三维数字校园实现方法研究.docx
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三维数字校园实现方法研究
城建学院
毕业论文
论文题目：
三维校园实现方法的研究
指导教师：
学生姓名：
专业：
班级：
日期：
年月日
目录
中文摘要…………………………………………………………………1
英文摘要…………………………………………………………………2
第一章绪论……………………………………………………………3
1、引言………………………………………………………………3
2、本课题的目的及研究意义………………………………………3
3、研究思路…………………………………………………………4
4、本课题的国内外的研究现状……………………………………5
第二章虚拟校园采用技术……………………………………………6
1、虚拟现实技术概述………………………………………………6
2、360度环视………………………………………………………8
3、基于瓦片地图技术的2.5维地图………………………………9
4、虚拟现实与360环视技术、瓦片地图技术对比………………10
第三章虚拟校园的实现………………………………………………18
1、VRML编程简介…………………………………………………18
2、虚拟建模…………………………………………………………24
3、虚拟浏览控制具体实现流程……………………………………30
4、虚拟校园发布……………………………………………………34
第四章总结和展望……………………………………………………40
1、课题总结…………………………………………………………40
2、未来展望…………………………………………………………40
致谢……………………………………………………………………41
已查阅参考文献………………………………………………………42
摘要
虚拟现实（VirtualReality）是把客观上存在的或并不存在的东西,通过运用计算机技术,在用户眼前生成一个虚拟的环境,使人感到像真实存在似的一种技术。
虚拟现实技术在许多不同的领域有广泛的应用。
本文主要针对虚拟现实开发的相关知识做了介绍，对比了虚拟现实不同实现方式技术的优缺点。
并且以VRML、java为基础，采用C/S架构，应用Skectchup、AutoCAD等开发工具，设计开发基于因特网的虚拟校园环境。
阐述了Skectchup、AutoCAD建模流程。
同时利用VRML技术在数字校园可视化中的应用，用虚拟空间场景代替传统的抽象地图及其相应的描述文件，从而以生动的模型来模拟和显示现实三维空间。
最终以人机互动方式来实现校园三维景观的实时漫游，为校园管理和服务提供一个科学简便、形象直观的可视化人机交互平台。
关键字：
VRML、虚拟现实、三维建模
ABSTRACT
VirtualReality（VirtualReality）isanobjectiveexistenceofthingsordoesnotexist,throughtheuseofcomputertechnology,beforetheusertogenerateavirtualenvironment,peoplefeellikeasarealtechnology.Virtualrealitytechnologyinmanydifferentareasofawiderangeofapplications.
Inthispaper,thedevelopmentofvirtualrealityforknowledgeisintroduced,comparedtothevirtualrealitytechnologyindifferentwaystoachievetheadvantagesanddisadvantages.AswellasVRML,java-based,theuseofC/Sarchitecture,theapplicationSkectchup,AutoCAD,suchasdevelopmenttools,designanddevelopmentofInternet-basedvirtualcampusenvironment.OnSkectchup,AutoCADmodelingprocess.Atthesametime,theuseoftechnologyintheDigitalCampusVRMLVisualization,virtualspacewithabstractscenestoreplacethetraditionalmapanditscorrespondingdescriptionfiles,sovividinthemodeltosimulateanddisplayrealisticthree-dimensionalspace.Theultimatewaytohuman-computerinteractiontoachievereal-timethree-dimensionalsceneoncampusroaming,managementandservicesforthecampustoprovideascientificandsimple,intuitiveimagevisualizationplatformforhuman-computerinteraction.
Keywords:
VRML、virtualreality,、three-dimensionalmodeling
第一章绪论
1、引言
随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展，以及数字地球概念的提出和广泛的实践，对现实大学校园的数字化和虚拟化，即对虚拟校园的研究与构建也越来越多。
虚拟校园（virtualcampus）是基于地理信息技术、虚拟现实技术、计算机网络技术等高新技术，将校园地理信息和其他校园信息结合，以三维可视化和虚拟现实场境界面实现校园景观、校园信息的浏览、查询，并可上载到计算机网络，提供远程用户访问的一个新的校园空间。
这个校园空间主要是利用虚拟现实技术沟建的，所以它也具有虚拟现实技术的一些特征--沉浸感和交互性，即用户在计算机所创造的虚拟校园中有身临其境的感觉，并能对虚拟校园中的实体进行观察、操纵和访问。
虚拟校园中所用到的地理信息技术是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。
通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。
2、本课题的目的及研究意义
早期的GIS主要为2DGIS，是以平面制图和平面分析为主要功能。
随着技术发展，以Flash技术为核心，360全景技术得到发展。
此时的三维GIS可以浏览三维景观，但是只能以固定路线浏览，互动性较差，三维真实感较低。
在此背景下，基于虚拟现实技术（VR）、地理信息技术（GIS）和计算机网络技术（WEB）等高新技术的三维GIS系统应运而生。
它将校园地理信息和其他校园信息相结合，以三维虚拟现实场景呈现校园风光。
而虚拟校园漫游系统则是在此基础上增加了漫游功能，更加具体表现了虚拟校园真实性和沉静性特点。
目前，开发虚拟校园漫游系统主要采用的技术有VRML、WTK、MultiGen等技术。
利用VR技术建设虚拟校园，可以在计算机或者计算机网络上构造校园景观三维真实感模型。
通过飞行模拟、步行穿越等方式实现对虚拟校园场景的交互式漫游。
这种交互式漫游允许用户随意手动控制如放大、缩小、从不同的角度、不同的高度观看、控制漫游的速度等。
利用虚拟校园建模手段还可以考察校园现状环境存在的问题。
将建筑物或园林设施的虚拟模型置于完整的虚拟环境中可以考察其与周围环境是否协调。
进行校区规划和建筑设计方案的可视化比选，从虚拟环境中移去拟拆毁建筑物可以分析拟定改造完成后对校园景观的影响。
用户还可以在校园电子地图或三维环境中查询、检索校园信息。
某些设施通过构造虚拟现实场景，用户可以获得身临其境的感觉甚至可以在网络上使用这些设施提供的服务。
3、研究思路
本论文研究虚拟校园建模和漫游技术，以城建学院作为实践，以虚拟现实技术作为关键技术，实现其虚拟建模和虚拟漫游。
操作过程如下:
3.1、数据收集
收集校内建筑的平面图、立面图。
如果没有，使用全站仪进行测量，获取建筑的轮廓图。
3.2、数据预处理
将数据导入计算机内储存，用CAD软件进行处理。
3.3、三维模型的建立
虚拟校园三维模型主要分为建筑模型、地形模型、地物模型三类。
分别对每一类进行建模。
3.4、材质和贴图
建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图。
通过贴图可以增加模型的质感，完善模型的造型，使创建的三维场景更接近现实。
3.5、编程实现
VRML本身具有一定的交互能力，当用户只是需要一些简单而且单一的动画时，不需要再借助其他的程序语言。
但在实际情况中，特别是在实现复杂的交互行为时，仅仅采用VRML将难以胜任，目前主要借助于第三方语言来补充，如Javascript、Java等。
本课题考虑采用功能强大的Java来实现。
3.6、虚拟校园发布
实现虚拟校园的最终漫游功能，并进行web发布。
4、本课题的国内外的研究现状
4.1、虚拟校园在国外研究现状
美国是VR技术的发源地。
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。
同时在美国VR技术已广泛应用于教育领域，美国大学校园的信息化建设己经涉及图书馆网络、学校管理工作、教学活动、科研活动、学生日常生活的各个方面，并且已经取得举世瞩目的成绩。
美国大学“虚拟校园”的大门己经向世界敞开。
比较著名的有：
辛辛那提大学、斯坦福大学、康奈尔大学医学院、乔治华盛顿大学、加州大学艾尔文分校等。
其次，在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本也是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。
另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。
但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。
日本电信与京都大学、Satnford大学合作致力开发网上虚拟京都，发布城市信息，为社会提供服务。
4.2、虚拟校园在国内研究现状
一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。
根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。
在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。
尤其在科技研究、虚拟仿真校园，虚拟教学、虚拟实验，教育娱乐等方面进行了更深入的研究。
网络教育的特点，虚拟现实技术的特点，决定了我们可以仿真我们的校园环境，因此虚拟校园是虚拟现实技术与网络与教育最早的具体应用。
这种应用在国内一些高校己经开始逐步推广、使用虚拟校园模式，比如香港理工大学、香港教育学院、香港职业技术培训学院、香港中文大学研究的类似系统实现了虚拟校园的部分功能，特别是香港理工大学的校园信息系统是一个较为成功的集虚拟现实技术、因特网和电子地图为一体的虚拟校园系统:
人们可以浏览虚拟校园环境，利用虚拟图书馆查找和阅读期刊及书籍，通过访问虚拟实验室来使用计算机设备，通过虚拟教室进行网上学习，而这一切都能让用户有身临其境感。
广西机电职业技术学院
第二章虚拟校园采用技术
1、虚拟现实技术概述
虚拟现实（VirtualReality，简称VR;又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。
虚拟现实是利用电脑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。
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，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，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。
该技术集成了计算机图形（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。
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。
虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能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”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。
上海大学
2、360度环视
360度环视技术（VirtualReality）,又称灵境技术。
九十年代初逐渐为各界所关注，在商业领域得到了进一步的发展。
这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉,这就是360度环视技术的浸没感（Immersion）或临场参与感。
360度环视与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，360度环视环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。
用户可以使用一个鼠标、游戏杆或其它跟踪器，随意“行走”在方案规划中的居住小区或购物中心，任意进入其中的建筑，甚至可以“乘座”电梯，上到二楼去看一看新店铺的门面设计，感受一下购物中心大厅的装饰和其透过明媚阳光的天窗。
另外，360度环视不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。
它以视觉形式反映了设计者的思想，比如当在盖一座现代化的大厦之前，你首先要做的事是对这座大厦的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，360度环视可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统沙盘的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。
这是VR所具有的第三类特征，即想象性（Imagination）。
正是由于360度环视技术的上述特性，它在许多不同领域的应用，可以大大提高项目规划设计的质量，降低成本与风险，加快项目实施进度，加强各相关部门对于项目的认知、了解和管理，从而为用户带来巨大的经济效益。
例如波音公司完全使用360度环视技术设计波音777新型客机获得成功；加拿大政府使用360度环视技术进行多伦多市（Toronto）的城市规划与管理，并把它作为申办2008年奥运会的重要宣传资料。
天津大学
3、基于瓦片地图技术的2.5维地图
由于地理数据的海量特征、地图服务器硬件条件的限制和高并发访问量的应用需求，系统不可能对每次客户请求为其专门渲染出一张地图并传回，瓦片地图技术是加快地图显示的有效途径，它极大地改善了用户体验。
这种技术是Google首先采用的，之后纷纷被各大WebGIS站点所采用，比如MicrosoftLiveMap，E都市和都市圈等，成为构建WebGIS地图的一种新的地图模式。
瓦片地图技术主要包含两大组成技术，一种是服务器端的瓦片金字塔地图库预生成技术，另一种是客户端的Ajax技术。
运用瓦片地图技术不需要为每次客户请求实时地渲染地图图片，而是首先运用瓦片金字塔地图库预生成技术在地图服务器上生成瓦片金字塔地图库，并把它存储在机器的高速硬盘目录下，然后在客户端运用Ajax技术将用户可视范围内所需要的地图瓦片传回，并进行无缝拼接，使其像整张地图图片的效果一样。
这样，在高并发访问量的情况下，不需要重复请求地图服务器渲染出相同地理位置的地图图片；客户端在平移地图等操作的情况下，也只需要下载可视范围内所缺少的地图瓦片和地理属性数据，不需要重复下载浏览器上已有的地图数据。
通过瓦片地图技术的支持，极大地改进了客户端和服务器端的交互效率，减轻了服务器负载和网络传输负担。
在此基础上，将三维地图投影在二维地图上，给人视觉上的三维立体感觉。
但是浏览速度又不会变慢。
都市圈、E都市等都采用了此技术。
E都市
4、虚拟现实与360环视技术、瓦片地图技术对比
4.1、360环视技术
对全景图的基本制作方法是：
在固定的视点用照相机或者摄像机按照一定的方式（通常是按照均匀角度绕轴旋转360度）采集图像，采集之后的图像输入计算机进行图像拼接、整合等处理，生成无缝全景图像，最后再用计算机经过投影展示出来，并且提供局部的有限的漫游功能。
在商用领域比较著名的有Apple的QuickTimeVR、IPIXViewer、LivePicture、IBM的HotMedia等系统。
对全景图的基本制作方法是：
在固定的视点用照相机或者摄像机按照一定的方式（通常是按照均匀角度绕轴旋转360度）采集图像，采集之后的图像输入计算机进行图像拼接、整合等处理，生成无缝全景图像，最后再用计算机经过投影展示出来，并且提供局部的有限的漫游功能。
在商用领域比较著名的有Apple的QuickTimeVR、IPIXViewer、LivePicture、IBM的HotMedia等系统。
（1）全景模型选择：
根据全景图投影展示方式的不同，主要可以分为3种模式：
立方体模式、圆柱模式、球面模式。
这三种模式就是分别把已经拼接好的全景图投影到立方体/圆柱体/球体的内表面。
此外还有其他展示模式，如采用正多面体去逼近球面的方法。
（2）图像采集：
一般有两种方法，用全景拍摄器材进行拍摄或者通过普通相机拍摄再进行图像拼接。
前一种方式比较容易采集图像，但是这种方法往往意味着购买昂贵的摄影器材，因此影响了其通用性。
而后一种方式，用普通相机在固定点拍摄图片然后拼接生成全景图的研究就显得比较活跃了，而全景图生成的核心技术——图像拼接算法正是研究的重点。
（3）图像拼接与缝合：
现有的全景图像拼接生成算法主要可以分为三类：
基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相关的方法。
在得到拼接好的图像后，还需要对图像重叠部分进行处理，以实现图像的无缝拼接。
目前经常采用的一种简单的图像缝合技术就是线性插值法（LinearInterpolation）。
（4）全景图展示：
得到360度的全景图像后，还要把该图像投影到所选择模型的内表面展示，并提供简单的浏览功能。
（5）运动物体生成和全景图生成一样，同样可以用以上3种方法生成。
在用照相机拍摄物体时，如果对物体的水平方向和垂直方向各拍摄一圈，就可以对物体进行二维的交互控制。
链接是指：
①把得到的全景图按一定方式组织起来，供交互式显示用；②把运动物体嵌入到全景图中去，成为“热点”，使用户可以对它进行交互式控制。
4.1.2、与虚拟现实对比
A、不是真正意义上的三维GIS，无法实现任意角度飞行。
B、视点单一，只能在场景内部实现漫游。
C、交互性、灵活差，只能使用已制作好的热点。
4.2、基于瓦片地图技术的2.5维地图
4.2.1、瓦片技术模型的构建算法如下:
（l）首先确定WebGIS地图服务平台所要提供的缩放级别的数量N，把放级别最低、地图比例尺最大的地图图片作为金字塔的底层，即第O层，并对其进行分块，从地图图片的左上角开始，从左至右、从上到下进行切割，分割成相同大小（比如256x256像素）的正方形地图瓦片，形成第0层瓦片矩阵;
（2）在第O层地图图片的基础上，按每2x2像素合成为一个像素的方法生成第1层地图图片，并对其进行分块，分割成与下一层相同大小的正方形地图瓦片，形成第1层瓦片矩阵;
（3）采用同样的方法生成第2层瓦片矩阵……如此下去，直到第N-1层，构成整个瓦片金字塔。
下图为瓦片金字塔模型的构建示意图。
金字塔构建模型示意图
4.2.2、地图制作过程
（1）先利用GoogleMap、BaiduMap将平面二维地图描绘出来。
（2）进行三维建模，建模后投影到1中的地图上
（3）用photoshop等工具渲染图片、处理图片
（4）利用瓦片技术分割图片
（5）发布地图
GoogleMap三维投影
4.2.3与虚拟现实对比
A、不能称的上是真正意义上的三维GIS系统，无法实现任意角度飞行
B、不是真正GIS系统，充其量就是一个图片Web文档管理系统。
无法实现任意比例尺，无极缩放，从其图片加载速度也可以看出，不是动态生成的图片，而是已经分割好的小图片。
C、放大缩小效果是采用不同的图片完成，即图片根据放大比例共分4层，其中每层又分为若干个小块文件。
D、客户端采用js实现托拽，并通过计算获得屏幕坐标和系统相对坐标（非真正地理坐标系），通过AJAX技术实现地图静态更新，动态生成页面文件。
已经加载的图像文件不需要更新，只需将分割的未加载文件载入即可。
4.3、虚拟现实技术
4.3.1虚拟现实关键技术
虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。
下面对这些技术分别加以说明。
实时三维计算机图形技术
相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。
如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。
例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。
广角（宽视野）的立体显示
人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。
当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。
在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。
用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。
有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。
用户（头、眼）的跟踪：
在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。
用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。
跟踪头部运动的虚拟现实头套：
在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。
另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。
在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。
在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。
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