形。几何建模法实现的虚拟校园系统中虚拟景观大多具有精确对应的几何模型,得到的场景比较细腻、逼真,同时便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互[1,2]。
全景技术是一种基于图像绘制技术生成真实感图形的虚拟现实技术,是一种基于图像处理的技术,它是把相机环绕四周进行360°拍摄的一组校园实景照片拼接成一个全景图像,用一个专用的播放软件在单机或网络上显示。全景技术有其优点,无须复杂建模,通过实景采集获得真实的场景,制作流程较简单。但交互性有限,只能基于一个固定支点控制环视的方向进行浏览,沉浸感稍有欠缺。
本文重点探讨如何使用几何建模方法构建南广学院整体校园环境的三维模型,主要研究如何对模型进行优化,即使用尽量少的面来表现建筑特征。用户需要与系统进行交互, 在这个过程中所看见的每一帧画面都是实时渲染出的。实时渲染对显卡、CPU、内存等配置的要求很高,细节越多所占用的计算机资源就越大,会影响整个系统的运行速度。为了使程序能够在更多普通配置的电脑上运行,必须考虑精细度与运行速度之间的平衡。
除此之外,本文更着重于探究除了环境漫游以外的其他交互功能。目前国内虚拟项目主要实现的功能只停留在漫游层面,用户在这样一个较大的场景中随意漫游,缺乏目的性,仅对外部景观的游览也并不能完整地体会到学校的办学理念与宗旨。本文提出基于Unity3D游戏引擎的三维虚拟校园系统的功能设计架构,对如何实现交互控制和漫游功能进行了详细的分析,使用Java Script语言编写程序脚本,利用脚本来控制各个部件及事件发生,最终实现一个以开放式游戏方式进行的虚拟校园体验系统。
2核心技术(Coretechnology)
2.1建模技术
3D建模就是使用计算机描述一个系统的行为,使用计算机以数学方法描述物体和它们之间的空间关系,应用程序和数据建模是为应用程序确定、记录和实现数据和进程要求的过程。
本文采用3ds Max进行3D模型的构建,3D Studio Max,常简称为3ds Max或MAX,是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3ds Max的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3ds Max的掌握程度也有不同的要求,建筑方面的应用相对来说要局限性大一些, 它只要求单帧的渲染效果和环境效果,只涉及比较简单的动画。片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大,特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些。影视特效方面的应用则把3ds Max的功能发挥到了极致[3]。
它的所具有的特点是:功能强大,扩展性好。建模功能强大,在角色动画方面具备很强的优势,操作简单,容易上手。与强大的功能相比,3ds Max和其他相关软件配合流畅, 做出来的效果非常的逼真。
2.2引擎技术
Unity3D是由丹麦Unity公司开发的游戏开发工具,这个引擎采用可视化编辑和写脚本代码进行控制相结合的开发方式。其中包括了图形、音频、物理、网络等多方面的引擎支持,有一个非常开放的设计平台,所应用的语言简单,人机交互界面比较直观,所使用脚本语言也较容易上手,通过脚本控制可以实现包括界面设计等非常多的功能。在渲染效果上,能够提供给用户非常美观的场景画面;在渲染速度上, 实时渲染,速度非常快,可以快速预览效果;在开发难度上,给用户提供了更多方便快捷的工具,交互性更强,可视化编辑部分强大,操作较为简便,易于实现[4,5]。
3场景构建方法(Scenebuildingmethod)
中国传媒大学南广学院虚拟校园开发流程如图1所示。
作为建筑模型,首先要在建模之前将每一个建模对象的图像进行采集,以便在建模时进行比对。本系统图像采集分为三个部分。
3.1CAD图纸的获取
利用CAD规划图纸可以更好的对校园中各个建筑物的位置有一个明确的定位,较准确的把握建筑物之间的间距等。 规划图纸如图2所示。
3.2卫星地图的使用
规划图在某种意义上来说只是对校园的总体规划,而在细节方面会与实际情况有所偏差。同时使用Google earth作为校园卫星图的采集软件。另外,通过网络查找校园总体轮廓图,如图3所示为航拍图。
3.3实景照片的拍摄
收集素材在整个系统的设计过程中相当重要。利用数码相机拍摄校园建筑物及各种物体作为纹理贴图,或者作为建模时的参考标准。如图4所示为部分纹理贴图。
4互动功能实现(Interactivefunctionimplementation)
在虚拟校园系统的实现过程中,主要采用三维建模、渲染及引擎技术等来完成整个虚拟校园的设计。构建过程中更着重于使用脚本程序实现交互功能。
4.1功能设计
虚拟校园系统的基本功能包括:GUI界面控制、文字介绍、背景音乐、小地图、照片展示、系统信息等。
系统的浏览模式设计为三种:自由模式、摄像机漫游、 跳转目标区域。
在自由模式下用户可以通过鼠标及键盘结合操作,在场景中随意行走观看,自由度较大。
摄像机漫游模式中,摄像机会沿设定好的路线运动,类似视频介绍,为避免与自由模式重复,主要在高空以俯视角度向用户做展示。
跳转目标区域则为了方便用户选择,可以省去行走过程,直接跳转到目标区域,例如图书馆或者操场等。
4.2系统功能实现
在游戏引擎中,脚本(Script)创建后必须附加在物体上, 此时脚本才会生效,对被附加的物体进行控制,脚本信息会显示在此物体的Inspector面板中,已经被申明的公有变量, 可以直接在Inspector面板中进行修改。
脚本不能直接作为Game Object被调用,需要使用Get Component()语句来实现脚本的调用功能。下文介绍几个主要功能的实现。
4.2.1绘制GUI
本系统主要使用两种GUIStyle:标签(Label)和按钮 (Button)。绘制Label的基本语句为:
Label(position:Rect,text:string,style:GUIStyle)
以程序中使用的完整语句为例:
运行后会在屏幕上以左上角为坐标0点,(38,15)点为起始点,绘制宽286像素、高438像素,背景为pic样式的Label。
绘制Button的方式与Label基本相似,本系统设定在1024*768的尺寸下运行菜单界面的效果如图5所示。
4.2.2状态控制
系统采用大量按钮设置,每个按钮都有对应的操作,此时需要用状态控制语句来实现。具体思路为,定义moshi为整形数值,初始为0。点击左边第一个按钮,模式值改变为1, 第二个按钮模式值改变为2,依次设定,当模式值不同时执行不同操作。
4.2.3背景音乐
在场景中 新建一个 空物体 ( G a m e O b j e c t - C r e a t e Empty),将Audio Source拖给此物体作为部件。这样一来就可以使用程序控制音乐的播放状态。本系统设置了三首曲目,可以选择三首中任意首播放,或关闭音乐播放。
通过audio.Play()和audio.Stop();语句控制场景中音乐的播放状态。
4.2.4小地图
小地图对于虚拟漫游系统来说是必不可少的,特别是当场景较大的时候,用户若不清楚所在位置,游览就会变得缺乏目的性。有多种方式可以实现小地图效果,本系统摒弃脚本编写,用另一种更简单灵活的方式完成小地图的制作。重点在于灵活利用摄像机的基本属性。
首先切换到顶视图,暂时关闭光源及摄像机的显示,对顶视图进行截图,存储为带通道的格式。然后创建一个平面 (Game Object-Create Other-Plane),改名为map,赋予顶视图截图材质,在顶视图中用缩放功能对map与实际场景进行适配。创建一个相机,面向plane,将其Clear Flags设置为Depth Only,勾选Orthographic,Depth设置为1,Culling Mask选择map层。调节X与Y值使小地图显示在界面合适位置。
5系统优化与测试(Systemoptimizationandtesting)
虚拟校园系统场景较大,需要对其建模环节进行优化, 建模环节的优化目标是尽量控制场景模型的复杂程度。为实现这个目的,我们所采取的设计方法是控制建筑物建模的网格面片数,外形尽量使用纹理贴图(处理成JPG格式或GIF格式)来代替模型造型,这样既减少了文件的容量和设计工作量,同时也可以达到逼真的视觉效果。在使用引擎控制系统时,对所有文件归类整理进行系统优化。
选择最低画面质量(Fastest)模式运行,画面中建筑边缘锯齿明显,线条较细的部分出现明显闪烁现象,GUI显示质量较差,摄像机运动顺畅,如图6所示。
选择最高画面质量(Fantastic)模式运行,建筑边缘柔和, 栏杆等细节显示十分清晰,GUI质量较高,摄像机运动略卡, 如图7所示。
6结论(Conclusion)
文章提出了利用几何建模技术和引擎技术来构建虚拟校园系统,无论是颜色或多边形的平滑程度都得到了大幅度的提高,而运行的速度却并没有减慢,这说明本系统在提升画质的同时并没有增加太多的多边形运算数量,在保证流畅度的情况下不断的提升图像的质量。
为了让用户更加沉浸在虚拟校园环境当中,在今后将进一步研究虚拟现实关键技术,优化系统,实现持续更新,完成功能俱全的虚拟校园系统。
摘要：虚拟校园是对现实大学三维景观和教学环境的虚拟化和数字化,是基于现实大学的一个三维虚拟环境。以中国传媒大学南广学院为实例,重点应用最核心的两大技术:建模技术及专业引擎,重点讨论了实现互动操作的脚本程序及虚拟校园场景构建过程中的优化问题等。设计并实现了一个具有基本漫游功能及互动操作的虚拟校园系统。
虚拟校园系统技术 篇5
表1 操作界面控件功能
编号
名称
功能
1
User Type
指示当前的用户类型( Operator 、Engineer 、Administrator )
2
Cycle Counter
预先可设置的翻盖次数，系统运行到达上限时该平台停止运行。
3
Start Angle 1
End Angle 1
拨片的起始角度(如 180° )和终止角度(如 100° )，通过微调( Jog )过程来确定。
4
Start Angle 2
End Angle 2
拨杆的起始角度(如 0° )和终止角度(如 130° )，通过微调( Jog )过程来确定。
5
Velocity
电机运动过程中的最大速度。
6
Acceleration
电机启动与停止时的加(减)速度。
7
Time 1-2
拨片开始往回动作到拨杆开始动作之间的时间间隔。
8
Time 2-1
拨杆开始往回动作到拨片开始动作之间的时间间隔。减小上述 2 个参数可以有效加快系统的运行速度。
9
Current Cycle
输出指示当前时刻的翻盖次数。
10
Cycle/s
输出指示当前时刻每秒翻盖的次数。
11
Left Time (h)
输出指示到预设的翻盖次数所剩余的时间。
12
Load Setting
按该控件从指定的文件载入上述的控制参数。并使拨杆、拨片到达载入的文件中所制定的位置。此时该平台其它控件不可用。
13
Save Setting
按该控件将上述控制参数存入指定的文件。此时该平台其它控件不可用。( Operator 用户不可用)
14
Initialize
系统初始化。( Operator 用户不可用)
使拨片、拨杆到达预定的初始位置并停止。此时该平台其它控件不可用。
15
Jog
微调操作。( Operator 用户不可用)
按该控件弹出微调面板，用户可以将拨片、拨杆微调至理想位置。
此时该平台其它控件不可用。
16
Test/Continue
开始(继续)测试。有以下两种情况：
⑴ 前一操作为 Pause 时按该控件表示继续测试，参数 #8 在原来基础上继续增加。
⑵ 前一操作为 Stop 或到达预设上限停止时按该控件表示开始新测试，参数 #8 从 0 开始增加。
此时该平台仅有 Pause 和 Stop 可用。
17
Pause
暂停测试。
此时系统停止运行，参数 #8 保持不变。暂停后该平台除 Pause 和 Stop 其它控件均可用。
18
Stop
停止测试。
此时系统停止运行，参数 #8 为 0 。停止后该平台除 Pause 和 Stop 其它控件均可用。
19
Setting File
Path
设置读取或写入控制参数文件的默认路径。
20
Change User
按该控件改变用户身份，登录成功后相应权限会发生变化。
21
Config
配置 NI PXI-7344 Board ID 及各轴与电机间对应关系。除非硬件连接发生改动请不要随意使用该控件并修改面板设置，否则可能导致系统无法正常运行。(仅有 Administrator 用户可用)
22
Exit
退出系统。
1) 运行程序，系统自动以Operator登录。
2) 系统开始对运动控制模块进行初始化，完成后弹出对话框询问是否需要载入控制参数，若选No则系统自动载入上次退出程序时的设置并使拨杆、拨片到达相应位置。若选Yes系统继续弹出对话框询问需要载入哪套平台的控制参数。选定后系统载入相应配置文件并使拨杆、拨片到达相应位置。
3) 若所测手机型号已有相应配置文件存在，跳至5)步。若该型号为初次测试，则以Engineer登录。按Initialize控件使该平台初始化。
4) 按Jog控件进入微调模式。将夹具微调至理想的起始位置和终止位置并记下对应角度值。按OK控件回到主面板并将控制参数#2、#3改为微调得到的结果。按Save Setting将当前设置存成新型号的配置文件。
5) 按Test/Continue控件开始测试。
6) 此时有3种不同情况：
① 等待翻盖次数到达控制参数#1所设上限后该平台停止运行。
② 按Stop控件停止操作，控制参数#8复0。
③ 按Pause控件暂停操作，控制参数#8保持当前值，可以调整控制参数后继续测试。
7) 按Exit控件退出测试系统。
4. 结束语
虚拟校园系统技术 篇6
关键词 增强现实 虚拟校园 手机应用 遗址重现 校园历史文化
中图分类号：TP393 文献标识码：A
0前言
随着计算机和网络技术的飞速发展近年来，增强现实技术作为人机接口和仿真工具，被称为21世纪最具应用前景的三大技术之一，受到的关注日益广泛。近年来，随着移动设备计算能力增强和对网格计算环境的关注、对户外增强现实系统和支持分布式协同操作增强现实系统的研究明显增加。国外已有许多增强现实的案例，但国内对增强现实技术的研究任处在起步阶段。针对这种现状，本研究就是将移动设备与对户外增强现实系统结合起来，利用一个手机app应用，将镜头对准校园某个建筑物，就可以重现建筑遗址，追溯校园的历史故事，查看别人在此地留下的留言合影，或者他人关于这个建筑的评价会浮现在画面之上。通过这款基于增强现实技术的手机应用，针对校内师生拿出手机扫描校园车站点，可以通过这款手机应用来查看校车还有多久到达；扫描食堂时还可以获知有哪些美味可口的饭菜。针对外来游客，通过这款手机应用可以获知想去地方的路线，最近的运动场在哪里等等。
1增强现实技术的科学依据
增强现实是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。它不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。同沉浸式的虚拟现实相比，增强现实不但应用的场合广泛，而且更加安全。
2增强现实技术的發展现状
人们对增强现实的研究是从1990年代初期开始，当时需要昂贵的硬件设备。初期主要实现方式采用HMD（Head Mounted Display）。随着个人电脑的性能不断改进，2007年左右AR的概念开始逐渐的在专门的研究者之外流传开来。现在小型照相设备的高解析度化，以及各种Sensor的发展，移动设备上也可以实现增强现实。HMD设备的进化，越来越接近实用。
计算机图形技术领域的先驱者Ivan Sutherland和他在哈佛大学及犹他州州立大学的学生就共同开发出了最早的AR系统模型，它提出Ultimate Display（终极显示）一词，用来描述计算机图形的显示系统，可以追踪人的头部以更新显示，让用户犹如置身于虚拟现实中，所以，他被认为是现代虚拟现实的先驱。此后，从70年代至80年代，在美国空军基地阿姆斯特朗实验室、NASA艾姆斯研究中心和北卡罗来纳大学的实验室中，都有少数研究人员从事AR系统的研究。到了90年代，波音公司研究人员曾经开发出试验性的AR系统，用以在工人组装线路时提供辅助。近十年中，硬件价格的急剧降低使AR系统实验室设备的价格降到可以接受的水平，从而带动了新一轮AR系统研究的高潮。从1998年起，全世界AR系统的研究者每年都要召开一次会议，交流最新的研究成果。
3基于增强现实技术的设计应用
当你想知道今天的天气情况的时候，还是在听新闻联播之后的天气预报吗？当你想知道哪辆公车可以回家的时候，还是要挨个公交站牌去找寻么？当你想认识一个漂亮mm的时候，还是要鼓起勇气跑上前去跟她搭讪吗？当你在街上游荡，想找到一家吃晚餐的地方的时候，你还是查完大众点评查谷歌地图吗？如果现在有一种技术，可以让你想知道天气的时候，直接仰望苍穹；想知道公车信息的时候，直接去问公车；想知道mm信息的时候，直接扫描mm本人；想找附近吃饭的地方时，直接摄像头环绕周边……会不会听上去有点离谱呢？其实这项技术已经发展的非常成熟了，就是增强现实技术。新的技术，将彻底打破互联网与现实的界限，那就是现实增强技术。
这项技术将在不久的将来使我们的生活发生彻底的改变。互联网将降临现实世界。此次基于增强现实技术的虚拟校园手机app项目研究基于再对国内外增强现实的研究应用的基础上，提出新的期望与方向。期望我们能把我们的校园建设、学校历史、人文关怀等方面直接融入我们的生活。也是把户外增强现实系统和用户需求结合起来。通过这款基于增强现实技术的手机应用，拿出手机扫描校园建筑，就可以重现建筑遗址，追溯校园的历史故事，查看别人在此地留下的留言合影。针对校内师生，可以通过这款手机应用来查看校车还有多久到达，扫描食堂时还可以获知有哪些美味可口的饭菜。针对外来游客，通过这款手机应用可以获知想去地方的路线，最近的运动场在哪里等等。
参考文献
[1] Brian Fling。移动应用的设计与开发[M].马晶慧，译.电子工业出版社，2010.
[2] 曹倩.实验互动装置艺术[M].中国建筑工业出版社，2011.
[3] 方兴，蔡新元，杨雪松，等.数字化设计艺术[M].武汉理工大学出版社，2004.
[4] 王正盛，陈征.VRP11虚拟现实编辑器标准教程[M].印刷工业出版社，2011.
虚拟校园系统技术 篇7
虚拟校园是基于虚拟现实技术之上,不仅将校园的真实面貌在计算机上还原,供用户观看,而且能将各种基础数据集成到该系统中,提供校园的地理信息数据及其他空间数据,实现一个真正的数字化的过程。虚拟校园的构建对于一个学校有着极其重要的意义。
1 虚拟校园漫游系统的设计
虚拟校园漫游系统的设计主要工作在于三维场景的建模及漫游引擎两部分。在当今流行的三维建模工具中选择了专门针对复杂的虚拟场景建模的工具Creator。它作为一个VR视景模型开发工具,其优势就在于大型场景的地理环境生成,高效快速的实现实时场景的绘制。而构建出来的虚拟场景如果没有一个好的驱动引擎,还无法实现实时漫游,本系统中的驱动引擎采用了Vega,达到了控制和渲染虚拟场景的目的,从而产生了实时漫游系统。以下是虚拟校园漫游系统设计流程图。
2 Creator建模的关键技术详解
2.1 实例化技术
在虚拟场景中,有大量的模型会重复的使用,比如道路两旁的树木,建筑物中的支撑物柱子等等对象。我们可以将此类对象作成一个实例,即模型数据库中某个对象的一个参考副本。在使用实例化技术(Instance)时,仅仅只是创建了一个指向模型数据库中的模型对象的指针,并没有完全的复制该对象,因此,可以大大的节省磁盘空间以及减少对内存的占用。如图2所示的校园生活区的多栋学生宿舍楼,由于宿舍楼外观形状大小均一致,所以采用的实例化技术,以节省系统的内存空间和磁盘存储空间,从而改善实时系统的运行性能。
2.2 层次细节模型
随着场景中模型的数目逐渐增多,构成模型的几何体的面数也越来越多,随之而来的问题是场景的渲染速度随之下降。通过采用层次细节模型(LOD)技术,可以很好的解决复杂场景显示与计算机运行速度之间的不协调。
在Creator中建模,LOD技术的中心思想就是,当场景远离视点的时候,用多边形数相对较少的低LOD显示模型对象,当视点越来越靠近模型时,逐渐用越来越清晰的高LOD来显示,反之亦然。如图3所示,对校园办公楼的部分楼体采用了LOD模型,在制作的过程中,首先将细节复杂的模型创建后,逐渐删除细节部分,直至剩余大体轮廓模型。
2.3 纹理映射技术
纹理映射技术在场景建模中多处应用,纹理映射(Texture Mapping)是一种将二维图像
映射到一个几何形状上来产生特殊效果或真实感的一种技术,并不是实际的几何模型。纹理映射技术对不规则物体的建模起到了非常重要的作用,比如花草树木等外部景观的建模。
采用纹理映射技术不仅并不丢失物体的逼真性,由于多边形面的减少,占用少量的系统资源,提升运行速度。同时也能模拟出此类物体的细节,使模型有着鲜明的色彩、贴图特征等。正是应用纹理映射技术,用图像就能模拟出实体的细节,提高模拟的逼真度和显示速度
2.4 公告板技术
布告板技术(Billboards)是用单个多边形表示不规则形状的对象的一种简单方法,一般可以使用布告板技术表示电线杆、树或人。方法是将要表示的物体的纹理照片贴到多边形表面,然后在运行时让多边形总是面向观察者。使用布告板技术可以显著的减少多边形的数量,提高模型运行的效率。
如图5就是公告板技术制作的树,另外还有一种叫做十字交叉法的技术,它是用两个十字交叉的面来构造树的模型,在互相垂直的平面分别映射相同的树的纹理,利用人的视觉误差,感觉上是不同角度总可以看到相同树的图像。本系统中利用这两种方法,远处的树用十字交叉法,近处的树用Billboard法。
2.5 外部引用
本系统的虚拟场景中建筑物数目并非特别多,主要建筑物有技术中心,教学楼,办公楼,
学生宿舍等等,通常采用的方法是分别建模,以其中一个模型对象所在的文件为主,将其它模型用复制粘贴的方法加入进来,放到合适的位置,生成最后的文件。实际上,通过外部引用(External Reference)的功能,导入建筑物,更能大大减小文件本身的大小。因为使用外部引用,在主要的文件中只需要保存的是引用文件的路径和名称,而不用保存模型数据库,每个建筑物可以保持相对的独立,在需要修改时只单独的打开需要修改的文件进行修改,在主要文件中进行刷新操作即可,主要文件的其它模型不会受到影响。
3 结论
本文细述了在实现虚拟校园漫游系统中Creator建模中采用的关键技术。文中实现的虚
拟校园漫游系统有着较好的沉浸感和真实性,能满足用户对校园场景漫游的需要。不仅如此,本系统能与学校相关的信息平台结合,增加校园信息的展示,对于学院的建设有着良好的宣传作用。
摘要：该文详述了在MutiGen Creator及Vega这两种虚拟现实专业工具的基础上,实现了虚拟校园的技术路线,重点阐述了建模过程中的关键技术,实例化、LOD和纹理映射、公告板技术、外部引用五个关键技术,并且给出了这些关键技术在本系统中的应用实例。
关键词：Creator,虚拟校园,三维建模,漫游系统
参考文献
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[4]赵红领,曹明亮.虚拟校园三维漫游系统中的关键技术[J].河南教育学院学报,2006(4).
虚拟校园系统技术 篇8
国内在20世纪80年代末开始进行此项目的研究,但现在还处于一个初级阶段。这项技术在我国虽起步较晚,但现在已受到国家相关部门和科学家们的高度重视,并结合我国的国情,制定出了一系列有关本项目的研究计划与目标。例如九五规划、国家自然科学基金委、归家高技术研究发展计划等都把VR列入研究项目。同时国内一些重点院校,也正在积极地投入到这一项目领域的研究工作当中。
2 数字化虚拟技术在校园导视系统设计应用的目的与意义
传统的校园展示多以二维以及影像视频为主,而随着时代的发展,数字化技术越来越被大家所认同,它能够将二维以及三维图像集于一身,更加直观、清晰地为用户提供所需信息,相较于二维平面,数字化虚拟技术更具有科学先进性。
为能够充分展示出校园文化风采,提高学校知名度,数字化虚拟技术的应用能够很好的满足这一需求,同时也更为直观地展示出校园文化。基于数字化虚拟技术的虚拟校园漫游,结合虚拟现实技术、图形图像技术、计算机网络技术、计算机多媒体技术等领域的高新技术等,对校园的三维景观、建筑、地形和环境进行虚拟化和数字化,建立一个虚拟校园漫游系统,该系统能够全方位地展示校园的各种环境,具有较强的交互性,用户在虚拟校园中漫游会有身临其境的感觉,也能够对虚拟校园中的实体进行全方位的观察、操作和访问,并能进入部分建筑物内部进行体验。
本系统能够为学校树立一个直观且全方位的校园形象,也对我校知名度的提升以及校园管理朝着现代化与技术性的方向发展与推进。数字化虚拟技术为校园的规划以及建设、观光指导、校园内外宣传能够提供一个系统化、智能化的平台,也为用户们提供了极大的便利。本项目希望在立足于数字虚拟化技术的应用基础上,能够形成一套对南航校园导视系统的实践与应用。
3 数字化虚拟技术在南京航空航天大学校园导视系统设计中的应用
3.1 南京航空航天大学校园导视系统的数字化设计概念
导视系统设计是传统建筑设计与视觉传达的中间学科。在现代城市生活中,鉴于当今对导视系统空间的认识,我们大致可以分为两种不同的类型———开放型和封闭型。不同的空间形式对于导视的要求都具有各自科学和人性化的导航设计。导视系统所针对的对象可以简单地分为组织化和非组织化两类,组织化的导视系统只希望被组织内部的人懂,而非组织化的导视系统针对的是大众,一般我们常见的导视一般都属于非组织化的。
该项目立足于数字化虚拟技术,强调虚拟模型仿真性、动态性、交互性,以多点切入的动画特效技术改变传统作品展示形式,试图分享一套无图纸化校园环境改造方案,通过多元化表现手段陈述校园特色、人文历史的同时,引导科学与艺术的人文关怀,通过校园环境设计在深度及广度上的剖析,同时运用三维打印技术生成微观模型并深化方案,营造跨学科探索设计表现的新型模式。
三维建模技术是当前计算机模拟方面的前沿技术,它能够将二维的图像拓展成为三维立体的空间模型,数字实体三维实景展示作为一种视觉新技术,能够帮助我们轻松的将现实中的场景制作用于网络、媒体及多种载体中进行展示与使用,其突出的特点是能够用数字化掌握校园地域结构在时间和空间的变化过程。虚拟建模结合全局光照技术,能够给作品带来现实中无法实现的效果。
作为校园景观的一个重要的发展标志,数字化导向系统的设计功能在不断丰富与发展中,这种形式能够充分呼应高校文脉的历史传承,同时也希望在运用这项技术的同时加强现实与历史的关联性。
3.2 南京航空航天大学校园导视系统的数字化三维场景设计
前期分析所要收集校园地理、地貌的平面图、校园建筑物的各立面照片、实物贴图的资料,根据校园数字化虚拟技术系统的需求,对其系统的结构与功能进行数据分析,采集相关的数据和资料,并使用PS软件进行图像后期处理。
在三维场景建模的过程中,首先对校园内某一建筑进行分析,由于地形、道路、花草树木、建筑以及其它的辅助设计建模方法,结合系统需要进行场景还原建模,力求创建出所占内存最小最优的模型。
根据测量出的实物尺寸的资料,在3DMAX中进行等比三维建模,然后将制作好的模型进行材质的处理贴图。之后根据虚拟校园漫游系统中建筑及环境场景的要求将不同分辨率的图像进行采集收集,将所收集到的图像进行大小、杂志、亮度、对比度等效果处理,再利用软件进行材质贴图,在建好的场景中添加灯光、天光等光照系统。最后进行调试渲染,使整个场景能够还原出现实世界的真实感和立体感。
数字化虚拟校园系统是应用三维可视化技术和虚拟现实等技术,以直观地三维模型代替传统的二维图形,使校园地理空间信息在电脑中立体化显示。
传统的校园信息展示都是建立在二维平面图像或视频影像的基础上,这种表达方式性能单一、交互性差;而我们所构建的三维数字校园是利用虚拟现实技术将真实的校园场景通过数字化模型再现到计算机中,用户对所构建的三维虚拟场景可以进行自由漫游,交互性强。因此数字化虚拟技术校园不仅能给广大用户占下厨一个更加真实和立体的校园环境,同时也能够为我校师生以及相关工作人员提供可视化浏览校园资源的途径,同时能够提供用户一个随时随地漫游校园的机会,是一个非常便利的对外宣传窗口。
3.3 南京航空航天大学校园导视系统数值化交互漫游界面设计
实时漫游作为每个虚拟现实系统的最终体验形式,可将虚拟现实漫游方式分为三种:一是自动式漫游体系。整体来讲是按照既定的路径。这就好像我们事先给定一系列的路径坐标点,然后用户依次路径这些给定的点的位置来体验我们的虚拟校园系统。二是查询式漫游体系。通过选择要到达的目的地,从而生成多条不同的路径供人们选择。三是交互式漫游体系。通过鼠标与键盘的操作,利用它们来选择行进方向。它可以生成一个不存在的视点,并能够在浏览器中查询到现实中每个虚拟的视角及位置。
4 结束语
本项目紧跟时代步伐,从艺术与科学的交叉点出发,主张利用科技改变设计的表现形式,利用科技促进设计的思维模式,利用科技验证设计成果。同时能够具有较强的应用价值,倡导环境设计成果展示向真实化、动态化、互动化的方向发展,通过数字虚拟技术中的三维面片建模技术、曲面布线技术、仿真渲染与交互技术系统性的构建出一整套属于南京航空航天大学的导视系统设计,并且能够结合案例及时总结相应的设计方法论与建立理论框架。
基于地图技术的虚拟校园技术分析 篇9
数字化校园是以数字化信息和网络为基础, 在计算机和网络技术上建立起来的对教学、科研、管理、技术服务、生活服务等校园信息的收集、处理、整合、存储、传输和应用, 使数字资源得到充分优化利用的一种虚拟教育环境。
虚拟校园是数字校园工程的重要组成部分, 是虚拟现实技术的一个重要应用, 理想的虚拟校园可以提供三维虚拟环境, 可支持对现实大学的建设规划、教学管理、学生生活服务以及开展其它校园活动辅助工作等。可以说, 虚拟校园将是未来校园数字信息化的一个重要发展方向。
Web虚拟校园的优势在于它的三个突破: (1) 突破了人们地域上的局限; (2) 突破了人们在时间上的局限; (3) 突破了普通地图图片只能观察校园平面结构, 不能查看建筑等实体设施的功能局限。
Web虚拟校园使人们可以足不出户, 就能随时随地面对三维立体校园场景, 获得对校园结构及设施更直观、更清晰、更深刻的了解和体验。Web虚拟校园的应用, 在扩大学校宣传、提升学校的形象方面起了很好的作用。
目前, Web虚拟校园技术主要有三种:一是Flash技术, 二是地图技术, 三是插件技术。通过其中任意一种技术, 即可实现在网页内浏览校园三维图形总体布局以及局部详细影像的功能。
二、地图技术
(一) 基本情况
随着互联网地图技术的流行, 一些高校开始借用这一技术, 将校园三维场景以网络地图的形式提供给浏览者。其技术核心是将整个校园图片分为若干等份的小图, 当用户查看、拖动、缩放时, 网页程序会根据屏幕上地图可见区域的需要, 调出应显示的各个小图, 并象铺地板一样, 将各小图“拚凑”成视觉上是完整的一幅大图。网页后台程序还会根据需要, 在地图上添加相关地点标注及链接。
采用地图技术的高校有哈尔滨工业大学三维虚拟校园 (http://map.hit.edu.cn/) 、西安电子科技大学三维虚拟校园 (http://map.xidian.edu.cn/) 等。
(二) 实现过程
使用地图技术虚拟校园的实现过程基本可分为四个步骤。前两步和使用Flash技术的制作过程相同, 后两步为:
1. 分割校园结构图形。
一般是先通过三维制作软件, 根据未来校园实景的缩放倍数, 将三维校园结构生成几种分辨率由高到低几个档次的图片。再将每一幅图片分割为多个分辨率为300*300的子图。这样当网页需要显示某个放大倍数的校园某个区域时, 只需从服务器上获取相应的几个子图片并拼接成完整局部图即可。
2. 设计网页。
这项工作主要包括:创建网页, 设计校园网地图显示、缩放、拖动的前台Java Script程序。
设计基于Ajax和数据库的地图热点、地图标注和超链接的后台添加程序。
(三) 技术分析
1. 技术特点。在技术本身层面上, 地图技术和Flash技术都属于网页制作技术, 属于互联网二维图片显示技术。
2. 应用效果。Flash技术和地图技术有着较明显的差异:
3. 运行效率及运行效果差异。
Flash技术由于需要加载完整大地图信息, 因此, 在初次打开网页时, 往往需要等待若干秒, 但随后操作流畅, 并且可实现无级缩放。
采用地图技术的网页在初次展示校园场景时速度较快, 但由于完成一次缩放地图需要重新加载一次整页图片, 因此, 缩放速度大打折扣。并且不能实现无级缩放。因此, 可以说, 总体运行效率和效果上Flash技术要好于地图技术。
4. 地图扩展功能差异。
Flash技术生成的是一个独立的Flash文件, 它在和数据库结合应用方面和地图技术相比, 不够灵活、不够丰富、扩展性差, 每次更新三维地图Flash文件, 基本上都需要专业人员参与。
地图技术一般都有后台数据库支持, 这使得地图网页上显示的数据能够随时增删改, 而且信息量可以说不受限制, 也无需专业人员参与。
三、Web虚拟校园调查
2011年12月底, 依据“中国教育和科研计算机网 (www.edu.cn) >>教育资源>>中国大学”中提供的高校名字及网址, 逐一查阅了1330所高校的网站。鉴于网络原因及某些高校网站未知的原因, 部分高校的虚拟校园相关网页未能打开。
对被调查网站虚拟校园应用的统计结果如下:
在1330所高校中, 共有53个高校的网站应用了Web虚拟校园技术, 占被调查的所有高校的4.36%。其中有30个网站采用的是Flash技术, 12个网站采用的是地图技术, 6个网站采用的是插件技术, 各种技术所占比例如图1所示。
四、虚拟校园的出路
从实现技术上看, 目前Flash技术还是主要的虚拟校园开发技术。然而, Flash技术已到尽头, 主要表现在:
首先, 微软公司的决定可能给了Flash最致命的一击:该公司将在其新一代操作系统Windows 8上有限支持Flash。
其次, HTML5标准技术的迅速发展, 使得Flash本来要实现而未能实现的功能在HTML5标准的网页中体现的非常完美, 从而进一步导致了Flash技术的淘汰。
再次, 随着PC在Internet连接设备中所占的份额越来越小, 大部分网站也将会因为主要侧重于移动设备, 逐渐进行更新, 从而不再需要Flash。
3D插件技术在移动设备应用越来越广泛的今天又不能适应各种设备的特定需要, 因此, 采用地图技术, 尤其是兼容HTML4和HTML5标准, 是未来的高校虚拟校园发展的最佳选择。
随着互联网地图技术的流行, 一些高校开始借用这一技术, 将校园三维场景以网络地图的形式提供给浏览者。其技术核心是将整个校园图片分为若干等份的小图, 当用户查看、拖动、缩放时, 网页程序会根据屏幕上地图可见区域的需要, 调出应显示的各个小图, 并象铺地板一样, 将各小图“拚凑”成视觉上是完整的一幅大图。网页后台程序还会根据需要, 在地图上添加相关地点标注及链接。
采用地图技术的高校有哈尔滨工业大学三维虚拟校园 (http://map.hit.edu.cn/) 、西安电子科技大学三维虚拟校园 (http://map.xidian.edu.cn/) 等。
摘要：本文探讨了基于地图技术Web虚拟校园技术的基本情况, 包括实现过程、技术特点、运行效果, 并通过调查分析, 指出地图技术还有很大发展空间, 是未来开发虚拟校园的主流技术。
关键词：Web虚拟校园,地图技术,Flash
参考文献
[1]张更路, 等.Flash技术在虚拟校园中的应用[J].电脑知识与技术, 2012, (10) .
[2]毛学刚, 李明泽, 范文义.三维虚拟校园的设计与实现[J].测绘信息与工程, 2008, 33 (1) .
[3]申蔚, 夏立文编著.虚拟现实技术[M].北京希望电子出版社, 2002.
[4]江辉仙, 张文开, 林广发, 黄万里.基于VRGIS的虚拟校园三维仿真技术应用[J].福建师范大学学报 (自然科学版) , 2006, (02) .
虚拟校园系统技术 篇10
三维虚拟校园是数字校园的基础和平台, 开展三维虚拟校园及相关课题的研究适应了信息社会发展的趋势, 具有重要的理论意义和现实意义。近年来,随着数字地球概念的提出,以及空间信息科学、计算机图形学和虚拟现实等技术的交叉融合发展,数字城市和数字校园开始涌现并逐步转变为现实[1,2]。国内很多高校也开展了数字校园的探索和研究,如香港中文大学、南京师范大学、中国海洋大学、华东师范大学等都纷纷进行了数字校园的建设[3,4,5,6]。
江西师范大学瑶湖校区以迎接70周年校庆为契机,围绕着学校基本建设进行生态打造与人文历史植入,建设成一个山水相依、树木林立、花草丛生、蝶舞鱼欢、天鹅白鹿齐鸣互应的人文生态新校园。由于时空所限,未必人人都能一睹为快,即使到访者,也往往或走马观花,或只欣赏校园一隅,无缘尽略风采。就算是久留于此地,如果没有专人介绍,也是难以理解和体会大学所承载的文化沉淀和历史渊源。建设数字校园,向公众展示大学校园美的内涵和外延,将会吸引更多学子前来学习、研究和交流,甚至吸引公众前来体验大学的神韵,让大学更好地服务于祖国的精神文明建设。
本文以江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统为例,详细介绍建设人文生态特色的虚拟校园的过程和方法。
2 系统总述
江西师范大学瑶湖校区占地总面积共3000亩,总建筑面积约77万平方米,校园内不仅地势复杂有山有水,而且还有诸多人文生态特色的景点,如正大坊、校址纪念碑、鹅湖湾、静湖等校园十六景。对于如此复杂大型的场景进行虚拟仿真建设,使用一般的虚拟仿真方法,将会在场景细节的仿真效果、场景在线的运行效率、场景的人机交互方式等方面面临诸多困难。
江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统从三点出发,针对性的解决以上问题:一从虚拟仿真平台技术出发,选择渲染效率高、在线发布稳定的VRP三维互动仿真平台作为三维渲染引擎;二从场景三维建模优化方面出发,采用一些特殊建模方法,达到效果满意且模型简化的目的;三从人机交互机制出发,利用位置交互式的信息点链接各种集成了多媒体信息的网页文件,尤其包括校园主要景点的360度全景展示,从而高效率地满足场景的交互。
系统将人文生态元素融入,逼真细腻地再现实际校园地理环境的真实情况,集成校容校貌三维漫游展示、虚拟化身漫游、校园智能定位导航、空间量测、学校历史文化介绍、景点360度全景展示和网络共享等多重功能,具有动态性和实时交互性的特点。使用者可以在系统中通过行走,鸟瞰以及选择不同的摄像机视图来多视角观看校园景观,也可以基于空间交互式地获取学校的校史校情等各方面的信息,以达到全方位认识江西师范大学的目的。系统由虚拟校园桌面系统、因特网和用户组成,用户通过Interne访问江西师范大学虚拟校园服务器,从站点入口进入网络虚拟校园系统,实现漫游和参观查询。下图1详细说明了系统总体技术路线:
3 数据准备
3.1 数据收集获取
通过资料数据的收集,获取校园CAD平面规划图、校园建筑设计及环境景观设计的CAD平面图和立面图、航拍影像图、遥感影像图等地图和空间数据;通过对校园内的复杂地形进行数字测量,获取详细的地形图数据;使用数码相机获取各建筑物的立面实景照片和各园林景观、道路的实景照片等纹理数据;利用360度全景摄影技术获取主要景点的360度全景照片;收集获取文字介绍、语音介绍、图片展示、视频展示等与空间位置相关的各种多媒体类型的属性数据,如校园十景的各种多媒体介绍信息;收集校园体现人文生态特色的各种鸟、蝴蝶、野鸭、天鹅、白鹿、鱼及花草树木等动植物形态特征数据。
3.2 数据预处理
综合获取的地理空间数据,利用Arc GIS软件对校园进行数字化,分成道路、绿地、水系水域、建筑等不同的图层。将测量得到的地形数据以数字化的方式录入Arc GIS软件处理后生成DEM数字高程模型或等高线数据,便于三维地形建模;使用photoshop软件对实拍照片进行处理,使纹理符合模型要求。将收集到的用于属性介绍的各种多媒体信息做好分类处理,并制作成集文字、语音介绍和图片、视频展示为一体的各个网页文件。
4 三维仿真场景构建
4.1 建模软件和驱动平台选择
虚拟现实中用于三维建模的软件有语言类和建模工具类,语言类如OSG、Open GL、VRML;建模工具类主要有:3DS MAX、AutoCAD、Sketch Up、Open Inventor、Pro/Engineer等。语言类的建模软件在建立三维模型方面,由于上手困难、开发周期长、仿真效果不佳等缺点,因此不适合于大规模高仿真场景的三维建模。经过综合考虑,该文运用3DSMAX软件制作校园模型。3DSMAX具有建模功能强大、扩展性好、操作简单、容易上手、和其它相关软件配合流畅等优点。
在驱动平台选择方面,本系统采用VRP三维互动仿真平台作为驱动引擎。VRP是一款三维虚拟现实平台软件。该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。除此之外,VRP三维互动仿真平台还提供了基于脚本方式的二次开发[5]。
4.2 模型建模
虚拟校园系统的主要工作集中在场景模型建模,场景模型的质量好坏直接影响到虚拟校园系统的整体效果。根据模型的不同精细程度及要求,利用3DSMAX软件使用针对性的建模方法对校园内的不同地理实体进行三维建模,包括地形、建筑物等基本地物和具有人文生态特点的特色模型建模。基本地物建模包含地形、水系、主体建筑物、辅助设施等;人文特点的地物建模有如健康小道、桃李鼎、杏岭书院、各种雕塑和标志性景观石头等;生态特点的模型建模包括花草树木模型和鸟、蝴蝶、野鸭、天鹅、白鹿、鱼等动态物模型。
地形建模过程中,主要使用等高线数据导入3DSMAX软件中,利用Terrain工具生成校园的基本地形,细节的地方通过转为编辑网格再做细化,然后再在基本地形的基础上把水系和道路模型建立。
建筑物建模过程中,参考收集的各个建筑物的CAD平面图和立面图,先将建筑的基本形状建成,然后利用处理好的建筑物纹理用3DSMAX材质和贴图工具渲染在模型上。
体现人文生态的模型建模过程中,雕塑和景观石头采用多边形建模方法,再通过细节调节细化,纹理采用uvw展开贴图的方法;树木则用十字面片贴图方法,其中贴图的质量效果要处理得清晰;动态物建模也是采用多边形建模,及纹理采用uvw展开贴图方法来制作,这种建模方法生成的模型具有更为逼真的效果,对于这些动态物还要使用3DSMAX动画工具制作相应的基本动作,如鹅和鸭在水中的游动、鸟和蝴蝶的飞行、鹿的行走和跑动、化身人物的行走等。
4.3 场景集成
三维模型准备完后,并且在模型按照指定的相对地理空间位置定位的前提下,把模型进行烘焙处理后,将模型通过3DSMax插件转换成VRP的导入格式,并导入到VRP三维互动仿真平台中进行集成。同时对模型进行相关参数的设置,如设置水面的特效、混合材质的特效、水边物体的倒影、地形和建筑物的物理碰撞等。从而完成虚拟校园三维场景集成。
5 系统功能设计与开发
VRP三维互动仿真平台拥有强大的界面设计模块、数据库模块和脚本交互模块,利用这些功能模块可进行虚拟校园系统的主要功能开发,具体实现了以下功能。
5.1 虚拟仿真系统基本功能
5.1.1 漫游
漫游是三维虚拟仿真系统最基本的功能。江西师范大学人文生态校园虚拟仿真系统具有三种漫游方式:路径漫游、自由漫游、虚拟化身漫游。路径漫游是基于几个固定的动画路线进行漫游;自由漫游中用户不用创建化身角色直接通过键盘和鼠标等外接设备的操作实现自主的漫游浏览;虚拟化身漫游是用户通过创建化身角色以虚拟化身的身份进入场景进行漫游,在漫游过程中还可实现行走和跑步等不同状态的切换。
5.1.2 导航
导航也是三维系统基本功能之一。使用者在虚拟场景中漫游时大部分关注场景的细节,很难对校园在总体上形成认识,往往一次漫游之后,并不清楚自己在校园里真正行走的路线,因此需要在系统中增加定位导航鸟瞰图的功能。使用者可以通过导航图查看漫游时的位置,同时也可以通过导航图快速定位漫游到想去的地点。
5.1.3 空间量测
虚拟校园系统作为一个三维立体虚拟环境,空间量测功能很有必要,使用者可以任意地量取所需的尺寸信息。空间量测功能包括三大块:距离测量、面积测量和点测量。
5.2 校园主要景点360全景展示
360度全景是通过对专业相机捕捉整个场景的图像信息,使用软件进行图片拼合,并用专门的播放器进行播放,即将平面照及计算机图变为360度全景景观[7]。
360度全景把二维的平面图模拟成真实的三维空间,呈现给观赏者,它同建模和平面图片形式相比,更具真实感,沉浸感强烈,给观赏者带来身临其境的感觉。
系统通过全景发布控件展示校园主要景点的360度全景,从而可以很好的补充和弥补虚拟仿真场景在某些方面表现不够真实的不足,更具真实感。比如人文生态的环境,用虚拟仿真的方式很难表现得非常真实,利用360度全景展示则可以充分的表现人文生态元素,与虚拟仿真场景结合,正好相互补充,虚实结合。
5.3基于空间的属性信息查询
使用者在校园虚拟漫游行走时,可能会对途经的主体建筑物、标志性景点等感兴趣。江西师范大学人文生态虚拟校园系统能对用户关注的三维物体以图片、声音、文字、视频等多媒体形式展示在用户面前,通过点击对象,来查询和浏览相应对象的集文字和声音介绍、图片和视频展示于一体的网页信息。从而,使用者通过基于空间的各种信息的查询,可以全方位的了解学校校史校情等多方面信息。
5.4 网络共享
系统利用VRPIE插件发布成虚拟校园网络版,用户不用配置软件环境,真正足不出户直接通过Internet访问江西师范大学虚拟校园服务器,从站点入口进入虚拟校园,即可实现漫游和参观查询。
6 结束语和展望
随着数字地球、数字城市的不断发展,数字校园正逐渐普及和深入发展,虚拟校园作为数字校园的基础和平台,其建设有着重要的现实意义。该文以江西师范大学人文生态校园为例,提出了以虚拟现实技术和三维仿真技术为核心,综合利用360度全景技术、GIS、多媒体信息和web网络技术,结合学校特有的人文生态元素,建立富有人文生态元素的三维虚拟场景的方法,并设计和实现了江西师范大学人文生态校园在线虚拟仿真系统。结果表明,这种方法建立的大规模虚拟场景在虚拟逼真度、仿真效果、运行效率和人机交互方面具有很好的优势。这一研究将虚拟仿真技术与人文生态理念相结合,为建设数字校园提供新思路,同时可以推广到园林、山河、湿地景观等虚拟现实应用中。
虚拟校园系统技术 篇11
关键词：Untiy3D；虚拟校园；建模；漫游
中图分类号：TP315 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）09-0060-04
一、引言
随着科技的发展，人们不再满足于以往的亲临校园，或者以视频、照片等方式了解校园风貌，再加上各大高校招生规模的扩大，人们希望用更加简洁、直观、现实的方式了解和管理校园，提高学校的知名度，促进学校的发展。这就迫切需要一种新的校园展示和规划、管理的平台[1]。在此背景下，三维虚拟校园应运而生。
三维虚拟校园是虚拟现实技术、计算机网络技术、图形图像技术、多媒体技术等领域的高新技术在教育领域的综合应用，是数字化校园和智慧校园建设的重要内容，它打破了空间的局限性，能够直观地、真实的展现交互式三维校园场景[2]。
本文针对目前国内三维虚拟校园仿真效果欠佳、缺乏互动性、开发周期长等问题，以山西大同大学虚拟校园为研究对象，以一种交互性强、渲染效果好、开发周期短的开发方法，设计并实现了一个具有视觉和听觉、交互性较强的三维虚拟校园漫游仿真系统。
系统使用3ds Max等工具进行场景构建，使用Unity3D作为开发平台进行漫游和交互的设计，实现了山西大同大学虚拟校园的自动漫游和自主漫游。自动漫游可使用户按照预先设定好的路线全方位地浏览校园的各种环境，以产生身临其境之感；自主漫游带给用户较强的交互体验和沉浸感，可使用户通过鼠标、键盘自主控制虚拟人的走向，按照自己的意愿游览建筑，通过导航地图的配合准确定位虚拟人所处位置，点击建筑物按钮实现建筑物内外场景的切换，使用户既能浏览校园户外风光，又能进入主要建筑物内部了解教学环境。场景解说和背景音乐的加入，更增加了用户游览的兴致。
二、系统总体设计
依据需求分析，系统开发主要包括两个部分，即虚拟校园场景的构建和虚拟漫游交互设计。
1.虚拟校园场景的构建
虚拟场景的构建要以真实校园为蓝本。在构建之前需要采集相关数据，即需要获取校园建筑的实际尺寸并拍摄建筑物的相关图片，为后期建模和贴图做准备。虚拟校园场景的制作过程较为复杂，涉及到的相关技术较多。
在进行虚拟场景制作时，首先根据校园建筑物的实际尺寸，使用AutoCAD绘图软件绘制整个校园平面图，以确定各建筑物的平面布局和位置。AutoCAD是建筑行业中首选的平面图绘制软件，它简单易用，功能强大。
绘制好平面图后，就可以利用3ds Max进行各建筑物及虚拟人物的建模，完成整个三维虚拟校园场景的创设。3ds Max功能完善，容易上手，具有多种建模方式，其中强大的多边形建模非常适合建筑类建模。
三维虚拟仿真校园的模型制作好后，需要为建好的模型赋予材质，以准确表达模型的色彩、纹理、对光的反射、折射等物理属性。
为了模拟真实校园场景，需要添加灯光效果以突出场景的层次感，使场景更加真实、自然。为了减少CPU的计算时间，可以采用贴图烘焙技术将光照信息变成贴图形式。
完成上述内容后，需要将最终完成的模型导出为Unity3D兼容的. fbx格式。
2.虚拟漫游交互设计
系统以Unity3D为平台对虚拟场景进行交互设计。Unity3D是一款跨平台的专业商业游戏引擎，用它创建的游戏能够发布到浏览器、个人机、移动设备等平台上运行。Unity3D功能强大，且具有很强的交互性功能，利用它可以更快、更容易地创建三维游戏、三维动画、建筑漫游等游戏类项目[3]。
将.fbx格式的模型导入Unity3D中进行校园漫游系统的设计，内容包括界面制作、自主漫游交互设计、自动漫游设计、建筑物解说和背景音乐的添加。
系统完成后还要对系统进行优化，最后打包发布成可执行文件。如上所述，虚拟校园漫游系统的总体设计与开发过程如图1所示。
三、系统的实现
1.前期准备
虚拟校园场景建立的目的是反映真实校园，为了符合建筑物实际情况，在搭建场景之前需要通过查阅历史资料和实地测量，获取建筑物的真实尺寸；为了能反映场景模型的表面质感、纹理、色彩等，需要通过高清相机拍摄建筑物表面照片，包括外墙、地面、路灯、植物等，然后利用Photoshop软件对采集的图片进行相应的处理，得到模型表面贴图。
2.绘制CAD平面图
在模型设计之前，首先根据查阅的历史资料和实际的测量数据，利用AutoCAD绘制山西大同大学整体平面图，以确定路面及建筑物的平面布局和位置，在宏观上对校园建筑进行把控，为后期整个校园场景的整合奠定基础。图2为大同大学北校区道路分布图，图3为学生宿舍平面图。
3.建模
绘制好平面图之后，就可以使用3ds Max中丰富的建模技术对室内外建筑进行建模。校园场景复杂，使用的建模方法也较多，对于不同的物体有不同的建模方法，同一物体也可能有多种建模方法。如何选择合适的建模方法，对系统的性能起到关键的作用。结合经验，将如何选择建模方法总结如下[4]：
（1）基本三维型体的直接建模：对于通过3ds Max中提供的标准几何体和扩展几何体及其相互组合便可完成建模的物体，可直接进行建模，比如日常生活中常见的规则的桌子和椅子。
（2）多边形建模：对于需以标准几何体或扩展集合体做为初始型体，但结构较复杂的物体，需将其初始型体转换为“可编辑多边形”或“可编辑网格”，并在编辑面板中选择点、面进行修改从而达到理想的建模效果。
（3）二维图形建模：对于一些形状复杂，不能使用标准几何体和扩展几何体起型的物体，可以尝试使用二维图形起型，然后通过添加相应的修改器将其转化为三维实体模型。
（4）复合对象建模：对于需要通过两个或两个以上的物体通过特定的方式结合成为一个对象的建模通常使用复合对象建模方法。需要通过两个或两个以上的相交物体进行合并、取交集部分或取差集部分实现的模型，可利用几何体的布尔运算进行建模。
（5）人物建模：对三维人物进行建模时，可采用面片结合多边形的建模方法，面片是通过点织网的方法来实现，即将许多面片按照实际需要连接起来，最终构成模型。
（6）贴图建模：对于使用常规建模方法会造成点数、面数太大的模型，在实际建模中可以根据情况使用贴图建模等方法实现。贴图建模用于植物和一些对模型要求不高、距离较远的物体的建模。
若建模过程中存在同一模型可使用多种建模方法完成时，应选用产生模型面数最少的方法。对远处物体进行建模时，由于视觉要求较低，可适当降低“分段”数以减少模型面数。
4.制作材质
建立好模型后，为了使模型达到仿真的效果，需要以真实物体为基准为模型赋予材质。材质决定了物体的表面属性。简单的说材质就是物体看起来是什么质地。它是物体材料和质感的结合。系统使用3ds Max附带的插件—VRay渲染器实现模型表面材质的制作，真实表现物体表面质感、纹理、色彩及其它物理属性，最终得到逼真的模型效果。
5.渲染烘焙
校园中的光照效果可采用贴图烘焙技术或灯光技术来模拟。使用灯光技术时，CPU会进行大量的计算，渲染速度慢。所以在实际制作时，可以采用贴图烘焙技术来实现对灯光的模拟。贴图烘焙技术可以将3ds Max中的光照信息渲染成一张贴图，然后将这张贴图再贴到场景中以模拟灯光[5]。这样处理可以很大程度上减少CPU的计算时间，加快系统的运行速度。
6.模型整合与导入
在各个场景制作完成后，需要根据前面绘制的CAD平面底图，把各模型放到对应的位置上，将各场景整合为一个完整的虚拟校园。然后将整个场景文件导出为虚拟交互平台所兼容的.fbx文件格式。然后将其导入虚拟交互平台中进行虚拟交互漫游的设计。若虚拟场景过大，不能在3ds Max中进行整合，可将整个大场景分为各个独立的子部分，将各子部分和校园CAD平面底图分别导入到虚拟交互平台中，在虚拟交互平台中进行模型整合。
7.交互漫游设计
将场景文件导入虚拟交互平台中进行虚拟场景交互设计。使用户可以通过必要的输入设备对场景进行控制，在场景中进行漫游，体验身临其境之感。为了便于使用还为不同的场景配上音频解说和文字说明。
（1）自主漫游的实现
Untiy3D中的对象必须绑定脚本才能实现逻辑判断，完成相应的功能，一个脚本相当于一个组件，绑定时只需拖拽到相应对象的Inspector区域即可。
1）导航功能的实现
系统利用KGFMapSystem插件实现导航地图的快速制作。主要步骤如下：
在Untiy3D控制面板选择“Assets-->Import Package-->Custom Packages”，在弹出框中选择已准备好的KCFMapSystem插件，并进行解压。将插件中的“KGFMapSystem”拖到Hierarchy中。将插件中的“KGFMapIcon_player”拖到“First Person Controller”下。将插件中的“KGFMapIcon_air_friend”拖到任意一个GameObject下。点击“KGFMapSystem”，将“First Person Controller”拖至“Its Target”上。在Layer中添加“mapsystem”。点击运行，生成的导航地图如图4所示。
2）碰撞检测的实现
碰撞检测（Collision Detection）也被人们称为干涉检测或者接触检测，是一种对物体在运动过程中可能出现的碰撞或者干涉进行检查的技术，主要目的是为了避免碰撞或干涉原来运动事件的发生。可以避免运动物体穿墙而过、穿过地面等现象的发生。
Untiy3D中的角色控制器可感应对象之间的碰撞，需要调用父类方法OnControllerColliderHit（）进行检测。在该父类方法中，使用hit.gameObject引用，即可获取角色控制器组件碰撞后的游戏对象。
3）人机交互功能的实现
在自主漫游模式下，实现按下键盘“W”、“S”分别控制虚拟人物的前进与后退，按下“A”、“D”分别控制虚拟人物能向左、向右运动。在此基础上点及鼠标右键可以实现环绕视角，滑动滚轮可以实现视角拉近与拉远，鼠标与键盘配合使用，让漫游者更加方便快捷。
其中使用键盘控制人物的主要代码如下：
（2）自动漫游的实现
系统利用在摄像机上绑定动画组件，预先设置好游览路线，通过播放动画剪辑达到自动漫游的目的。自动漫游分为行走模式和飞行模式，行走模式能深入室内游览各个角落，飞行模式可在空中俯瞰校园全貌，这样，让用户能在短时间内对学校有一个全面的认识，是校园漫游系统不可缺少的一环。
行走模式具体流程如下：
1）在“Hierarchy”面板中选择“Main Camera”，点击菜单栏中Component-->Miscellanecous-->Animation，这样“Main Camera”的“Inspector”面板中会出现该“Animation”组件。
2）点击菜单栏中“Windows”-->“Animation”，出现动画编辑界面。
3）回到场景三维显示区域，点击动画编辑界面的录制按钮，设置“Main Camera”路径帧，每一个路径帧是一个节点。
4）设置好“Main Camera”所有路径帧，重新点击录制按钮，保存动画，运行测试。部分效果图如5所示。
飞行模式是将摄像机置于空中，通过绘制曲线路径达到俯瞰校园的目的，与行走模式步骤相同，故不在此详述。
8.系统测试与发布
系统完成后需要对系统进行测试，根据测试结果对系统进行优化，确保系统性能良好后可进行发布。可以采用代理模型对模型进行优化，代理模型可以将模型的面数减少，从而达到内存资源消耗减少的目的。在此基础上，将“Main Camera”的“Clipping Planes”的范围调小，这样做可以使可见的视野减小，有效减小处理机压力。
系统测试成功后便可进行发布。在Windows系统下，发布时需点击菜单栏中的File->Build Setting。点击之后会出现一个场景编辑列表。点击工程面板中的各个场景，将它们拖到可编辑的列表中，场景后的数字表示渲染顺序，“0”号场景第一个渲染，点击Build将开始发布。
四、结语
三维虚拟校园的构建是一项较大的工程，往往需要多人分工完成。因而模型的规范显得更加重要。如模型命名问题、模型单位匹配问题、材质命名及“归档”问题、材质制作与模型制作同步问题等都会影响到后期的模型整合及系统性能。除此之外，建模中最关键的问题就是模型面数问题，它关系到三维虚拟校园系统的正常运行，在设计中应既保证满足用户的视觉需要，又保证模型中包含的面数最少。
参考文献：
[1][3]张明明.基于虛拟校园浸游的研究与实现[D].云南大学，2014.
[2]洪德法，卢文喜，李伟等.三维虚拟校园系统的设计与实现[J].地理空间信息，2012，10（1）：84-87.
[4]Li Wang.Researching of the three-dimensional virtual simulation campus scenes construction technology[J].The Open Cybernetics and Systemics Journal，2015（Volume 9）：1056-1057.
虚拟校园系统技术 篇12
人的信息感知约有80%是通过视觉获取的, 虚拟环境的好坏主要取决于其视景生成系统的好坏。人之所以对所见物体产生立体感, 主要是由双目视差造成的, 人的大脑通过这一视差差别对被观察对象产生立体感觉, 虚拟现实环境就是基于这一原理, 对用户的双眼分别产生两幅具有细微差异的图像, 而两只眼睛的视线有很大一部分是重叠的, 利用这种重叠而形成的深度知觉即为双目立体视觉[1]。
双目立体视觉成像原理[2,3,4]如图1所示。
图1中, 左、右投影中心分别为A (d/, 2, 0k) 和B (d/, 2, 0k) , 左右眼的距离为d, 视点到投影面的距离为k, 将三维空间物体上的任意一点P (Xp, YP, ZP) 投影到Z=0的X-Y投影平面上, 产生该点的像分别为M (XM, YM) 和N (XN, YN) 。
2、虚拟校园动态对象的双目立体视觉实现
虚拟校园动态对象 (如汽车整车模型) 的建立是基于CAD建立整车的三维几何模型, 通过IGES的数据接口转化为WTK可接受的数据格式, 再添加纹理、定义光源和材质文件来实现对汽车模型的表面建模;根据双目立体视觉成像原理, 在WTK软件平台上实现两幅图像的合成, 并以一定的频率相互转换, 利用人的视觉的迟滞效应, 通过虚拟现实硬件 (如红外发射器、立体眼镜等) 在人的大脑中合成立体视觉图像。
图2为在C A D中建立的某虚拟校园动态对象模型在W T K平台上实现的动态对象的双目立体视觉显示示例。
3、虚拟校园和图书馆场景的交互和漫游
3.1视点的设置
在虚拟校园动态对象虚拟场景的交互和漫游中, 首先必须设置视点。视点的设置有两种, 即设置在动态对象的内部或者外部, 分别获得不同的视觉效果。当视点设置在动态对象的内部时, 则可以观察到动态对象的内部情况, 实现对象的内部交互;视点设置在动态对象的外部时, 则可以观察到动态对象的外部情况, 实现对象的外部漫游。
本研究视点是通过三维鼠标等传感器来实现, 传感器的方位被自动记录并进行实时平移和旋转计算, 通过W T K有关函数来设定视点的方位, 再实现视点和虚拟场景中的实体的运动连接, 从而产生沉浸感。
3.2虚拟场景的交互和漫游
桌面式虚拟现实系统中, 虚拟场景的交互是采用键盘和鼠标来实现的, 由于鼠标操作灵活, 通过鼠标的移动来改变观察的视点, 控制动态对象的运动方向, 或实现虚拟场景的放大和缩小;通过立体眼睛或头盔来感受动静态模型在不同方位上运动图像。
3.3实时碰撞检测
当动态对象在虚拟环境中运动时, 应对动态对象与其它物体间进行实时的碰撞检测和响应, 从而增强交互的真实感。动态对象的实时碰撞检测, 主要是针对运动物体 (如汽车) 与虚拟环境中的静态物体 (如校园公路旁边的栅栏等) 的碰撞进行实时检测, 并做出响应。本研究是通过采用粗略碰撞检测算法来实现的。粗略碰撞检测算法是基于整个包围盒或包围球的碰撞检测, 只能大体检测物体之间的碰撞, 可以降低碰撞检测的复杂性, 使虚拟环境交互实时性增强[5,6]。
4、面向视景仿真的桌面VR系统开发
4.1系统层次结构
考虑到经济性, 确定开发的重点是虚拟校园和图书馆场景的生成和漫游, 使用户能够“沉浸”于一个由计算机生成的虚拟校园环境中, 并实现基本的交互功能和简单的构想。基于W T K开发平台, 开发了面向视景仿真的桌面式虚拟校园实时交互和漫游系统, 该系统由三层组成, 即:三维模型构造层、虚拟现实层和交互驱动层, 其基本层次结构如图3所示。
4.2系统基本配置
面向视景仿真的桌面式虚拟校园实时交互和漫游系统硬件系统基本配置:
(1) 微机:Pentium4, 主频2.4G, 80G/7200硬盘, 17英寸显示器; (2) 图形加速器:Quadro4 900 XGL, 虚拟现实系统专用;
(3) 立体图像观察设备:红外中央同步信号控制发射器、有线立体眼镜、无线立体眼镜;
(4) 头盔:Cyber CE 500s, 最大象素800×600;
(5) 跟踪器:含信号发生器和接收器;
(6) 空间球:Spaceball4000FLX, 6自由度虚拟空间和3D模型交互。
图4所示为所开发的面向视景仿真的桌面式虚拟校园实时交互和漫游系统硬件调试。
系统软件基本配置:
(1) 操作系统:Windows XP;
(2) 虚拟环境开发平台:WTK 9.0;
(3) 开发软件:VC++6.0;
(4) 建模软件:3D MAX;
(5) 分析计算平台:ADAMS12.0、ANSYS6.5、MATLAB7.2。
5、结语
本文研究了双目立体视觉成像原理, 为了增强虚拟环境的沉浸感, 通过C语言调用W T K的函数实现虚拟校园动态对象的双目立体视觉显示;探讨了视点的设置、虚拟场景的交互和漫游、实时碰撞检测处理等虚拟场景交互和漫游问题, 为了给观察者以漫游虚拟世界的感觉, 开发了面向视景仿真的桌面虚拟现实系统, 用键盘和鼠标等初步实现了虚拟校园和图书馆等场景的交互和漫游。
参考文献
[1]荆其诚, 焦书兰, 纪桂平.人类的视觉.科学出版社, 1987.
[2]Leonard McMillan, Gary Bishop Head-tracked stereoscopic dis-play using image warping, University of North Carolina, Depart-ment of Computer Science Sitterson Hall, Chapel HiII, NC 27599.
[3]Eli Peli, T.Reed Hedges, Jinshan Tang, Dan Landmann A Bin-ocular Stereoscopic Display System with Coupled Convergenceand Accommodation Demands.The Scbepens Eye Research Insti-tute Harvard Medical School, Boston, MA, USA.
[4]Carolina Cruz-Neirat Daniel J.Sandin Thomas A.DeFanti Sur-round-Screen rojection-Based Virtual Reality:The Design andImplementation of the CAVE Electronic Visualization Laboratory (EVL) , The University of Illinois at Chicago.
[5]罗亚波, 陈定方.基于微机的虚拟环境体系结构研究.武汉:武汉交通科技大学学报, 2000 (5) :497-500.