三维虚拟校园交互系统的设计

来源:用户上传      作者: 沈国钧

　　摘要：该文的“数字校园”研究里引用了虚拟现实技术，分析虚拟现实技术国内与国外应用发展状况，并在此基础上，提出了一套基于3DRC、SketchUP和Virtools之上的三维虚拟校园漫游系统的解决方法，达成了视景仿真体系的虚拟性。有两大主要的研究内容：①三维虚拟校园情景数据库的建立，②互动三维场景体系的设想与实践。
　　关键词：虚拟现实；虚拟校园；3DRC；Virtools；三维重构；Wii
　　中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 03-0000-02
　　The Design of 3D Virtual Campus Interactive Systems
　　Shen Guojun
　　(Enshi Polytechnic,Enshi445000,China)
　　Abstract:In this paper,"Digital Campus" refers to virtual reality technology to analyze the development of domestic and foreign applications of virtual reality technology,and on this basis,the proposed three-dimensional virtual campus a 3DRC,SketchUP and Virtools above roaming system solution,reached a virtual visual simulation system.There are two main research contents:①the establishment of the three-dimensional virtual campus scenario database,to ② interactive 3D scenes system of ideas and practice.
　　Keywords:Virtual reality;Virtual campus;3DRC;Virtools;
　　Three-dimensional reconstruction;Wii
　　一、引言
　　虚拟现实（简称为VR），也可叫做灵境技术，这是一类较高级的计算机人机界面，基本特性有构想性、交互性与沉浸性。虚拟现实技术由语音识别、微电子技术、软件工程、多媒体技术、视觉生理学、仿真技术、计算机图形学、计算机视觉、传感与测量技术、计算机技术以及合成技术、网络技术、人机接口技术及人工智能技术等多种高新技术集合而成。虚拟现实技术出现后，最初与大量领域内显现出庞大的社会、军事以及经济效益，其与多媒体、网络并称为三大21世纪最具应用潜力的技术。
　　二、背景技术的介绍
　　随着虚拟现实技术不断进步，三维场景互动与建模的技术也有大步进展。我们需确保用优良的建模工具得到精准的模型，选择优良的三维场景互动道具来创造出具有真实感的系统。下文对于三维场景互动、有关的建模以及Wii等进行了详细阐述。
　　三、三维虚拟的校园情景数据库的构建
　　（一）系统的组成
　　系统的组成有以下几部分：
　　1.采纳三维模型的重新构建道具3DRC得到三维模型，3DRC主要针对建筑物存在的图片序列自主形成*.WRL格式三维的侧面模型；
　　2.选择SketchUp道具将成型的*.WRL格式的侧面模型继续组织起来，同时对贴图进行美化，最终得到建筑物整体的三维模型，其格式是*.SKP；
　　3.选择3DSMax创建模型道具将*.SKP格式的文档转换一下格式，成为*.NMO格式的文件，从而达到三维场景文件格式的需求；
　　4.使用Google earth对高校的校园地表截图，并对其导入Photoshop进行处理从而得到地表贴图。采用3DSMax创建模型的道具得到高校得校园地表弯曲的面，接着进行处理获得高校的校园三维虚拟情景的地表构成；
　　5.设计高校校园的三维虚拟场景中需要使用到的标签，包括Logo、Me和Label等；
　　6.通过对场景数据库组件进行整合，设计出整个三维虚拟校园的场景结构。
　　（二）三维模型的重构与处理
　　虚拟现实建模技术一般有三种重构方式：
　　1.参考几何建模技术(Geometry-Based Modeling)。
　　2.参考图像建模技术(Image-Based Modeling)。
　　3.参考结合几何同图像建技术(Geometry&Image-Based Modeling)。
　　构造创建虚拟的校园系统模型，通常采纳通过图像序列的建立模型的技术当作最基本的建模途径。本位选择的建模软件3DRC与以往的商业建模软件存在差异，3DRC即为用已经存在科学计算作为理论基础，通过数学计算获得三维模型的重新构建，从而其构建的三维模型的途径与别的商业建模软件相比，它的科学性和真实性更显得强烈。
　　该系统大部分选择贴图的途径来达成，分析校园建筑物外部景观，考虑到现实，有3种选择贴图素材的途径：
　　1.选择SketchUp素材库里的贴图SketchUp素材库的贴图种类较为多样，也符合建筑物的贴图，所以贴图过程中许多贴图都是来自其自身的素材库。
　　2.选取照片的截图。因为建筑物的外观构造比较独特，要进行图像纹理的划分。例如，高校的校园建筑物牌匾，一般选择专家设计，而且要是手写的，为的是尊重实际，此课题选择有关的图像纹理进行分割的途径，还有图片的部分截图，最终获得牌匾。
　　3.自主设计的贴图。为使得虚拟现实更为真实形象，能够选择独特的建筑物地点设计等做出独立的设计，就像网络中心以及建筑物的砖墙等，均能够选择Photoshop开展单个设计。
　　四、互动三维场景系统的设计与实现
　　（一）系统的总体设计
　　本系统是对虚拟交互系统的完整体系功能与设计分类别开展说明。三维的虚拟校园系统通常有3类功能版块：三维飞行、三维漫游以及三维查询。这里面三维查询板块有模型查询以及分类查询两类，分类查询能够对校园内不同的区域进行查询，模型查询是通过系统能够阅览的高校校园已经重构的三维模型；三维飞行模块基本上选取的绕点运行，是参考原来规划好的路径进行三维虚拟校园的俯瞰，且依照要求的路径朝某个目标开展模型运动；三维漫游模块达成了8个视角的三维视觉效果，通常为往前、往后、往上、往下、往左、往右、水平往右旋转以及水平往左旋转这8个视角。
　　（二）三维查询功能的实现
　　Menu分成4个部分，前面3部分按照有关校园建筑的三维模型构造划分的，大部分为生活区域Life、学习区域Study与教学区域Teaching；另一部分为自主三维浏览区域Scan。
　　三维的查询功能有单个模型与分类查询两类。单个模型查询效果是能将此系统做好的重新构建的三维建筑模型进行查询，选择鼠标单击三维建筑的Label进到对应的目标模型，同时选择Wii Remote有关Label反复挑选，以此显现Label进到对应的目标模型效果；分类查询的方法是用鼠标单击Menu，来展示各种分类不同的三维建筑Label的途径显现出，与选择Wii Remote有关Menu循环，以此显现的划分存在三维建筑Label的效果。
　　（三）三维飞行功能的实现

　　三维飞行功能大致分为沿路径飞行与绕点飞行两类。
　　沿路径飞行参考激活Label标志进入与其对应的指定三维模型里，进入路径由事先指定。它的实现是依照Top camera到各栋建筑的Camera画一条运动路径，以大礼堂为例，在激活大礼堂标志时，Top camera已按照规划好的路径朝大礼堂的Camera运动，同时转换到了大礼堂的Camera，通过这样显现沿路径运动。此系统将虚拟校园内全部的32条路径进行了设计。
　　绕点飞行就是将用户绕着地面上某个要求的指定点进行旋转。该系统采纳Menu的第4部分Scan得以完成绕点飞行，若是输入控制方式为选择鼠标时，用户选择单击Scan键实现；若输入控制方式选择Wii Remote时，用户结合Home键与加减键，循环选择Menu菜单，然后用Scan时达到绕点飞行。该系统的绕点飞行为绕着指定的一条路线，参考里面的固定点俯瞰高校的校园三维虚拟空间。设计时，考虑到校园四周的固定路线展开设计，且对中心处选择固定点，令Camera把固定点当成目标，顺着固定路径来回运动，达到用户俯瞰校园效果。
　　五、结论
　　本文所展现的三维虚拟校园的系统，能够令使用者透过虚拟空间感受到校园全部的场景、校园的主要建筑物等，并有身临其境的感觉，通过用户的访问，对于学校的建设与发展起到便捷的作用。通过实践和不断测试，实现了虚拟校园系统的顺畅运行，保障了使用者在三维虚拟校园里的操作自由进行，体会到真实的感受。
　　本课题的研究成果有以下几点：
　　1.描述了虚拟现实技术的研究存在状况与当下价值，阐述该课题存在价值，且对处理方式与虚拟现实技术的差异进行论述；
　　2.选择3DRC模型重新构建的工具将高校的校园内的34栋建筑模型开展重新构建，达到了对二维图像进行三维模型重构技术实现虚拟校园的目的，此系统另外采纳了*.WRL格式的文档向*.NMO格式的文档间的转换，从而显示出Virtools场景数据库给予了三维模型所需的素材。
　　3.此外，通过实时3D环境的虚拟实境来编辑软件Virtools设计三维虚拟场景系统体现了交互设计，显示了三维系统的三种功能，并建立了利用鼠标、键盘和Wii Remote三种输入方式来控制三维虚拟校园的体系。
　　参考文献：
　　[1]黄心渊.虚拟现实技术与应用[M].北京:科学出版社,1999:5-41
　　[2]严子翔.VRML虚拟现实网页语言[M].北京:清华大学出版社,2001
　　[3]胡小强.虚拟现实技术[M].北京:北京邮电出版社,2005,7
　　[4]J.Wang,S.A.Chou,C.C.Chen,etc.A Virtual Reality Framework for RC Building Design and Construction Cooperation.Lecture Notes in Computer Science.Volume 3190,2004.
　　[5]娄渊盛,朱跃龙.基于虚拟现实技术的实时漫游系统研究及实现[J].计算机工程,2001,6:98-99
　　[作者简介]沈国钧（1971-），男，汉族，湖北嘉鱼县人，恩施职业技术学院，副教授，硕士；研究方向：图形图像与三维设计、控制理论与控制科学；工作单位：恩施职业技术学院。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1683615.htm