虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)及其應(yīng)用

虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。以華北電力大學(xué)保定二校區(qū)為虛擬仿真環(huán)境 ，使用 3DMAX建模工具對(duì)校 園中的各種模型進(jìn)行建模，使用多種基于幾何建模的場(chǎng)景優(yōu)化措施，并基于GoogleEaCh衛(wèi)星截圖進(jìn)行場(chǎng)景的精確布局設(shè)計(jì)。結(jié)合 Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì) 了虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程，并在微機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)場(chǎng)景復(fù)雜的校 園實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于導(dǎo)航圖控制的人機(jī)交互機(jī)制，便于綜合使用多種漫游方式快速漫游校 園的場(chǎng)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(jì)算機(jī)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(gòu)思的信息環(huán)境。借助這樣一個(gè)基于真實(shí)空間或假象空間的實(shí)時(shí)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(nèi)部布局結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施，使參觀者足不出戶就可以進(jìn)入虛擬的校園，盡情領(lǐng)略校園的美好風(fēng)光。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真、人一機(jī)接口、多媒體以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門交叉學(xué)科。用戶以6個(gè)自由度在這個(gè)仿真的環(huán)境里進(jìn)行對(duì)話，以自然的方式進(jìn)行交互操作。利用計(jì)算機(jī)生成的模擬環(huán)境，通過(guò)傳感設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，除了滿足沉浸感，還必須滿足交互性或?qū)崟r(shí)性。虛擬校園漫游系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特定領(lǐng)域的發(fā)展 和應(yīng) 用，也 是是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 的綜 合應(yīng) 用，其研 究成果 同樣可用于公共建 筑項(xiàng)目(如車 站、機(jī)場(chǎng)、橋梁 、港 口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、城市交通布局設(shè)計(jì)方案、建筑物室內(nèi)設(shè)計(jì)、布置和裝飾效果的先期演示、驗(yàn)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(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，基于圖像的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)以及混合類型的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。

　　基于圖像的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)無(wú)需使用幾何模型的多邊形描述場(chǎng)景，而只需場(chǎng)景對(duì)象的數(shù)字圖像。這種方法雖然具有建模時(shí)間短，繪制效果逼真的優(yōu)點(diǎn)，但是存在圖像匹配困難，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，立體感不強(qiáng)的缺點(diǎn)。對(duì)于碰撞檢測(cè)等交互式行為仿真，用這類 算法處理 極為困難 ?；谌皥D技術(shù) 的漫游系統(tǒng)就屬于這一類，而目前國(guó)內(nèi)一些大學(xué)開發(fā)的校園漫游系統(tǒng)一般采用這種全景圖技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的固定視點(diǎn)的任意視角的漫游 ，但從一 個(gè)視點(diǎn)到另一個(gè) 視點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)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(shí)時(shí)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(dǎo)航器的指導(dǎo)下漫游，也可以根據(jù)用戶的意愿自由漫游。但是一個(gè)高逼真的基于多邊形的虛擬校園漫游場(chǎng)景通常包含上千萬(wàn)甚至更多的多邊形，大規(guī)模虛擬校園場(chǎng)景復(fù)雜度的增加勢(shì)必影響場(chǎng)景繪制的實(shí) 時(shí)性 。

　　混合漫游系統(tǒng)既使用圖像也使用多邊形來(lái)參與繪制，試圖融合前兩者的優(yōu)點(diǎn)，但是目前該技術(shù)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(gòu)建虛擬校園漫游系統(tǒng)。

　　1 基于多邊形的虛擬漫游關(guān)鍵技術(shù)

　　目前從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，建筑物虛擬漫游的最大難點(diǎn)在于建模和實(shí)時(shí)繪制。雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)的處理能力有了極大提升，甚至已經(jīng)超過(guò)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(jī)上開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)具備了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，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(shí)需要構(gòu)造得非常精細(xì)，這往往消耗計(jì)算機(jī)大量的時(shí)間和空間資源。同樣，對(duì)于構(gòu)造出來(lái)的如此復(fù)雜的模型，在對(duì)其進(jìn)行繪制時(shí)，由于GPU性能的制約也往往很難達(dá)到實(shí)時(shí)效果。因此，圍繞解決大規(guī)模室內(nèi)外漫游場(chǎng)景繪制的質(zhì)量與實(shí)時(shí)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(guān)鍵問(wèn)題。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于多邊形的校園室外漫游，需要考慮使用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：可見性裁減技術(shù)，LOD(1evel ofdetail)技術(shù)。

　　1．1 可見性裁減技術(shù)

　　可見性裁減處理從某個(gè)視點(diǎn)來(lái)說(shuō)場(chǎng)景中可見部分的確定問(wèn)題，即只將潛在的可見部分送入繪制管道，從而提高場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制的性能。如圖 1所示，根據(jù)場(chǎng)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(jiǎn)單場(chǎng)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(jí)進(jìn)行裁減，而對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的視見體裁減一般根據(jù)預(yù)處理階段構(gòu)造的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)景空間數(shù)據(jù)進(jìn)行合理組織，可以在場(chǎng)景對(duì)象一級(jí)進(jìn)行裁減，因此使用 CPU進(jìn)行視見體裁減的時(shí)間開銷更低。遮擋剔除是對(duì)于當(dāng)前視點(diǎn)剔除掉位于視見體內(nèi)且被其前面的遮 擋物(Occluder)遮擋住的對(duì)象。另外，可以將裁減那些背向視點(diǎn)的多邊形的背面裁減理解為一種最簡(jiǎn)單的遮擋剔除。綜合國(guó)內(nèi)外在這方面的研究情況，可見性裁減算法主要分為預(yù)處理與實(shí)時(shí)處理，保守型與近似型，點(diǎn)與區(qū)域型，圖像空間與物體空間，還有單獨(dú)遮擋物與遮擋物融合5種類型 。

　1．2 LOD技術(shù)

　　LOD繪制技術(shù)是指對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，根據(jù)視點(diǎn)與物體的距離或物體的重要性等因素決定刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的復(fù)雜度，加快圖形的繪制速度。因此這里采用LOD 技術(shù)充分利用了人眼的視覺特性，在模型的精細(xì)程度與繪制的速度方面取一個(gè)折衷，既要保證一定的繪制質(zhì)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(fù)雜模型一般采用多分辨率建模技術(shù)繪制。所謂多分辯繪制算法可以認(rèn)為是LOD技術(shù)的延伸，即算法實(shí)時(shí)地根據(jù)視點(diǎn)的變化而簡(jiǎn)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(fù)雜?；谝陨锨闆r，如圖2所示，本系統(tǒng)參照衛(wèi)星地圖構(gòu)建了華北電力大學(xué)保定二校區(qū)地形的平面模型，用它來(lái)替代地形模型。

　　2 虛擬漫游系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)與開發(fā)

　　在虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)有的建筑及其它場(chǎng)景采用實(shí)地拍攝，實(shí)地觀察，使用幾何建模的方法來(lái)進(jìn)行場(chǎng)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(gòu)建使用的V~tools是一套集創(chuàng)作應(yīng)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(shí)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(gòu)建方法，還為程序員提供了編程SDK、腳本編程語(yǔ)言以及對(duì)圖形編程語(yǔ)言ceTx的支持，以便于程序員開發(fā)更適合實(shí)際需求的高效解決方案 。