虚拟校园漫游系统建模方法及关键技术的研究

摘 要：本文运用OpenGL在Visual C++开发平台下实现了三维校园的可视化过程。以吉林师范大学四平校区为实例进行探索和研究。通过数据信息采集、数据信息处理、三维模型的建立等相关过程，构建出了一个效果较逼真、显示较顺畅的三维可视化校园场景。通过实现了虚拟校园漫游系统中的相关功能，对吉林师范大学的教育宣传、就业招生、人才招聘，对外交流、展现办学实力等方面都有重要的作用。

关键词：虚拟校园；漫游系统；三维建模

中图分类号：TP393.18

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR，也可译作灵境技术、幻真技术）是近年来出现的高新技术，亦称灵境技术或人工环境。第一个虚拟现实系统出现在上个世纪八十年代。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，给使用者提供了关于视、听、触，甚至味觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察和进一步了解三维空间内的事物，并且可以与之发生交互作用。虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形学技术，宽视野（广角）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。

虚拟现实技术，尤其在教育领域，具有广泛的作用和影响。数字校园是“数字城市”和“数字地球”的重要组成部分。虚拟校园漫游系统则是数字校园建设的基础，它的研究和创建对以后数字校园的建设有着重要的现实意义。它是虚拟现实技术、三维可视化技术、地理信息系统技术、人机交互技术、计算机图形学等高新技术的有机结合。可以使人们感受到全方位的教学环境、校园文化，这正是现代所需要的真正教育。该技术的使用对吉林师范大学的教育宣传、就业招生、人才招聘，对外交流、展现办学实力等方面都有重要的作用。所以虚拟校园漫游系统的建设和完善同样也具有重要的研究意义。

1 虚拟校园的建模流程

根据吉林师范大学四平校区的实际校园景观多以人文建筑为主，并且其中大部分建筑物的平面坐标可以由现有纸质或者数字化的二维平面地形图中得到。近年来三维数据采集的手段发展非常迅速，使得工作进行的周期变短，成本降低。我们采用了实地摄影获取校园三维景观表面纹理的同时，也采用了三维建模软件进行三维景观对象的立体模型建立和表面纹理贴图。建设虚拟校园漫游浏览系统时，实现数据管理，模型重建，三维显示，特效生成，信息查询等主要功能。由此我们采用了基于大比例尺地形图建模的方法。建模流程如下：1.进行充分的数据准备；2.大比例尺地形的测量以及正摄影图像的采集；3.为场景中的失误选取模型对象；4.进行外业实地拍照；5.进行纹理处理建库；6.三维模型的建立；7.对模型进行纹理贴图及其效果处理；8.导入三维GIS软件。

2 三维建模的关键技术

2.1 纹理映射（Texture Mapping）

纹理映射的具体过程是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中的像素的一个过程。在三维图形中，尤其在描述具有真实感的物体方面，纹理映射的方法运用得极其广泛。比如，我们想绘制一面砖墙时，可以用一张具有实景真实感的图像或照片作为纹理将其贴到一个矩形之上，一面逼真的砖墙就画好了。反之若不采用纹理映射的方法，则墙上的每一块砖都将要作为一个独立的多边形进行绘制；纹理映射最后也能够保证在变换多边形同时，多边形上的纹理也会随之进行变化。比如，用透视投影模式对墙面进行观察时，离视点远的墙壁的砖块的尺寸就会缩小，而离视点近的尺寸就会大些，这些都会满足视觉规律的。纹理对象通过一个单独的数字来标识。并且可以使OpenGL硬件能够在内存中保存多个纹理，而不是每次使用的时候再进行加载，可以大大减少了不必要的运算量，提高了速度。

纹理映射是真实感图像制作的一个重要部分，妥善的管理纹理，减少不必要的开销，是系统优化时必须考虑的一个关键问题。当需要处理的纹理图像非常大时，这种情况尤为明显。OpenGL提供了纹理对象管理技术可以解决纹理加载的过程可能会影响程序运行速度。

2.2 外部引用技术（External Reference）

本虚拟校园漫游系统中，以吉林师范大学四平校区为实例，有着较多的建筑物，如教学楼、宿舍楼、实验楼等。场景的种类也各式各样，如喷泉，草坪，艺术雕像等。基于此我们采用的是分类建模，把相同种类的模型放入一个文件中，通过外部引用的功能，导入要用到的各个文件。由于使用了此技术，在主干文件中仅仅需要保存引用文件的存储路径和名称即可，大大减少了文件本身模型数据库所占的大小。修改时也是仅仅需要打开要修改的文件进行修改，由于各个文件保持相对的独立，主干文件中其它模型不会受到影响。

2.3 LOD（Level of detail）技术

本虚拟校园漫游系统主要实现的是一个基于多边形的校园室外漫游。虚拟现实中虚拟场景的生成对实时性要求很高。LOD技术则是一种有效的图形生成加速方法，可以对几何模型和场景进行简化处理。该技术在不影响画面视觉效果的情况下，可以通过逐次简化景物的表面细节进而减少场景中的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的细节。在绘制时，根据不同的标准选择适当的层次模型来表示物体。比如，可以在实现漫游视点接近场景对象时，载入精细模型，其他情况下则可以使用低分辨率模型进行替换。

2.4 碰撞检测

碰撞检测是虚拟漫游场景中的需要解决的关键问题，本系统从两个方面进行碰撞检测：在漫游过程中可能与建筑物墙壁发生碰撞，避免形成穿墙而过的尴尬情况，即当碰到墙壁阻挡时就不能继续前进，根据检测结果相应改变视点及其行进路线；与地形的碰撞检测，即使得漫游过程始终随着地形的改变而不断改变视点的相对高度。通过实现实时漫游的碰撞检测，提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感，使得用户达到更为逼真的体验。

3 结束语

本文在研究虚拟校园漫游系统的建模方法和关键技术的基础上，以吉林师范大学为例，对虚拟现实技术、三维可视化技术以及计算机图形学等技术进行了综合的应用，基于OpenGL在Visual C++开发平台下实现了三维校园的可视化过程。最终展示了吉林师范大学四平校区立体化的校园场景。本虚拟校园漫游系统还可以进一步完善它的运动模型，以便支持多人协同式漫游，提高系统的趣味性、真实性和交互性。

参考文献：

[1]陀伟，刘佳龙，陈超超.基于Virtools的虚拟校园漫游系统的研究与实现[J].计算机与现代化，2012：48-50.

[2]秦雯，孙卡，张小峰.虚拟校园建模方法及关键技术的研究[J].计算机与现代化，2013：106-109.

[3]李保杰，于法展，李战成.基于OpenGL虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2006：86-90.

[4]陈勇，马纯勇，陈戈.基于VC/OpenGL的虚拟海大校园导航系统[J].计算机辅助设计与图形学学报，2007：263-266.

[5]岳俊梅.基于OpenGL虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].计算机时代，2007：65-66.

[6]Shi Chuangming，Guo Lei.Designing and implementing of digital virtual campus[J].Journal of Computational Information Systems，2007（3）：501-506.

作者简介：肖春英（1989-），女，吉林省长春市人，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术；谭振江（1965-），男，吉林省四平市人，老师，研究方向：计算机应用技术。

作者单位：吉林师范大学计算机学院，吉林四平 136000

基金项目：吉林省自然科学基金项目（20101524） 项目名称：网络与信息安全中防火墙技术的研究。