基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现本科论文.docx
《基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现本科论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现本科论文.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现本科论文
梧州学院
毕业论文
论文题目基于虚拟现实技术的三维校园
漫游系统的设计与实现
系别计算机科学系
专业计算机科学与技术
班级
学号
学生姓名
指导教师（签名）
完成时间年月
摘要
虚拟现实技术是信息科学的一个重要分支，它综合利用了计算机图形学、仿真技术来模拟人的视觉、听觉等感觉器官功能。
三维校园漫游系统是基于虚拟现实的相关技术开发的三维校园视觉仿真漫游系统。
系统对校园实景进行仿真建模，将学校的各种地理信息都收集、整理、归纳，然后按照学校建筑的地理坐标建立完整的三维模型。
它为校园规划建设、游客观光导航、学校对外宣传等方面提供了一个智能化的平台，为广大系统用户提供了极大的便利。
本文以三维校园漫游系统为核心展开，论述了项目开发的目标和功能的实现，并重点介绍了系统分析与设计、3DSMAX三维建模、纹理映射和地图引擎制作的全过程，实现三维校园的虚拟漫游和智能导航功能。
对于场景模型的优化，文中给出了四种常用的优化技术的原理和应用方法。
文中还着重阐述了纹理映射技术，分析了各种情况下的纹理映射技术。
后期用VRP-BUILDER虚拟现实编辑器模块制作地图引擎、人机交互等功能，为用户提供一个友好的人机界面。
关键词：
虚拟现实漫游三维建模贴图VRP
VirtualrealitytechnologybasedonThree-dimensional
campusroamingSystem
Abstract
Virtualrealitytechnologyisanimportantbranchofinformationscience,itisutilizationofcomputergraphics,simulationtechnologytosimulatehumanvision,hearingandothersensoryorgans.
Campusroamingsystemisbasedonthree-dimensionalvirtualrealitytechnologydevelopmentrelatedtothree-dimensionalvisualsimulationroamingthecampussystem.Virtualsimulationsystemformodelingschool,theschool'sallkindsofgeographicinformationcollection,collation,induction,andthenfollowthegeographiccoordinatesoftheschoolbuildingtoestablishacompletethree-dimensionalmodel.Itisthecampusplanningandconstruction,touristsnavigation,schoolsandotheroutreachtoprovideanintelligentplatformforthemajorityusersofthesystemprovidesagreatconvenience.
Inthispaper,three-dimensionalsystemasthecoretostartroamingthecampus,discussestheprojectdevelopmenttoachievetheobjectivesandfunctions,andfocusesonsystemsanalysisanddesign,3DSMAXthree-dimensionalmodeling,texturemappingandmapmakingthewholeprocessoftheengine,toachievethree-dimensionalcampusVirtualTourandintelligentnavigation.Optimizationmodelforthescene,thepapergivesfourcommonprinciplesandapplicationsofoptimizationmethods.Thepaperalsofocusesonthetexturemappingtechniquetoanalyzeavarietyofsituationstexturemappingtechniques.LaterwithVRP-BUILDEREditormoduleproductionofvirtualrealitymapengine,interactiveandotherfunctions,provideuserswithafriendlyinterface.
Keyword:
VirtualRealityRoaming3dModelingMappingVRP
前言
进入21世纪以来，以信息技术为代表的科技革命迅猛发展，信息和知识已成为当今社会发展的动力和经济发展的基础。
作为一门崭新的综合性学科，虚拟现实技术（VirtualReality）实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境的感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬的现状，使人能以视、听、触等人类习惯和自然的方式来感受和认识计算机生成的虚拟世界，促进人与环境的交流，从而更深层次地开发人类智慧。
三维展示是虚拟现实的一个重要应用。
它利用虚拟现实技术对事物细节“以假乱真”的描述能力和身临其境的表现魅力来展示新产品、设计规划、以及进行空间管理等，能取得很好效果。
随着计算机软、硬件的发展，三维可视化展示在越来越多的领域都表现出很大的优点，虚拟现实技术的发展前景也越来越广阔。
在传统的表现方法中，如果用户想换个角度或是换个高度来观察对象，那就会带来很多的麻烦，有时也是难以实现的。
所以，人们需要以虚拟现实技术来实现对三维可视化景物的实时交互操作就显得尤为重要。
例如，用户可以在三维的数字化小区里沿着道路像行走一样观察两边的建筑，也可以在不同的高度、不同的远近程度的情况下查看，或者沿着三维数字校园里的道路参观任何一处自己感兴趣的场景。
在设计一个重要或者标志性建筑的时候，设计者还可以从上下左右各个不同的角度来观察它的美观性、合理性。
这就是三维实时漫游技术的魅力，也是未来数字城市、数字校园、数字小区等的发展方向。
三维漫游系统是基于三维场景模型的活动。
因此，三维场景模型的建造是整个三维漫游系统的基础，三维场景模型质量的高低直接关系到漫游系统的成败。
本项目设计的三维校园漫游系统是为校园参观者或导游者提供的一种更为便捷的三维虚拟漫游，主要用于帮助不了解校园的参观者或导游者在不到学校的情况下能对校园景观进行了解，另外也解决了这些人群在进行采访或参观时所遇到的校园路径方向问题，为此，设计该系统能够给带来他们一种比较方便快捷的导航帮助。
本文论述了校园漫游系统开发的目标和实现的功能，并重点介绍系统分析与设计、三维建模、纹理映射和地图引擎制作的全过程。
对于场景模型的优化，文中给出四种常用的优化技术的原理和应用方法并着重阐述纹理映射技术，分析各种情况下的纹理映射技术，比较各种纹理映射技术的优劣。
本文分为六章编写：
第一章为虚拟现实技术的介绍，说明虚拟现实技术的概念及特征并对它的应用领域做出分析，最后还简述本课题在国内外发展动态及存在的问题及本系统开发的背景和意义。
第二章提出系统中碰到的技术难题及解决方法，其中涉及到地理环境问题、计算机硬件问题、模型数据量问题、走样问题。
本章分析各种问题出现的原因及注意事项，并给出解决方法。
第三章是系统分析与设计阶段。
对系统的现状进行分析，根据系统的目标、需求分析和功能分析，制定和选择一个较好的系统方案，从而达到一个合理的优化系统。
系统设计的目的是最大限度地运用系统分析的结果，设计出能最大限度地满足要求的系统。
第四章介绍场景三维模型的建造，文中对几何建模、建模的要求、建模的原则进行概要的叙述，并以体育馆为例子对建模的流程和过程进行详细的描述。
第五章是对三维漫游场景生成技术的说明。
现阶段主要使用的场景生成技术主要包括可见性判定和消隐技术、多细节层次（LevelsOfDetail）技术、实例（Instance）技术、纹理映射（Texturemapping）技术、贴图的烘焙等，文中详细介绍各种技术的原理和方法，并着重阐述各种情况下的纹理映射技术。
第六章为地图引擎、用户界面的制作。
运用VRP-BUILDER虚拟现实编辑器模块实现地图引擎、人机交互等功能，为用户提供一个友好的人机界面。
第一章虚拟现实技术
1.1虚拟现实技术的概念
虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以交互性、沉浸性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面，是迅速发展的一项综合性计算机图形交互技术[1]。
VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。
使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。
该技术集成计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或现实意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。
而“虚拟”是指用计算机生成的意思。
因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到该环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。
概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。
从本质上来说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作。
根据虚拟现实技术所应用的对象不同，其作用可表现为不同的形式，例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化，实现逼真的遥控现场效果，达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。
1.2虚拟现实技术的特征
虚拟现实系统的主要特征包括：
多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）。
这些特性使用户能够真正进入一个由计算机系统产生的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。
通过参与者与虚拟环境的相互作用，并借用户助本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。
身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程）是虚拟现实的最终目的。
1.2.1多感知性（Multi-Sensory）
所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
最理想的虚拟现实技术应具有一切人所具有的感知功能[2]。
但由于相关技术，特别是传感器技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种，其他的感官功能还有待于相关技术的改进而实现。
1.2.2浸没感（Immersion）
沉浸感又称临场感，它是指用户作为主角存在于利用计算机产生的三维立体模拟环境中所感觉到的真实程度。
它让用户置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中。
该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
1.2.3交互性（Interactivity）
用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
1.2.4构想性（Imagination）
强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
这里，虚拟环境处理器是VR系统的心脏，完成虚拟世界的产生和处理功能。
输入设备给VR系统提供来自用户的输入，并允许用户在虚拟环境中改变自己的位置、视线方向和视野，也允许改变虚拟环境中虚拟物体的位置和方向。
而输出设备是由VR系统把虚拟环境综合产生的各种感官信息输出给用户，使用户产生一种身临其境的逼真感。
1.3虚拟现实技术在各个领域的应用
虚拟现实作为一门崭新的学科，它可广泛的应用于现实中的各个领域，例如军事领域、医学领域、教育领域、互动娱乐领域等。
随着虚拟现实相关技术的逐步发展和完善，它还将更加深入的应用于更多的领域，发展前景十分良好。
1.3.1在军事领域中的应用
虚拟现实技术在军事领域的应用主要表现在虚拟战场环境、单兵模拟训练与考核、多兵种联合虚拟演习以及进行指挥员的训练等。
美国国防部和军方认为：
虚拟现实将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。
他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役计划及虚拟座舱等应用环境，并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用[3]。
1.3.2在医学领域的应用
虚拟现实在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。
在虚拟环境中，虚拟现实技术可应用于仿真组织、器官的解剖结构，包括虚拟人。
今后还可构建出“虚拟器官”，它可以对各种刺激做出反应，且具有生长功能，可模拟实际人体器官的生理、病理、康复过程。
1.3.3在教育领域的应用
利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，能够为学生提供生动、逼真的学习环境，拥有传统实验室难以比拟的优势。
亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输有本质的差别，这可以加速和巩固学生学习知识的过程。
虚拟校园是虚拟现实技术与网络教育最早的具体应用，天津大学早在1996年在SGI硬件平台上，基于VRML国际标准，最早开发了虚拟校园，让大家领略到近代史上久负盛名的大学。
到现在，人们已经不满足于仅仅是校园环境的欣赏，而是要体验到其中全方位的教育，形成一个完整的虚拟校园体系。
中央广播电视大学，将网络学院具体的实际功能整合到基于Internet的类游戏图形引擎中，作为基础平台进行大规模应用。
1.3.4在互动娱乐领域的应用
互动娱乐领域作为虚拟现实技术的一个重要发展方向，它在虚拟现实的带领下正高速的发展。
著名的游戏公司暴雪娱乐（BlizzardEntertainment）所制作的一款大型多人在线角色扮演游戏《魔兽世界》就是最成功的一个典范，截至2008年底，全球的魔兽世界付费用户已超过1150万人，并成功打进吉尼斯世界纪录大全。
从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。
随着虚拟现实技术的发展，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐做出新的更大的贡献。
1.4虚拟现实技术的国内外研究动态
早在20世纪60年代初，人们就开始着手立体声与三维立体显示相结合的计算机系统的研究。
80年代，JaronLanier提出了“虚拟现实”VR（VirtualReality）的观点。
后来美国宇航局（NASA）的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备，开始研制了低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件的进步。
现在，虚拟现实技术已获得长足的发展。
我国在20世纪80年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段。
1.4.1美国虚拟现实技术的研究动态
美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。
目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。
美国宇航局（NASA）的Ames实验室研究主要集中在以下方面：
将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。
现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划。
现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。
北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。
LomalAnda大学医学中心的DavidWarner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。
麻省理工学院（MIT）是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。
华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（1ilTlab），将VR研究引入教育、设计、娱乐和制造领域。
从90年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：
虚拟战场环境；进行单兵模拟训练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。
1.4.2英国和日本虚拟现实技术的研究与开发
在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面，英国在欧洲占据着领先地位。
英国主要有四个从事VR技术研究的中心：
Windustries（工业集团公司），是国际VR界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；BritishAerospace（英国航空公司BAe）的Brough分部，正在利用VR技术设计高级战斗机座舱；DimensionInternational是桌面VR的先驱。
该公司生产的一系列的商业VR软件包，都命名为Superscape；DivisonLTD公司在开发VISION、ProVision和su—pervision系统／模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技术[4]。
本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。
京都的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用，他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。
日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。
1.4.3我国虚拟现实技术的研究现状
我国VR技术的研究起步较晚，与国外发达国家还有有一定的差距，但现在已引起国家相关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。
九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入研究项目。
国内一些重点院校，已积极投入到这一领域的研究工作。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEG标准压缩编码新方案，以获得较高的压缩比、信噪比以及解压速度。
近年来，我国在虚拟现实技术方向的发展极为迅速，被广泛的应用在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探测绘、生产制造、军事航天等数十个重要的行业，全世界的目光都聚焦于虚拟现实技术在中国的蓬勃发展。
现在流行的网络游戏，实质上也是虚拟现实技术的一种简单应用。
1.5本课题的研究背景及意义
随着计算机技术，特别是计算机图形学、三维仿真技术以及虚拟现实技术的飞速发展，信息管理的数字化和实物模型的虚拟化已成为当今世界非常重要的技术应用领域。
信息化时代的到来，使网络虚拟展现有了很大的冲击性，被广泛应用于房地产、医疗、教育、军事航天等领域。
当前，各个高校都在大力宣传校园建设和推广数字化校园理念，但是，仅靠传统的学校网站、论坛（BBS）等是远远不够的。
一个高校怎么才能扩大自己的知名度，给人们以更加直观的方法去了解学校自身的真实景观。
三维校园漫游是虚拟现实技术在数字校园中的具体应用，它运用计算机图形学以及图像处理技术结合三维可视化模型在屏幕上显示校园环境，并实现漫游、人机交互等功能。
它具有校园对外宣传的功能，给普通用户搭建一个了解校园的良好平台，使用户可以全面直观地了解校园，对校园的各种景观建筑的属性进行查询。
当前，国内许多高校都已经建立起自己的虚拟校园展示平台，并取得了很好的宣传效果。
梧州学院前身是原广西大学梧州分校，创立于1985年。
2006年2月经教育部批准，在原广西大学梧州分校的基础上建立梧州学院，是一所多科性的地方全日制普通高等本科院校。
作为广西的10几所本科院校之一，梧州学院在其26年的建校历程中，得到了社会各界的广泛认可。
虚拟校园的开发建设正是将学院26年的发展历史呈现于世人面前，让外界人士了解校容校貌。
同时对学校的外宣、招生、校容校貌的展示起到强有力的辅助性作用，为信息化、数字化校园工程建设打下基础。
本系统的研究与实现有助于开展校园虚拟场景的导航与展示，也可用于校园建设的规划管理，另外对有关三维建模、场景漫游、人机交互、虚拟小区、虚拟城市等方面的进一步研究实现也起到初步的示范作用。
第二章技术难题及解决方法
在三维场景的建造过程中，比较大的问题往往出现在场景的制作阶段和最后的场景优化阶段。
在场景的制作及优化阶段，必须让三维场景在漫游系统中反复验证，不断找出场景所存在的漏洞，并及时改正直到验证满意为止。
其
升级会员 