虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)及其應(yīng)用

　　2．2 三維虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建與優(yōu)化

　　逼真的三維場(chǎng)景模型是構(gòu)建高逼真虛擬漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)的場(chǎng)景構(gòu)造主要按照實(shí)地考察結(jié)果進(jìn)行。建模同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景細(xì)節(jié)表現(xiàn)與圖形負(fù)荷之間的高效平衡。為了使構(gòu)造的漫游系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)繪制要求，系統(tǒng)采用了場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的層次組織結(jié)構(gòu)、紋理映射、實(shí)例化、LOD層次細(xì)節(jié)模型、可見性裁剪等技術(shù)方法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。

　　實(shí)體建筑是虛擬場(chǎng)景中的主體部分，也是最重要的場(chǎng)景內(nèi)容。對(duì)實(shí)體建筑進(jìn)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在沒有建筑圖紙的情況下主要根據(jù)實(shí)地拍攝的照片使用3DS MAX進(jìn)行 建模。

　(2)確定模型的層次結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)來管理場(chǎng)景模型”，所以在模型建好后，通過導(dǎo)入到 Virtools中進(jìn)行層次設(shè)置。如先按主體分組，再在每個(gè)主體中分墻體、門、窗等。直到底層分解到基本圖元結(jié)構(gòu)。

　　(3)去除冗余多邊形。描述實(shí)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(shí)體外部觀察模型時(shí)不可見的部分。例如，樓體的底面、內(nèi)墻面及樓層之間的連接面等。由于場(chǎng)景瀏覽時(shí)它們處于不可見的位置，去除它們并不影響實(shí)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(chǎng)景的復(fù)雜度。這里只考了建模時(shí)模型的可見性裁剪，對(duì)校園進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游時(shí)需根據(jù)Virtools的SDK實(shí)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(shí)時(shí)繪制復(fù)雜校園的室外場(chǎng)景。

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

　　(5)使用 LOD技術(shù)對(duì)幾何模型和場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)化。校園漫游系統(tǒng) 中對(duì) 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(shè)置調(diào)用范圍。采用LOD模型后，可以實(shí)現(xiàn)只在漫游視點(diǎn)接近場(chǎng)景對(duì)象時(shí)，載入精細(xì)模型，其他情形下則可以用低分辨率模型進(jìn)行替換。

　　此外，外部景觀在漫游場(chǎng)景中也是不可缺少的重要部分，美觀、適當(dāng)?shù)耐獠烤坝^能極大的增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)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(yíng)造校園場(chǎng)景的真實(shí)氛圍，在場(chǎng)景構(gòu)建后期還增加了人群與汽車等實(shí)體。

　　天空及遠(yuǎn)景模型的構(gòu)建也是場(chǎng)景中的重要內(nèi)容。具體做法是在校 區(qū)地 形的邊緣構(gòu)造 一個(gè)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(yīng)的紋理，來實(shí)現(xiàn)該方向上遠(yuǎn)景的模擬。而對(duì)天空的模擬，如圖4所示，采用加蓋_個(gè)半球籠罩整個(gè)地形，在其內(nèi)表面上映射相應(yīng)的天氣效果紋理來實(shí)現(xiàn)。這樣，當(dāng)視點(diǎn)在由地形、邊界立面、項(xiàng)面組成的內(nèi)空間中移動(dòng)時(shí)，加上適當(dāng)?shù)墓庹招Ч?，可以使人感到遠(yuǎn)景、天空所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的縱深感。為了加強(qiáng)動(dòng)態(tài)效果，還可以采用紋理變換的方法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)的天空云彩。

　　場(chǎng)景實(shí)體模型的構(gòu)建是按照?qǐng)鼍皩哟谓Y(jié)構(gòu)的劃分來進(jìn)行的，各層次實(shí)體景觀構(gòu)建完后需要進(jìn)行組合集成，最終形成虛擬場(chǎng)景的整體。本系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬校園的場(chǎng)景模型先按照小區(qū)域分別集成，然后將各小區(qū)域場(chǎng)景集成到地形模型上，可參照?qǐng)D2所示校園平面圖進(jìn)行位置的布局 。

　　2．3 場(chǎng)景地形的分塊調(diào)度管理

　　本系統(tǒng)構(gòu)建的校園場(chǎng)景較大，這里采用分塊調(diào)度管理技術(shù) 。先將整個(gè)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(diào)用(包括地形上的地物)，重新構(gòu)成一個(gè)完成的地形模型。這樣可以根據(jù)視點(diǎn)所看到的區(qū)域，動(dòng)態(tài)地選擇小單元地形模型進(jìn)行調(diào)用，不需要調(diào)用整個(gè)地形模型，能有效地提高系統(tǒng)的吞吐量和場(chǎng)景繪制的實(shí)時(shí)性。

　　3 虛擬校園漫游功能的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dǎo)航漫游 、定點(diǎn)漫游、場(chǎng)景導(dǎo)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(dǎo)航的方式形象直觀地進(jìn)行校園漫游。

　　3．1 虛擬漫游人機(jī)交互控 制

　　人機(jī)交互一直都是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究中的重要內(nèi)容。漫游系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)交互性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是用戶對(duì)場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象能進(jìn)行某些操作，并且實(shí)體對(duì)象能：征即以某種形式的變化反饋給用戶，響應(yīng)用戶的操作 ；二是當(dāng)用戶的位置與視點(diǎn)改變時(shí)，漫游引擎要能夠立即調(diào)度場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)生成新的視點(diǎn)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(diǎn)位置的改變就是漫游系統(tǒng)中的主要交互方式。對(duì)視點(diǎn)控制交互方式的設(shè)計(jì)，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(diǎn)控制要能夠模擬行人在虛擬環(huán)境中觀察場(chǎng)景，在必要時(shí)還能以定點(diǎn)方位的方式瀏覽場(chǎng)景。在本系統(tǒng)中視點(diǎn)用虛擬相機(jī)來表示，所以對(duì)視點(diǎn)的控制實(shí)質(zhì)足對(duì)相機(jī)進(jìn)行設(shè)置與控制。通過對(duì)相機(jī)采用不同的控制方式可以實(shí)現(xiàn)不同的漫游方式。在校區(qū)漫游系統(tǒng)中，對(duì)相機(jī)使用以下控制方式：

　　(1)相機(jī)的靜態(tài)控制。相機(jī)本身具有位置和旋轉(zhuǎn)角度屬性。當(dāng)進(jìn)入漫游系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)需要義初始設(shè)置的默認(rèn)視點(diǎn)繪制場(chǎng)景，用戶可通過預(yù)設(shè)的視點(diǎn)切換校園場(chǎng)景。

　　(2)相機(jī)按固定路徑進(jìn)行漫游。按下響應(yīng)控制鍵，將按照設(shè)定好的路徑 對(duì)整個(gè)校園進(jìn)行瀏覽。如圖 6所示為自由導(dǎo)航模式下的校園全景。

　　(3)自由漫游。以第一人稱視角 進(jìn)行漫游 。

　　(4)定點(diǎn)漫游。點(diǎn)擊相應(yīng)建筑物名稱即傳送到對(duì)應(yīng)建筑物。

　　3．2 導(dǎo)航圖控制

　　如圖6左上角所示的導(dǎo)航圖是漫游系統(tǒng)中普遍使用的向?qū)Чぞ撸话闶褂枚S地圖表示。與三維場(chǎng)景的視圖相比，二維地圖的優(yōu)勢(shì)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(dāng)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(chǎng)景渲染成一張二維平面地圖，然后利用虛擬相機(jī)實(shí)現(xiàn)地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點(diǎn)的同步運(yùn)動(dòng)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文在研究基于多邊形的虛擬漫游實(shí)時(shí)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，以華北電力大學(xué)保定二校區(qū)為仿真實(shí)例，使用3DSMAX、Virtools中BuildingBlock及SDK工具設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了～個(gè)具有基本漫游功能及簡(jiǎn)單場(chǎng)景設(shè)置的實(shí)時(shí)虛擬校園漫游系統(tǒng)。針對(duì)本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及逼真性進(jìn)一步改進(jìn)的考慮，今后的工作包括：地形匹配問題；基于遮擋裁剪技 術(shù)的高效場(chǎng)景優(yōu)化問題；基于網(wǎng)絡(luò)漫游的實(shí)時(shí)性問題。另外，系統(tǒng)功能的進(jìn)一步完善也是今后的工作。通過功能完 善使之還具備實(shí) 時(shí)通訊、個(gè)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(luò)教學(xué)提供三維虛擬平臺(tái)。