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虚拟校园漫游系统的设计与开发毕业论文
虚拟校园漫游系统的设计与开发毕业论文
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2虚拟现实技术概述1
1.3虚拟现实技术的定义和特征4
1.4本文的主要工作5
1.5论文的主要结构6
第二章系统总体设计7
2.1系统的总体结构7
2.2开发工具8
2.3系统开发流程11
第三章虚拟校园场景建模13
3.1场景建模13
3.2场景对象优化19
3.3场景外观21
3.4本章小结24
第四章虚拟校园漫游系统的交互25
4.1VRML传感器节点简介25
4.2虚拟校园漫游系统的交互26
4.3虚拟校园漫游系统的视点控制28
4.4本章小结29
第五章虚拟校园漫游系统的优化30
5．1碰撞检测技术30
5．2层次细节技术30
5．3纹理映射技术31
5．4场景消隐技术31
5．5文件编辑环节的优化32
5.4本章小结33
第六章总结与展望34
参考文献35
致 谢36
附录1虚拟校园漫游系统的部分场景图37
第一章绪论
1.1引言
虚拟现实技术（VirtualReality,简称VR）是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。
它融合了数字图象处理，多媒体技术，传感器等一系列新兴技术，利用计算机生成虚拟的环境，并可以进行交互和仿真。
人们将虚拟现实技术看做是仅次于互联网的改变世界的未来的重要技术。
当代科学技术的发展以及人们为了适应未来信息社会的需要,必须提高人与信息社会的接口能力，提高人对信息的理解能力。
人们不仅要求通过打印输出在外部去观察信息处理的结果，还要求能通过人的视觉、听觉、触觉以及形体、手势或者口令等参与到信息处理的环境中去，从而获得身临其境的体验[1]。
虚拟现实技术是一种计算机界面技术。
是一种先进的计算机用户接口。
它通过给用户提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观和自然的实时交互手段，最大限度的方便用户的操作，提供用户对一些事物真实的感受。
虚拟现实实时的三维空间表现能力，人机交互的工作环境，以及给人带来的身临其境的感受，改变了人与计算机的枯燥、生硬的现状。
人们过去只能从计算机系统外部去观察处理的结果，现在已能够沉浸到计算机系统所创造的环境中；过去只能通过键盘、鼠标、麦克风与计算机环境中的单维数字信息交互，现在已能够利用多种传感器与多维化的信息空间发生交互。
目前，虚拟现实技术在应用方面的研究非常的活跃，涉及的领域非常的广泛，也充分显示出其良好的发展前景。
如在军事、机械设计方面、医疗、教育、娱乐等方面，虚拟现实都起到了增强现实的作用，在一定程度上的人机交互中，用户把计算机作为完成工作的工具，增强用户对现实世界的感知和交互。
虚拟现实技术与多媒体技术、网络技术是21世纪三大最具发展潜力的计算机应用技术。
虽然虚拟现实目前还存在着许多尚待解决的理论问题和尚未克服的技术困难，对人类的生活工作所产生的影响也不过微乎其微。
但是，可以预见的是，在不久的将来，虚拟现实技术必将对人类的生产和生活产生重大的影响。
1.2虚拟现实技术概述
1．2．1虚拟现实的演进
虚拟现实技术经历了探索、集成、全面发展三个阶段。
1962年MortonHeilig研制成功首台全传感仿真系统Sensorma。
1965年Sutherland博士提出UltimateDisplay（终极显示）概念。
1968年Sutherland首次研制成功头盔式显示器（HeadMountesDisplay，HMD）。
20世纪70年代中期美国战斗机飞行模拟器研制成功，仅头盔显示器就价值数百万美元，其屏幕显示容主要包括：
窗外场景、敌友识别符、攻击目标信息、威胁信息以及优化的飞行路线。
1984年，WilliamGibson的小说《Neuromnance》（神经漫游者），使赛博空间这个词得到了广泛的推广。
20世纪80年代中期，美国NASA研制成功应用于载人航天使用的VIEW系统，VIEW系统具有以下特征：
头部安装有跟踪器、单色宽视场立体头盔显示器、语音识别器、三维声音输出装置以及带有跟踪器的数据手套等。
VIEW系统配置已经成为当今虚拟现实系统的典型配置。
20世纪90年代，VR的研究热潮开始向民用高科技企业转移。
20世纪90年代中期，标准化的虚拟现实建模语言VRML为在INTERNET上构建可共享、可交换的WWW（WORDWIDEWEB）虚拟环境奠定了良好的基础。
随着技术的进步，VRML本身也从早期的VRML1.0发展到了VRML2.0，再发展为VRML97标准，直到目前的X3D规[2]。
1．2．2虚拟现实技术的发展现状
（1）国外虚拟现实技术的研究现状
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[4]。
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。
大量运用了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。
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MIT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（HITLab），将VR研究引入了教育、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[5]。
（2）我国虚拟现实技术的研究现状
我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有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列入了研究项目。
国一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。
北京航空航天大学计算机系是国最早进行VR研究、最有权威的单位之一，并在以下方面取得进展:
着重研究了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。
大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了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。
工业大学已经成功地虚拟出了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；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，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度；北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。
1．2．3虚拟现实的发展趋势
虚拟现实技术是20世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处于初创时期,远未达到成熟阶段。
在虚拟现实的理论、算法和技术实现等各方面都有很多待解决的课题和待发展的领域，它的发展创新的余地很大。
虽然目前世界各国都已成功地开发出一些虚拟现实的典型应用项目，但与其它高新技术的应用相比，尚处于应用开发的初始阶段。
虽然人们也许不能清楚地设想出，新世纪里虚拟现实出现并普及的新形式，但人们能通过应用媒介形态变化原则和延伸媒介领域的主要传播特性，构想出合理的未来情境。
总体上看，纵观多年来的发展历程，VR技术的未来研究仍将遵循“低成本、高性能”这一原则，从软件、硬件上展开,并将在以下主要方向发展：
（1）动态环境建模技术
虚拟环境的建立是VR技术的核心容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。
（2）实时三维图形生成和显示技术
三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究容。
此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。
（3）新型交互设备的研制
虚拟现实实现人能够自由地与虚拟世界中的对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。
因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。
（4）智能化语音虚拟现实建模
虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。
如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来，可以很好地解决这个问题。
笔者对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价，将基本模型用对象表示出来，并逻辑地将各种基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型。
在各种模型形成后进行评价并给出结果，并由人直接通过语言来进行编辑和确认[5]。
1.3虚拟现实技术的定义和特征
1．3．1虚拟现实的概念
虚拟现实（VirtualReality,简称VR）是由美国公司的JARONLANIER在1989年创造的一个新词。
他通常是指采用头盔显示器、数据手套等一系列新型交互设备构造出的用以体验或感知虚拟境界的一种计算机软、硬件环境，拥护使用这些高级设备以自然的技能（如头的转动、身体的运动以及人类自然语言等）向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。
虚拟现实不是一种真实的世界，而是一种虚假的，可交互的环境，人们可使用计算机等高级设备融入到虚拟的情境中去，行动自如地观察环境的全部或者局部乃至细节。
透过外在的现象来总结，虚拟现实就是抽象的、复杂的计算机数据在空间上表示直观的用户熟悉的事物的一种技术。
是一种高级的人机交互活动。
虚拟环境通常是由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互。
可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的[7]。
虚拟现实在很大程度上基于计算机图形学技术发展而来。
计算机图形学的任务是在计算机上生成看起来像真的的，动起来像真的图象，而用户通过显示器观看计算机生成的图象所构造出来的世界景象。
1．3．2虚拟现实的特征
VR技术的发展始终围绕它的三个特征而前进，即沉浸感、多感知性、交互性。
这三个重要特征与其相邻近的技术（如多媒体技术、计算机可视化技术等）相区别。
（1）沉浸感
指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界；用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。
（2）多感知性
指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。
理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。
（3）交互性
指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流；用户对模拟环境物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度[8]。
因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。
虚拟现实的关键技术主要包括：
动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。
1.4本文的主要工作
在对本选题的研究过程中，我深入地研究了虚拟现实技术，对各种三维建模技术、虚拟现实交互技术进行了比较分析，并以科技学院为例，实现了校园环境的虚拟漫游。
具体地说，本文的工作主要有以下几方面：
（1）研究了现有的构建虚拟现实的语言，确定了以VRML语言为基础技术构造虚拟系统的解决方案。
（2）虚拟校园场景建模；选择了用3DSMAX来进行模型的创建与修改活动。
（3）研究了VRML造型节点和编组节点技术，实现了对复杂场景数据的有序组织。
采用3DMAX和VRMLPad实现虚拟场景对象的建模、添加节点、校验和测试。
（4）虚拟校园漫游交互设计，探讨了基于VRML建感知器的交互，实现了视点的控制和部分的动画交互。
（5）虚拟校园漫游系统的优化。
（6）设计并实现了一个虚拟校园。
本文通过对实际操作中的一些过程和设计的总结，并在此基础上，充分描述VRML语言和相关软件的使用和方法。
1.5论文的主要结构
本文共分6章，用来研究和探讨基于VRML技术构建虚拟现实系统的关键技术。
第一章对虚拟现实技术的研究现状及发展方向作了概要性的介绍；
第二章主要介绍了系统的主要结构框架和系统开发的相关工具。
提及了系统设计开发流程。
也探讨了怎样利用其他相关软件与VRML结合设计与开发的问题。
第三章主要研究虚拟场景对象的建模、纹理贴图、模型对象的优化；对VRML构建虚拟场景的方法进行了研究，同时还对场景外观、场景优化进行了讨论。
第四章研究了人与虚拟环境对象的交互方法；
第五章介绍了设计时所做的系统优化的工作与方法。
第六章总结了本文所做的工作，分析其成功与不足，并对未来工作做了进
一步的构想。
第二章系统总体设计
2.1系统的总体结构
为了保证整个场景能顺利流畅地在普通高档微机上运行，同时达到实时
漫游的功能以及安全可靠，按照任务侧重点的不同，可将整个系统分解成场
景模型子系统、漫游引擎子系统、渲染输出子系统等，他们在功能上相对独
立，通过数据接口相互联系。
系统总体结构如图2-1所示:
图2-1虚拟校园漫游系统总体结构图
场景调度：
在建模工作进行之前，首先要对所建场景进行一个全面和完整的分析。
基于场景分析的基础上，我们制定了校园建模的计划。
再采取各个击破的原则，分别对各个建筑群建模，完成场景的总体调度。
碰撞检测：
碰撞检测是构造虚拟漫游系统不可缺少的一个重要部分，它可以使用户以更自然的方式与三维场景中的对象进行交互。
如果没有碰撞检测，当一个对象碰到另一个对象时，往往会“穿透而过”，而不会产生碰撞的效果，这在现实中是不存在的。
因此，构造虚拟校园漫游系统时，必须能够实时、精确地判断场景中物体之间是否发生碰撞。
虚拟校园漫游场景中动态物体与静态物体之间或者动态物体与动态物体之间的交互基础就是碰撞检测。
地形匹配：
地形对漫游的真实性和系统运行的实时性有重要影响。
地形对象模型是虚拟校园模型系统的基础，是布置地物对象模型的依据。
地形对象三维模型的建立是开发虚拟校园必不可少的一个关键环节，对其它虚拟系统同样如此。
三维场景建筑建模：
楼房是虚拟校园漫游系统中的主要景观，也是建模的重点。
所以，三维场景建筑建模是系统真实性的最真实的反映。
三维场景建筑建模是对校园景观中的各个建筑物的三维再生和再创造，用于导入虚拟场景中。
2.2开发工具
2．2．1VRML
VRML是一种用于对三维虚拟场景进行建模的描述性语言。
VRML在虚拟现实技术的发展过程中脱颖而出，并已被广泛应用的虚拟现实建模语言。
VRML不完全等同于虚拟现实，但对虚拟现实技术产生了重要的影响。
典型的虚拟现实意味着用户要借助复杂设备进入虚拟环境，获得沉浸式体验，并与环境进行交互。
而VRML则作为WEB上一种描述性的虚拟环境的造型语言独立存在，它与设备无关。
虽然VRML所构造的虚拟环境相对简单，类似于嗅觉、味觉以及表面硬度、表面触觉等重要虚拟特征还没有涉及，但是构造一个基本的虚拟环境所需要的语言，工具以及实现已经在VRML2.0中得到充分体现。
作为单纯的三维造型和渲染工具，VRML提供的技术能够把二维、三维、文本以及多媒体素材有效地集合在同一个虚拟环境当中，从而使用户沉浸其中。
随着INTERNET以及三维WEB技术的不断进步，VRML将进一步推动网上交互式三维应用的蓬勃发展。
VRML建模语言有以下主要技术特征：
（1）C/S工作方式。
其中服务器负责协调绝大多数防真活动，提供VRML文件极其资源，并维护环境中所有虚拟对象的状态。
（2）独立平台。
VRML浏览器解析VRML文件描述虚拟场景，而浏览器由本地平台提供。
实现了平台上的独立性。
（3）ASCII文本格式的描述性语言。
VRML是用的是ASCII文本格式的三维场景式描述语言进行编程。
这在保证各种平台通用的同时，也降低了数据的通讯量，从而提高网络的传输速度。
（4）增强了静态场景。
VRML2.0新增的一些功能可以使三维静态场景的真实感更强。
（5）可交互性与动画。
VRML2.0设置的接触传感器、环境传感器、感知传感器以及碰撞传感器可以对三维造型进行实时交互仿真。
（6）三维视听效果。
通过SOUND节点，用户可以具体设置声音的大小、音源的位置、传播方向等空间属性。
（7）实时3D渲染。
（8）脚本支持。
Java或者JavaScript支持。
VRML通过Script节点引入Java或JavaScript语言编写的脚本程序来扩展其功能。
VrmlPad工作界面（如图2-1所示）是标准的Windows应用程序窗口，有标题栏、菜单栏、常用工具栏、系统左右两个主工作区以及状态栏组成。
系统右工作区主要用于编辑Vrml场景造型节点。
其用法非常简单，工作区中任意输入一个Vrml规则允许的合法名称的首字母，VrmlPad将自动弹出一个滚动列表，列表中包含了所有以该字母开头的系统可用的名称和相关的名称，用户只需要选择其中一个合适的名称单击或者回车就可以，非常方便。
图2-1VrmlPad工作界面
VrmlPad具体有主要功能特点：
（1）可编辑本地或者网络上的远程文件、可压缩存储；
（2）支持高级查找、使用书签、分色显示、自动侦错等编辑功能；
（3）支持多步取消和重复操作；
（4）采用树形结构显示场景构造；
（5）支持在浏览器中对场景的浏览；
（6）有功能强大的软件发布向导；
（7）VrmlPad环境中可以处理和执行其他语言编写的外部应用程序；
（8）提供文件列表功能，方便用户管理系统目录[6]。
2．2．23DStudioMax技术
3DSMAX是使用最广泛的专业3D建模，动画和图像制作软件。
3DSMAX通过构建虚拟的3维世界，来表现真实现实中的存在。
它能创建耀眼夺目的视觉效果，越界引擎和进行视化设计。
3DSMAX有着悠久的发展历史，拥有世界上最多的3维软件用户群体，以及大量可提高其软件性能的部和外部插件。
3DSMAX的制作一个产品造型的基本流程是：
建立模型，在3DSMAX中“创建”和“修改”几乎是不可分割的，可以用二维图形经过旋转、放样、挤压等修改命令来使之转换成三维模型，直接拉出几何体后一般也要用修改工具进行修改才能完成建模工作。
因此，在本课题的校园建筑中，我们采用3DSMAX来进行模型的创建与修改活动。
在教学楼的模型创建过程中，事先实地考察，获取相关结构和风格的资料（以照片为主要材料）。
再通过参照这些资料，对建筑物进行建模仿真。
在3DSMAX中可以通过组合建模，生成不规则的、复杂的几何形状和设备。
3DSMAX生成的模型，能通过“File（文件）”——“Export（导出）”菜单,以VRML的文件格式输出，通过这种方式使3DSMAX和VRML二者之间建立联系。
所以可以在3DSMAX中建立好场景的基本模型，以简单的门牌为例子，输出的VRML节点如下：
DEFmenpaiTransform{
children[
Shape{
appearanceAppearance{
materialMaterial{
diffuseColor0.58820.58820.5882
ambientIntensity1.0
specularColor000
shininess0.145
transparency0
}
textureImageTexture{
url"menpai.jpg"
}
}
geometryBox{
size90201
}
}
]
}
其中Translation是VRML中的标准节点，它在X、Y、Z轴上控制物体的位置。
Children域中定义了Shape，它是一个长宽高分别为90201的Box。
在对这个Box的其他属性设置中，我们发现，在导出的文件中，VRML自动地记忆在3DSMAX中材质、灯光、透明度等数值。
另外我们还添加了对Box的纹理贴图。
求得最真实的效果。
最后门牌的实例效果如图2-2所示：
图2-2门牌的纹理贴图
2．2．3Java与VRML结合
尽管VRML是一个有力的3D语言，但它更大的功能来自于它能够用程序语言去建立复杂、交互界面，这个程序语言就是JAVA语言。
Java与VRML相互补充，Java主要讨论对象的行为，但很少涉及外部特征，而VRML则注重于外表，不太考虑对象的行为。
可以说，VRML所战线的正是JAVA要做的。
随着网络技术的发展，Java与VRML的关系将会越来越密切。
VRML2.0提供了两种扩展VRML和外部程序实现连接的机制，即Script节点和外部编程接口。
通过扩展Script节点。
VRML的Script节点是一种控制传感器和插器的节点。
通过它可以定义和改变场景中对象的外观和行为。
Script节点可包含一个JAVA文件，当Script初始化时调用。
Script节点可以将事件和节点从VRML传递到JAVA，而命令从JAVA传递到VRML[9]。
通过VRML浏览器外部编程接口EAI进行编程，允许VRML与Web页上的其他对象进行沟通。
EAI提供了更为灵活的连接外部编程环境的途径，它可以提供强有力的方法来表现交互式网络分布式多媒体应用。
2.3系统开发流程
系统的开发流程关系到该系统的开发时间和有效程度。
为了合理的开发虚拟校园漫游系统，该系统设计流程图基本如图2-3所示：
图2-3虚拟校园漫游系统设计流程图
在三维建模之前,还必须对校园环境进行分析，选取最合适的建模方案。
在三维建模完成之后，还要考虑系统的可行性，对系统作一些必要的优化。
2.4本章小结
本章主要介绍了虚拟校园漫游系统的总体结构和开发工具。
包括VRML技术特征、VRML浏览器的种类及其各自的特征、VRML中的一些重要的概念、VrmlPad功能特点、VrmlPad工作界面。
明确了利用3DStudioMax软件建立各种三维模型，再导出生成.wrl文件，编辑他们在虚拟现实世界中的位置和关系，形成一个完整和同一协调的虚拟世界。
也可以利用Java等一系列的脚本完善和增强VrmlPad功能。
同时也初略介绍了虚拟校园漫游系统的开发流程和相关问题。
第三章虚拟校园场景建模
3.1场景建模
3．1．1场景分析
在建模工作进行之前，首先要对所建场景进行一个全面和完整的分析。
对于本系统中的校园场景，做了如下的分析。
（1）从建筑物的类别上来分：
科技学院分为五个建筑群，分别为A教学楼区、B教学楼区、C教学楼区、图书馆（大门）、行政楼。
（2）从地理位置的分布上来看：
科技学院校河把学校一分为二，分为南北两部分。
南部分有A教学楼区、C教学楼区、图书馆（大门）、行政楼。
北部分包括A教学楼区、B教学楼区与情人坡、小山等景
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