虚拟校园在数字化校园中的应用

【摘 要】虚拟现实技术是集计算机图形学技术，人工智能，人机接口技术等各种技术于一体的计算机高级人机界面技术，它强调视觉、听觉、和触觉一体化的交互性、沉浸性和构想性等多种特性。本文以全景校园为模型，使用三维建模技术对校园进行三维建模，利用作用于交互通道的交互工具实现人机交互，并对一些重点问题，如碰撞检测，实时漫游进行了讨论。

【关键词】虚拟现实 虚拟校园 三维建模技术 人机交互 场景漫游

虚拟校园是数字化校园的发展与应用，是数字校园的高级技术特征之一，其主要的实现技术是利用图像处理技术和计算机图形学技术以及三维建模可视化语言等工具在可视化介质上加以显示。现如今，虚拟现实技术已经运用到诸多领域，而将虚拟现实技术应用到数字化校园中则是一个具有实现意义与价值的趋势。它在远程参观与远程教育中会发挥出传统教育无法比拟的作用和效果，具有较高的实用意义。

本文以长安大学渭水校园为研究对象，深入分析了在虚拟校园系统中空间地物的建模方法，并且针对特殊环境详细研究其交互方式与漫游途径，对于遇到的问题加以分析和解决。

一、系统实现的功能

虚拟校园系统是基于地理信息系统技术、虚拟现实技术、宽带网络技术、多媒体技术、计算机图形学等高新技术，将校园地理空间信息和其属性信息相结合，构建一个逼真的、具有 视觉、厅局、触觉的虚拟校园景观，由其组成的关键技术就可以看出其功能可以是三维显示，人机交互，远程漫游，并且可以进行查询、搜索等操作。

（一）三维显示

校园三维场景实现是三维虚拟校园系统的主要功能，其质量好坏直接影响到场景的逼真度和系统的运行效率。以DEM和遥感影像为数据源，可快速重现实地地形，并且利用3s max等软件加入物体三维模型，可以实现三维物体的立体显示。

（二）人机交互

虚拟现实系统中的人机交互技术主要是发展和完善三维交互。而虚拟环境产生器则可以根据内部模型和外部环境的变化计算生成人在回路中的逼真的虚拟环境，人通过各种传感器与这个虚拟环境进行交互。

（三）远程漫游

构建一个虚拟现实漫游引擎就是采用高性能的计算机软硬件及各类先进的交互手段，创建一个参与者处于一个具有身临其境的沉浸感。

（四）空间分析

由于虚拟校园在一定程度上借助了地理信息系统技术，而地理信息系统技术的优势在于其强大的空间分析能力，所以建立的虚拟校园系统中可以实现面积量算、距离量算、通视性分析和拓扑关系的查询等功能。

二、系统实现

虚拟校园系统的实现，首先对数据进行采集和处理，然后利用建模软件建立三维地物模型，然后借助虚拟现实系统驱动，实现虚拟校园场景显示、三维场景漫游、查询、量算等功能。

（一）数据准备

数据的收集应用考虑到实际建模时不同地物复杂程度的不同而加以区分和选择。主要内容有：建筑物的设计图纸及文档资料等原始资料和校园较大比例尺的航摄相片资料等原始资料；还要包括利用相机在现场拍摄获得的资料，以备为以后的贴图工作做准备。

（二）场景的建模

1.建筑物建模

对于建筑物的建模需要一个从宏观到细节的技术路线。首先是利用一些传统或现代化的测量技术测量出渭水校园中多个建筑物的空间位置信息。在此过程中可以利用相机获取建筑物的纹理信息，然后将获取的建筑物的空间数据信息在建模软件中分别对建筑物加以建模。

当然对于一些局部不规则的建筑物，其模型的创建需要考虑到具体的细节部分，即可以对其进行规则与不规则划分：建筑物的规则部分可以用3D MAX等软件自动获得，另外的不规则部分的建模则可以利用专门的模型编辑软件加以实现，例如VRModel等。另外对于建筑物中的各种材质，可以对模型进行贴图，得到逼真的效果。

2.树木

树木的建模可以利用面片贴图法。这种方法通常在模型建造软件中建立单个面片或两个互相垂直的矩形面片，然后把植物立面用贴图的方式贴到面片上，并通过alpha通道进行透明处理。其中利用Photoshop对图片人们制作alpha是非常重要的一步。还有一种方法就是采用广告牌法，它将每棵树都看成长方形的面板，每个面板上都是已经拍摄好的树木的纹理。其主要特点就是用户漫游时它一直朝向视点的观察方向。

3.纹理的建立与映射

纹理映射是所有的虚拟现实技术实现环节中的重要部分，纹理资料的好坏直接影响到建筑物、树木以及地面等模型的逼真度。用相机或手机拍摄的地物的侧面纹理很多时候都是不满足要求的，这里就可以利用一些图像处理软件对获取的图像加以处理，此类软件可以是Photoshop和CAD等，处理过后的图像一般是正射相片。对于建筑物顶部的图片可以通过大比例尺航空正射影像获得。

（三）人机交互

人机交互应该是多通道的，即交互通道应该是视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉和方向感等，让人真正地拥有沉浸感与真实感。视觉通道产生以用户本人为视点的包括各种景物和运动目标的视景，人通过头盔显示器等立体显示设备进行观察；听觉通道为用户提供三维立体音响；而触觉与力反馈的关系真正建立起来一个“看得见摸得着”的虚拟环境，其中系统要识别用户何时“输入”，包括头的位置和指向，手的位置、指向和角度等。对于人的头位置和指向的跟踪检测主要是通过安装在头盔上的跟踪装置实现的，对于手的检测与跟踪主要是采用数据手套实现的。

（四）实时漫游

实时漫游是每个虚拟现实系统的最终体验形式，按用户的需求方式，可将虚拟现实漫游方式分为三种：

一是自动式漫游体系。其总体思路是按照事先给定的路径进行漫游。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。这就是如今一些网络地图中的一些功能：你可以选择你的目的地，比如图书馆，我们的系统会生成多条路径供你选择。

三是交互式漫游体系。这主要是指鼠标和键盘的中介作用，你可以利用它们来选择你的行进方向。它可以生成一个不存在的视点，并依据这个虚拟视点的位置和视角，在浏览器中呈现对应的场景信息。

（五） 碰撞检测

碰撞检测是指对漫游视点与物体之间的几何位置关系进行限制，通过检测视点与物体的距离，一旦小于某个阈值，则认为是发生了碰撞。

较常用的方法是层次包围盒法，它的基本思想是利用体积略大而几何特征简单的包围盒来近似描述复杂的几何对象。

另一种较常用的方法是空间分解法，它是将整个虚拟空间划分成相等体积的单元格，只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。适用于稀疏的环境中分布较均匀的几何对象的碰撞检测。

三、结论与展望

虚拟校园带给我们的不仅是视觉上的改变，从某种意义上说它将改变人们的思维方式。本文描述了虚拟校园系统的总体功能，探讨了实现虚拟校园系统的方法；并以虚拟校园中一些场景为例做出了技术说明。其实在不久的将来，借助互联网，虚拟校园系统的功能可以在人们的共同努力下进一步得到完善。也许能够成为学生的第二个可以交友、学习和娱乐的第二个“真实”校园。

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