基于虚拟现实的校园漫游视景仿真.docx

基于虚拟现实的校园漫游视景仿真.docx

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基于虚拟现实的校园漫游视景仿真

基于虚拟现实的校园漫游视景仿真

摘要：

介绍了视景仿真技术，建立虚拟校园场景，在计算机中构造出一个形象逼真的模型。

人与该模型可以进行交互，并产生与真实世界中相同的反馈信息，使人们获得和真实场景中一样的感受并产生逼真感和浸沉感。

利用虚拟现实技术，构造出虚拟校园场景，实现了自动漫游、手动漫游、各种实体的动态效果。

同时根据视景仿真系统的特点，在自动漫游和手动漫游过程中，以现有场景为基础，通过视频、图片、音乐对虚拟现实系统做了补充。

总之，通过各种各样的感觉，使我们能够与客观真实世界交互（交流），使我们浸沉于和真实世界一样的环境中。

该系统具有真实性、交互性、简单和易实现等特点。

这种虚拟漫游可以使人们足不出户就能了解真实的场景，实现异地漫游，感受到真实世界的状态。

　　关键词：

虚拟现实；视景仿真；三维视景生成

　　0引言

　　虚拟现实（VirtualReality简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。

它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，从而与虚拟环境进行交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。

此技术会让使用者有如同身临其境一样体验三维空间内的感受。

　　视景仿真技术（VisualSimulationTechno1ogy）是计算机仿真技术的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用，其组成部分主要包括仿真建模技术、动画仿真技术和实时视景生成技术。

视景仿真目前已经在许多领域得到应用，如：

校园景观模拟、军事训练模拟、航天器模拟、地形地貌模拟、城市建筑模拟。

校园视景仿真系统应用于校园的对外宣传和招生中，能给许多不能亲自参观考察学校的学生及家长等一种新的选择和高度逼真的视觉体验。

并且通过这种虚拟体验，促进校园文化、学术交流，有利于校园的对外宣传，使更多的人了解校园现状，因而具有较高的实际价值。

　　1虚拟现实技术的构成

　　虚拟现实技术有两大部分构成：

软件和硬件。

但是在实际应用中，并不可能将所有的虚拟现实设备、功能全部用上。

　　虚拟现实技术的软件包括基础建模软件、模型驱动及功能编程软件。

基础建模软件可以依据各种数据（航拍数据、CAD数据、照片图像数据等）按照一定的要求建成基础模型数据库，供后继开发使用。

模型驱动软件可以按照要求将模型驱动起来，使用户可以对其操纵。

通过一些功能编程软件可以实现用户某些特殊的要求，如场景转换、自动漫游、动画的运行停止、解说语音的播放。

　　计算机、头盔是显示器、跟踪器、传感手套、屏幕式、房式立体显示系统、三维立体声音生成装置等。

一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境（计算机），视觉系统（数字头盔、立体眼镜），听觉系统（立体声设备），身体方位姿态跟踪设备（跟踪器、传感手套），以及味觉、嗅觉、触觉与力觉的反馈系统等功能单元构成。

迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，是基于大型数据集合的声音和图像的实施动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、使用的输入输出设备不断地进入市场，而这些都为虚拟现实技术的发展打下了良好的基础。

　　2虚拟漫游的场景规划

　　在对真实环境的考察基础之上，建立真实场景的全局规划。

考虑到整个场景中的各个对象是通过空间相对位置关系组织到一起的，因此需要建立一个对象，以其为基准来确定其它对象的位置。

在真实的场景规划中我们可以根据真实校园环境的主干道路为参照对整个场景划分为若干区块，分块进行三维建模。

同时在对各区块外部景观树木、草地、路灯等进行建模，最后将其并结成一个整体。

同时通过以下策略实现载入的优化：

①对于重复出现相同实体使其共用纹理和材质;②纹理图片进行优化，在保持效果的前提下，缩小纹理的大小，这样可以在程序运行的时候尽可能少的占用显存;③实现动态载入技术，即当场景中需要什么实体（包括模型、图片、音乐、视频）时动态载入；④在纹理渲染方向，材质渲染选择最近的渲染方式，可以减少占用显存;⑤在实现现有功能的前提下，对消息控制和流程控制进行优化。

　　虚拟场景的规划要尽量贴近真实场景，让真实地景、地物的再现，使用户尽量能够真实的了解现实场景中情景，如同身临其境一般。

　　3虚拟漫游系统的开发流程

　　虚拟校园漫游系统能将二维校园平面图拓展为三维空间，能更逼真、更形象地呈现校园的自然文化风貌。

访问者能自主地领略校园文化、生活氛围。

　　虚拟漫游系统的实施步骤包括场景规划、三维建模和场景漫游路径设置等步骤，其具体开发流程如图1所示。

　　3.1原始数据收集

　　通过对校园的原始规划方案的查找、实地考察、航拍等，获取其数据信息，包括地理位置、布局安排、校园建筑结构以及相关图片、影像资料的信息。

这些信息的获取为校园的三维场景、实体建模提供了大量的数据资料，从而更加真实的反映现实世界的具体情况。

　　3.2三维视景生成

　　三维模型是整个实时漫游系统的基础，模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度，所以在建模的过程中要想方设法控制模型的网格密度。

有时可以删除掉那些看不到的面或相互交错的面，显示尺寸小的东西用较小的顶点数表现，能使用贴图代替模型的尽量使用贴图。

在建模的过程中控制三维模型的复杂程度，尽量使用原始模型，尽量控制三维建模的总数量，从而最大限度的简化场景数据量。

　　根据场景规划方案进行三维建模，三维建模包括三维地形建模和三维实体建模。

根据数码采集的相片，制作生活区、教学区、道路等3D模型。

根据数字化仪，先得到人物、建筑物等实体的模型，然后通过3DMAX进行模型优化。

并对某些模型加入了动作。

生成模型后，运用以下的方法，生成Virtools可载入的文件。

如图2所示

　　3.3内嵌场景及内外场景的过渡

　　对于庞大的虚拟场景来说，可以将其中的部分场景作为内嵌场景，例如图书馆、多媒体教室等。

内嵌场景作为一个独立的场景文件创建，在浏览主场景时，访问者可以自主进行资源的浏览和设备的控制。

内嵌场景用inline语句引用显示在主场景中。

　　需要指出的是：

内嵌场景的引用并不是将所有的内嵌场景文件中的模型顶点标记在主场景文件中，而是只需记录下内嵌场景的URL地址并标出它的总体大小尺寸即可。

如果需要浏览校园某个建筑的内部时，就可以为建筑的内部单独制作一个场景文件，例如图书馆、多媒体教室、学生宿舍等。

在设计场景时，不仅要创建外部场景，还要创建内部场景。

在设计大门时，不仅要做出关闭的样子，还要创建一个接触触发器节点，在节点中创建门在打开后的模型和开启时间，最后用路由节点ROUNT来连接两者。

　　3.4视景仿真的利用

　　利用Multigen-Vega仿真软件调用建立好的散文虚拟场景，完成丰富多彩的仿真渲染效果。

为了加强漫游效果，可以结合VC++编程设置人工干预路径，同时在场景中加载音乐、解说等配音效果。

视景仿真技术的应用可以使用户具有感知能力，并使用户全身心的投入到计算机创建的三维虚拟环境中，如同在现实世界中的感觉一样。

同时，用户还可以与环境通过实时、有效地开展交互，完成特定意义下的功能实现，使参观者身处其中对模拟环境内各种虚拟的事物进行触摸、移动等进行各种交互。

视景仿真的多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）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，在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。

用户还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。

　　4系统漫游的实现

　　系统漫游的实现包括自动漫游的实现、交互式漫游的实现和视景特效。

用户可以通过键盘控制切换漫游的方式，利用操作系统的消息机制，调用函数，应用程序消息响应而实现。

　　自动漫游实际上就是虚拟场景中的动画，对于导航线路的指定、运动控制和试点等主要利用触发器和插值器技术来实现的。

路径的选择可以由给定的坐标决定，也可以设计专门的数据文件用以存放路径位置的关键点坐标。

场景中所建立的不同视点通常在右键单击浏览图中弹出的菜单中显示出，也可以根据漫游的路线在网页中显示出。

在漫游的实现上可以是事先定制的漫游路线，也可以根据浏览者的个人意愿选择其中一条路径进行自动漫游。

　　在交互式漫游中，替身是虚拟现实技术中虚拟世界中人的象征，使用替身观察世界以及同虚拟世界的交互，使替身在虚拟场景中随意进行前进、后退、旋转等，从而看到场景中任何一个角落。

通常只需借用替身的眼部观察，以鼠标作为人机的交互工具，此时替身外表并不需要显示。

由于替身的外表特性会影响到对虚拟校园的观察，因此需要提供替身的外表特性，另外替身观察虚拟场景的移动方式也会像人一样需要设定，而替身的外表和移动特性主要由NavigationInfo节点控制。

　　视景特效的实现体现在：

①在模型中加了动作以后，车的行驶、学生的行走、鸟的飞翔、都可以转变为角色对象，可以通过PositionOnCurve实现其功能；②草地、树木在做模型时做成一个平面的模型，然后通过TextureSine实现纹理的流动，通过PlayAnimation3DEntity实现模型的动作；③树木随风摆动也可以通过纹理的动作来实现。

　　5结束语

　　随着虚拟现实技术的发展，它在各个领域中的应用越来越广泛，包括科学研究、教育、建筑、工程和商业等，已被越来越多的人所重视。

本文基于虚拟现实技术，实施了一个视景仿真漫游系统。

本文采用Virtools技术进行开发，侧重于虚拟场景的虚拟现实技术，设计实现了虚拟场景的视景仿真系统，实现了虚拟漫游等多功能，交互形式丰富，使用户有临场感、真实感。

通过三维建模使该虚拟环境中事物具有实物性，用户在漫游过程中具有身临其境的感受。

在该虚拟场景中灵活的漫游路径丰富了用户漫游的体验，增强了视景仿真系统的真实感。

　　参考文献：

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（1）.

　　［6］郭轶，陈岱林，姜立，等.基于虚拟现实的三维建筑造型和装修设计系统［J］.计算机仿真，2008（11）.

　　VisnalSimulationofRoamingBasedonVirtualRealityinCampus

　　Abstract:

BrieflyintroducedtheSceneSimulationTechnology,tobuildavirtualcampusscenes,incomputerinconstructingaimagelifelikemodels.Peoplewiththismo