虚拟现实技术在虚拟校园开发中的应用

摘要：论述了虚拟现实技术的原理、应用现状；简要介绍了虚拟现实开发软件MultiGen Creator和Vega；对虚拟校园的三维仿真方法及关键技术进行了详细论述；并对基于虚拟校园的相关研究课题进行了瞻望。

关键词：虚拟现实技术；虚拟校园；可视化；MultiGen Creator；Vega

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0203-03

Abstract： The principle and application status of virtual reality technology were introduced. A brief introduction of the virtual reality developing tools―MultiGen Creator and Vega is given. The methods and several key techniques to develop virtual campus were particularly discussed. And the research tasks based on the virtual campus were put forward.

Key words： virtual reality technology；virtual campus；visualization；multigen creator；vega

1 概述

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术又称灵境或临境技术，它依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科，是在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、并行处理技术和高性能计算机系统等技术基础上的交叉学科。

虚拟现实系统按不同的依据可分为不同的类型，但究其本质，它是一种先进的计算机用户接口技术。它利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户投入到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互，从而最大限度的方便用户的操作，减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率[1]。

虚拟现实技术在近几年由于技术上的进步与成熟而迅速发展，其应用领域已由过去的娱乐与模拟训练发展到包含航空航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化、医疗、军事、教育、通信、艺术、体育等广泛领域[2]。本文简要介绍了虚拟现实开发工具MultiGen Creator和Vega，在此基础上着重探讨了虚拟现实技术在虚拟校园三维仿真中的应用。

2 虚拟现实系统的软件开发工具MultiGen Creator和Vega

目前，虚拟现实开发工具发展迅速，比较著名的有WorldToolKit、Vega、MR、dVS等。这些软件都支持从更高层次上开发虚拟现实应用，而且为用户屏蔽掉底层硬件上的差异，用户只要分析与实现虚拟现实应用本身，不需考虑不同机型、不同操作系统、不同接口的硬件差异[2]。下面就笔者所使用的美国MultiGen-Paradigm公司推出的MultiGen Creator和Vega做一简要介绍。

MultiGen Creator是一套高逼真度、最佳优化的实时3维建模工具，它能够满足视景仿真、交互式游戏开发、城市仿真等应用领域。Creator是将多边形建模、矢量建模和地形生成集成在一个软件包中的手动建模工具，包括多边形和纹理建模、矢量编辑和建模以及地形地表生成等功能子模块。它主要考虑如何生成逼真的大面积地形、地貌等地理环境模型，以及如何提高模型的实时性。

Vega是最核心的渲染工具，用于实时视景模拟的定义和场景的描述，是虚拟现实和普通视觉应用的开发和运行工具。Vega将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供快速、方便的建模、编辑和驱动工具。

3虚拟校园的可视化开发与研究

目前，虚拟大学有两种定义，并分别带来不同的研究和实践。一种定义是从信息、网络和多媒体技术的角度出发，虚拟大学被理解为一个以计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息载体；另一个定义是从因特网、虚拟现实技术、网上虚拟社区和3S技术的角度出发，虚拟大学被定义为对现实大学三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，是基于现实大学的一个三维虚拟环境，用于对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展等方面的研究。本文探讨真实表达和模拟江苏师范大学校园景观的虚拟校园环境的设计、开发和初步试验。江苏师范大学位于江苏省徐州市，校园总占地2200亩，由泉山校区、云龙校区、奎园校区和贾汪校区四部分组成。

3.1 3维虚拟地理景观的总体设计

在地理景观系统中，地理对象根据空间分布特性，可分为2类：一类称为地形景观对象，这类对象以场为基础，在空间上连续分布，如地形等；另一类称为地物对象，这类对象以离散实体为特性，以独立的个体而存在，如虚拟校园中的建筑物、树木、路灯等对象。地理对象的3维几何空间数据是三维地理世界建模的基础数据，其大数据量是三维地理对象实时图形处理的瓶颈。所以地理景观对象的建模是虚拟校园开发的一个关键部分。

数据库的层次视图结构对运行系统的实时性影响很大。一般来讲，层次视图的空间结构比线性结构和逻辑结构更有利于图像生成器快速剔除不在视锥体内的几何体。所以按空间结构形式组织的数据库具有最快的剔除速度。空间层次结构效率最高，适合于大中型数据库，故在虚拟校园中采用了这种结构，以减少剔除时间，提高系统运行的实时性。

3.2 利用LOD技术建立复杂对象的多层次细节模型

虚拟校园中有很多空间结构非常复杂的地形地物对象，如典型风格建筑物、复杂的地形对象等。对于这类对象，为了实现快速的图形计算与显示，提高系统的实时性，采用不同层次的几何和属性数据来表达。LOD（Levels of Detail）是细节层次模型的英文简称，其主要思想是用不同多边形个数的多边形网表达地理景观对象的不同层次的几何分辨率，用不同大小的纹理图象表达属性分辨率。对于某一地理对象，根据其在虚拟场景中与视点之间的距离、实时系统所能处理的多边形数、视觉特性等规则，构造一组该对象的不同复杂程度的三维表达。在模型驱动时根据所制定的规则，自动选择相应的显示层次，从而达到实时简化模型，又不影响视觉效果的目的。但当两个细节层次模型切换时，视觉上会有明显的突变。Morphing技术通过在相邻的两个LOD之间生成一个过度区，大大加强了层次模型过渡的平滑性[3]，减小了视觉动量的损失。

LOD的层次视图结构应有助于实时系统快速选中需显示的LOD节点。在模型系统开发阶段，为了工作效率和便利，LOD节点采用独立结构或添加式结构。但在这两种结构下，运行系统必须逐个检查每个节点以决定其是否被显示，这样增加了剔除时间。虚拟校园环境中有很多需要详细表达的复杂模型，为提高显示效率和实时性，必须将LOD节点优化成嵌套结构。采用这种结构使实时系统很快选中当前需显示的LOD节点和剔除与当前LOD节点不相关联的LOD节点，因而可以得到良好的剔除和绘制性能。

3.3 3维动态景观的初步实现

在本文的初步试验中，选择江苏师范大学工学院大楼及其周围的场景作为试验区，建立虚拟校园环境模型。

3.3.1 地形对象模型库的生成

江苏师范大学依山建造，整体地势有明显起伏，故校园地形的建模可分为两部分进行。对较平坦部分，将其简化为平面，用纹理映射来增加生动性；对地势起伏较大的部分，以校园地形几何数据为基础，根据实际地形和地貌的情况，利用MultiGen的地形工具进行建模。首先将高程源数据文件（USGS DEM、NIMA DTED等格式）转换成MultiGen所特有的DED（Digital Elevation Data）格式，然后将.ded文件输入到Creator中，选取生成地形的区域，设置影响地形生成方式的参数，之后生成地形的多边形表示。

3.3.2 地物对象模型库的生成

虚拟校园环境中的地物对象有建筑物、路灯、树、广告牌等。对于箱体式建筑物，可将其看作由顶面和各个铅垂墙面组成，为增加模拟的真实性，在各个面上映射从现实世界中采集到的纹理；而对于树木等从任何角度看都大致相同的物体，可采用两个相互垂直的平面，映射相同的纹理来实现。树木、路灯等对象具有这样的特点，即在虚拟场景中大量存在并且形状大致相同（仅位置和大小存在差异）。若对每一个这样的对象都建立其几何模型，将占用大量的系统资源，使运行系统的实时性降低。对这类对象，可以只建立一个几何模型，然后对其进行实例化处理。如图1所示，左边4棵树是最右那棵树的实例，只有最右那棵树的模型占存储空间。

对于离散的地物对象，应先进行三维处理与表达，然后根据其在现实校园中的地理位置坐标、实际大小、地物朝向和纹理结构等，将其匹配到虚拟地形对象上，建立可构成虚拟校园环境的三维地物对象数据库。

三维虚拟模型数据库建立以后，为提高实时系统的运行性能，还必须对三维模型结构、层次视图结构、纹理数据格式、LODs结构以及光源、自由度 （DOFs）等进行优化处理。通过优化能有效提高运行系统的实时性和绘制速度，保证虚拟现实系统的沉浸、交互等特性得到充分体现。

3.3.3 维动态景观的初步实现

MultiGen CreatorPro中创建的地理对象模型数据在实时系统Vega中驱动，实现三维动态景观。Vega提供了2种方式实现虚拟场景的实时驱动：可视化编程方式和VegaAPI函数编程方式。需设定的参数主要有虚拟场景中要加入的3D模型文件（Object）、虚拟场景中要显示的目标、在虚拟场景中的观察方式、观察者在虚拟场景中的运动方式以及环境效果、光源和声音效果等。如图2所示是工学院大楼及其周围景观的场景图，可以看到仿真效果很好。

4 结论及进一步的工作

三维虚拟校园环境是分布式虚拟环境在教育和学习方面的应用。本文从地理对象建模、虚拟环境可视化方面，讨论了虚拟校园系统的环境设计，并以江苏师范大学工学院大楼及其周围的场景作为试验区，进行了初步试验。虚拟校园环境是最终建立可用于虚拟教育和学习的虚拟江苏师范大学的第一步，所以下一步的工作除了继续完善三维虚拟校园环境外，还应开展与虚拟学生社区、远程教学，以及虚拟环境系统服务于学生管理等相关课题的研究。

参考文献：

[1] 曾建超，俞志和.虚拟现实的技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1996：2-8.

[2] 张茂军.虚拟现实系统[M].北京：科学出版社，2001：6-9.

[3] 吴家铸，党岗，刘华峰，等.视景仿真技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001：77-88.

[4] 万刚，陈刚，游雄.虚拟城市中地物几何建模技术的研究[J].测绘学报，2002，31（1）：60-65.