虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)及其應用

虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)是虛擬現(xiàn)實技術的一個重要應用。以華北電力大學保定二校區(qū)為虛擬仿真環(huán)境 ，使用 3DMAX建模工具對校 園中的各種模型進行建模，使用多種基于幾何建模的場景優(yōu)化措施，并基于GoogleEaCh衛(wèi)星截圖進行場景的精確布局設計。結合 Virtools虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，設計 了虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程，并在微機平臺上實現(xiàn)了一個場景復雜的校 園實時漫游系統(tǒng)。該校 園漫游系統(tǒng)不但為用戶提供了友好的Web界 面，而且設計并實現(xiàn)了基于導航圖控制的人機交互機制，便于綜合使用多種漫游方式快速漫游校 園的場景。

　　虛擬校園漫游系統(tǒng)作為校園數(shù)字化工程的一部分，是指利用高性能計算機軟硬件去創(chuàng)建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與者構思的信息環(huán)境。借助這樣一個基于真實空間或假象空間的實時仿真虛擬空間，不僅可以全面展示校園建筑物的外觀、周邊環(huán)境，還可以以任意視角觀察建筑物的內部布局結構和內部設施，使參觀者足不出戶就可以進入虛擬的校園，盡情領略校園的美好風光。虛擬現(xiàn)實技術則是在計算機圖形學、仿真、人一機接口、多媒體以及傳感技術的基礎上發(fā)展起來的一門交叉學科。用戶以6個自由度在這個仿真的環(huán)境里進行對話，以自然的方式進行交互操作。利用計算機生成的模擬環(huán)境，通過傳感設備和計算機接口，給用戶親臨其境的感受。高逼真虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術的核心內容，除了滿足沉浸感，還必須滿足交互性或實時性。虛擬校園漫游系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實技術在特定領域的發(fā)展 和應 用，也 是是虛擬現(xiàn)實技術 的綜 合應 用，其研 究成果 同樣可用于公共建 筑項目(如車 站、機場、橋梁 、港 口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設計方案、城市交通布局設計方案、建筑物室內設計、布置和裝飾效果的先期演示、驗證。目前已有的虛擬漫游系統(tǒng)根據(jù)其處理基元的類型可以分為 3種：基于多邊形的實時漫游系統(tǒng)，基于圖像的實時漫游系統(tǒng)以及混合類型的實時漫游系統(tǒng)。

　　基于圖像的實時漫游系統(tǒng)無需使用幾何模型的多邊形描述場景，而只需場景對象的數(shù)字圖像。這種方法雖然具有建模時間短，繪制效果逼真的優(yōu)點，但是存在圖像匹配困難，存儲數(shù)據(jù)量大，立體感不強的缺點。對于碰撞檢測等交互式行為仿真，用這類 算法處理 極為困難 ?；谌皥D技術 的漫游系統(tǒng)就屬于這一類，而目前國內一些大學開發(fā)的校園漫游系統(tǒng)一般采用這種全景圖技術，可以實現(xiàn)對場景的固定視點的任意視角的漫游 ，但從一 個視點到另一個 視點的移動會產(chǎn)生跳躍，且交互性差，QuickTime是這類漫游系統(tǒng)的代表。

　　基于多邊形的實時漫游系統(tǒng)也稱為基于幾何渲染的漫游系統(tǒng)。這類漫游系統(tǒng)一般具有很好的交互性，既可以在導航器的指導下漫游，也可以根據(jù)用戶的意愿自由漫游。但是一個高逼真的基于多邊形的虛擬校園漫游場景通常包含上千萬甚至更多的多邊形，大規(guī)模虛擬校園場景復雜度的增加勢必影響場景繪制的實 時性 。

　　混合漫游系統(tǒng)既使用圖像也使用多邊形來參與繪制，試圖融合前兩者的優(yōu)點，但是目前該技術不是很成熟，基于圖像的漫游系統(tǒng)固有的缺陷仍然存在。因此，本系統(tǒng)選擇采用基于多邊形建模的方法構建虛擬校園漫游系統(tǒng)。

　　1 基于多邊形的虛擬漫游關鍵技術

　　目前從技術角度來說，建筑物虛擬漫游的最大難點在于建模和實時繪制。雖然隨著計算機技術的發(fā)展，個人計算機的處理能力有了極大提升，甚至已經(jīng)超過了以往專業(yè)圖形工作站的水平。尤其是CPU和 GPU(graphics processing units)的迅猛發(fā)展，使得在微機上開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)具備了一定的物質基礎，但是由于室外建筑漫游所看到的景象距人們很近，因此需要繪制得非常逼真并且建模時需要構造得非常精細，這往往消耗計算機大量的時間和空間資源。同樣，對于構造出來的如此復雜的模型，在對其進行繪制時，由于GPU性能的制約也往往很難達到實時效果。因此，圍繞解決大規(guī)模室內外漫游場景繪制的質量與實時性的矛盾也就必然成為開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)要解決的關鍵問題。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)一個基于多邊形的校園室外漫游，需要考慮使用的關鍵技術主要包括：可見性裁減技術，LOD(1evel ofdetail)技術。

　　1．1 可見性裁減技術

　　可見性裁減處理從某個視點來說場景中可見部分的確定問題，即只將潛在的可見部分送入繪制管道，從而提高場景實時繪制的性能。如圖 1所示，根據(jù)場景中不可見面片的種類，可以將可見性裁減分為視見體裁減和遮擋剔除。視見體裁減主要裁減位于視見體外部的多邊形，簡單場景的視見體裁減可以基于 OpenGL等圖形繪制軟件包在基本圖元一級進行裁減，而對復雜場景的視見體裁減一般根據(jù)預處理階段構造的層次數(shù)據(jù)結構對場景空間數(shù)據(jù)進行合理組織，可以在場景對象一級進行裁減，因此使用 CPU進行視見體裁減的時間開銷更低。遮擋剔除是對于當前視點剔除掉位于視見體內且被其前面的遮 擋物(Occluder)遮擋住的對象。另外，可以將裁減那些背向視點的多邊形的背面裁減理解為一種最簡單的遮擋剔除。綜合國內外在這方面的研究情況，可見性裁減算法主要分為預處理與實時處理，保守型與近似型，點與區(qū)域型，圖像空間與物體空間，還有單獨遮擋物與遮擋物融合5種類型 。

　1．2 LOD技術

　　LOD繪制技術是指對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內，根據(jù)視點與物體的距離或物體的重要性等因素決定刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復雜度，加快圖形的繪制速度。因此這里采用LOD 技術充分利用了人眼的視覺特性，在模型的精細程度與繪制的速度方面取一個折衷，既要保證一定的繪制質量，以滿足良好的視覺效果，又不造成用戶漫游的不適感。地形這一特殊的復雜模型一般采用多分辨率建模技術繪制。所謂多分辯繪制算法可以認為是LOD技術的延伸，即算法實時地根據(jù)視點的變化而簡化地形繪制的一種方法。由于校園地形較為平坦，地貌特征并不復雜?；谝陨锨闆r，如圖2所示，本系統(tǒng)參照衛(wèi)星地圖構建了華北電力大學保定二校區(qū)地形的平面模型，用它來替代地形模型。

　　2 虛擬漫游系統(tǒng)流程設計與開發(fā)

　　在虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)過程中，對現(xiàn)有的建筑及其它場景采用實地拍攝，實地觀察，使用幾何建模的方法來進行場景搭建。工作流程如圖3所示。

　　2．1 Virtools開發(fā)工具

　　本系統(tǒng)構建使用的V~tools是一套集創(chuàng)作應用程序、交互引擎和渲染引擎和發(fā)布模塊于一身的3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了提供給用戶方便易用的拖拉模塊式構建方法，還為程序員提供了編程SDK、腳本編程語言以及對圖形編程語言ceTx的支持，以便于程序員開發(fā)更適合實際需求的高效解決方案 。

　　2．2 三維虛擬場景數(shù)據(jù)庫的構建與優(yōu)化

　　逼真的三維場景模型是構建高逼真虛擬漫游系統(tǒng)的關鍵，本系統(tǒng)的場景構造主要按照實地考察結果進行。建模同時還要實現(xiàn)場景細節(jié)表現(xiàn)與圖形負荷之間的高效平衡。為了使構造的漫游系統(tǒng)達到實時繪制要求，系統(tǒng)采用了場景數(shù)據(jù)庫的層次組織結構、紋理映射、實例化、LOD層次細節(jié)模型、可見性裁剪等技術方法對場景進行優(yōu)化。

　　實體建筑是虛擬場景中的主體部分，也是最重要的場景內容。對實體建筑進行建模與優(yōu)化的一般步驟是：

　　(1)獲得建模數(shù)據(jù)。建筑外觀與幾何形狀等要求準確的數(shù)據(jù)，在沒有建筑圖紙的情況下主要根據(jù)實地拍攝的照片使用3DS MAX進行 建模。

　(2)確定模型的層次結構，由于系統(tǒng)使用的建模工具不具備像Multigen建模工具的樹狀層次結構來管理場景模型”，所以在模型建好后，通過導入到 Virtools中進行層次設置。如先按主體分組，再在每個主體中分墻體、門、窗等。直到底層分解到基本圖元結構。

　　(3)去除冗余多邊形。描述實體模型表面的數(shù)據(jù)經(jīng)常存在冗余現(xiàn)象，這里的冗余多邊形主要是指在實體外部觀察模型時不可見的部分。例如，樓體的底面、內墻面及樓層之間的連接面等。由于場景瀏覽時它們處于不可見的位置，去除它們并不影響實體的視覺效果，而消除這些冗余多邊形則可以在很大程度上降低場景的復雜度。這里只考了建模時模型的可見性裁剪，對校園進行實時漫游時需根據(jù)Virtools的SDK實現(xiàn)非基本 圖元層次的視見體裁減和 遮擋剔除 ，這樣可充分利用GPU的性能實時繪制復雜校園的室外場景。

　　(4)使用紋理映射。對于門、窗、欄桿等每棟建筑都具有且數(shù)量較大的細節(jié)部分，一般采取紋理映射的方法，在對應位置的多邊形表面上“貼制”紋理圖片，用來代替詳細的模型。這樣處理可以減少模型的多邊形數(shù)目和復雜程度，提高圖像繪制速度和顯示速度。只要視點不過于靠近建筑物，紋理映射并不會降低場景的逼真度。

　　(5)使用 LOD技術對幾何模型和場景進行簡化。校園漫游系統(tǒng) 中對 LOD的定義是利 用 3DSMax和 Virtools來完成 的 。使用3DSMax~作不同精度的模型，在Xrmools中設置調用范圍。采用LOD模型后，可以實現(xiàn)只在漫游視點接近場景對象時，載入精細模型，其他情形下則可以用低分辨率模型進行替換。

　　此外，外部景觀在漫游場景中也是不可缺少的重要部分，美觀、適當?shù)耐獠烤坝^能極大的增強場景的真實感和逼真度。在本系統(tǒng)的虛擬校園巾，外部景觀主要包括：草地、樹木、花叢、路燈、涼亭、雕塑、花壇等。為了營造校園場景的真實氛圍，在場景構建后期還增加了人群與汽車等實體。

　　天空及遠景模型的構建也是場景中的重要內容。具體做法是在校 區(qū)地 形的邊緣構造 一個四周閉合 、由若干四邊形面組成的“圍墻”，通過在“圍墻”面上映射相應的紋理，來實現(xiàn)該方向上遠景的模擬。而對天空的模擬，如圖4所示，采用加蓋_個半球籠罩整個地形，在其內表面上映射相應的天氣效果紋理來實現(xiàn)。這樣，當視點在由地形、邊界立面、項面組成的內空間中移動時，加上適當?shù)墓庹招Ч梢允谷烁械竭h景、天空所產(chǎn)生的強烈的縱深感。為了加強動態(tài)效果，還可以采用紋理變換的方法來實現(xiàn)動態(tài)移動的天空云彩。

　　場景實體模型的構建是按照場景層次結構的劃分來進行的，各層次實體景觀構建完后需要進行組合集成，最終形成虛擬場景的整體。本系統(tǒng)構建的虛擬校園的場景模型先按照小區(qū)域分別集成，然后將各小區(qū)域場景集成到地形模型上，可參照圖2所示校園平面圖進行位置的布局 。

　　2．3 場景地形的分塊調度管理

　　本系統(tǒng)構建的校園場景較大，這里采用分塊調度管理技術 。先將整個地形分割成若干多邊 形數(shù)較少的小單元地形并存成不同的地形模型文件，再以外部引用的方式分別調用(包括地形上的地物)，重新構成一個完成的地形模型。這樣可以根據(jù)視點所看到的區(qū)域，動態(tài)地選擇小單元地形模型進行調用，不需要調用整個地形模型，能有效地提高系統(tǒng)的吞吐量和場景繪制的實時性。

　　3 虛擬校園漫游功能的設計與實現(xiàn)

　　如圖5所示，本系統(tǒng)包括漫游模塊、3D地圖模塊及衛(wèi)星地圖模式。其中三維漫游主要包括固定路徑漫游、自由導航漫游 、定點漫游、場景導入和編輯等主要功能。 3D地圖模式和衛(wèi)星地圖模式則提供用戶 以地圖拖拉導航的方式形象直觀地進行校園漫游。

　　3．1 虛擬漫游人機交互控 制

　　人機交互一直都是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究中的重要內容。漫游系統(tǒng)中的實時交互性主要表現(xiàn)在兩個方面：一是用戶對場景中的實體對象能進行某些操作，并且實體對象能：征即以某種形式的變化反饋給用戶，響應用戶的操作 ；二是當用戶的位置與視點改變時，漫游引擎要能夠立即調度場景數(shù)據(jù)庫實時生成新的視點畫面，并顯示給用 戶 。

人的行走是日常生活中最普遍的行為，而在漫游系統(tǒng)中它也是最主要的行為。用來控制虛擬環(huán)境中視點位置的改變就是漫游系統(tǒng)中的主要交互方式。對視點控制交互方式的設計，主要考慮到方便性問題，即如何提供給用戶一種 自然方便 的觀察環(huán)境的方式。視點控制要能夠模擬行人在虛擬環(huán)境中觀察場景，在必要時還能以定點方位的方式瀏覽場景。在本系統(tǒng)中視點用虛擬相機來表示，所以對視點的控制實質足對相機進行設置與控制。通過對相機采用不同的控制方式可以實現(xiàn)不同的漫游方式。在校區(qū)漫游系統(tǒng)中，對相機使用以下控制方式：

　　(1)相機的靜態(tài)控制。相機本身具有位置和旋轉角度屬性。當進入漫游系統(tǒng)時，根據(jù)需要義初始設置的默認視點繪制場景，用戶可通過預設的視點切換校園場景。

　　(2)相機按固定路徑進行漫游。按下響應控制鍵，將按照設定好的路徑 對整個校園進行瀏覽。如圖 6所示為自由導航模式下的校園全景。

　　(3)自由漫游。以第一人稱視角 進行漫游 。

　　(4)定點漫游。點擊相應建筑物名稱即傳送到對應建筑物。

　　3．2 導航圖控制

　　如圖6左上角所示的導航圖是漫游系統(tǒng)中普遍使用的向導工具，一般使用二維地圖表示。與三維場景的視圖相比，二維地圖的優(yōu)勢在于它可以提供更加廣闊的視野空間，使漫游者很容易從總體上把握當前所處的位置及周邊環(huán)境狀況。系統(tǒng)采用首先將三維場景渲染成一張二維平面地圖，然后利用虛擬相機實現(xiàn)地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點的同步運動。

　　4 結束語

　　本文在研究基于多邊形的虛擬漫游實時優(yōu)化等關鍵技術的基礎上，以華北電力大學保定二校區(qū)為仿真實例，使用3DSMAX、Virtools中BuildingBlock及SDK工具設計并實現(xiàn)了～個具有基本漫游功能及簡單場景設置的實時虛擬校園漫游系統(tǒng)。針對本系統(tǒng)實時性及逼真性進一步改進的考慮，今后的工作包括：地形匹配問題；基于遮擋裁剪技 術的高效場景優(yōu)化問題；基于網(wǎng)絡漫游的實時性問題。另外，系統(tǒng)功能的進一步完善也是今后的工作。通過功能完 善使之還具備實 時通訊、個人信息管理、信息交流、官方信息發(fā)布等功能，甚至能為網(wǎng)絡教學提供三維虛擬平臺。