虚拟校园全景漫游系统的设计与实现学士学位论文Word文档下载推荐.docx

1、学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期：滁州学院本科毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 2011年5月6日虚拟校园全景漫游系统的设计与实现摘要：虚拟现实技术能够逼真再现现实环境，用户在虚拟环境中通过自然的交互式操作能获得与真实环境相似的感受和体验。全景漫游是虚拟现实技术的一种典型应用。本文旨

2、在设计和开发一个虚拟校园全景漫游系统，该系统不仅能以三维形式逼真再现虚拟校园环境，同时支持用户交互地漫游。论文首先详细分析了各种建模理论和技术，特别全景图像合成技术和三维环境贴图技术。在此基础上，确定了全景漫游系统实现算法和系统框架。最后，以滁州学院校园环境为例，利用OpenGL开放图形库和VC+编程工具开发了虚拟校园全景漫游原型系统，实验表明该系统不仅能绘制视觉效果良好且逼真的校园环境，而且支持用户流畅的交互式漫游操作。此外，就该系统在景点再现，商品房展示等应用领域进行了尝试并取得良好视觉效果。关键词：全景图；图像拼接；OpenGL；虚拟校园；纹理映射Design and Implement

3、ation of Virtual Campus Panorama Wander-through SystemAbstract：Virtual reality technology can verisimilitude reproduce the realistic environment, in the virtual environment, users can get with a real environment similar feelings and experiences through the natural interactive operation. Panorama roa

4、ming is a typical application of the virtual reality technology. This paper aims to design and develop a virtual campus panoramic roaming system, this system not only can reappear in 3D virtual campus environment form lifelike, and support the user interactively roaming. Firstly, the thesis introduc

5、es the modeling theory and technique detailedly,special panoramic images synthesis technology and 3D environment mapping technology. On this basis, this paper determines panoramic roaming system implementation algorithms and system framework. Finally, in ChuZhou University for example, using OpenGL

6、graphics libraries and VC+ programming tools developed panorama roaming prototype system, the experiment indicates that the system can not only render good visual effect and verisimilitude reproduce campus environment, and support that the user fluent interactive roaming operations. In addition, app

7、lications, such as attractions reappear and commodity houses show, of the system have been tried and achieved good visual effect.Key words: Panoramic Image;Image Mosaics;OpenGL;Virtual Campus; Texture Mapping1 绪论1.1 引言近年来，随着科技的发展，我们进入到一个新的信息时代。众所周知，计算机已成为信息时代信息处理的主要工具，成为人类与信息空间交流的主要通道。而在这其中，人机交互界面是一

8、个主要的障碍。那如何突破这一障碍，如何扩展人类的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂动态事件的感知能力，实现人与信息空间自然、和谐的交互。这些都己渐渐成为人类面临的新挑战，而虚拟现实技术是解决这个挑战最有效的方法途径。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。它借助计算机构建出一个与现实环境十分逼真的交互环境，使用户以自然的方式与虚拟环境中的对象交互，从而产生等同于真实环境的感受和体验。虚拟现实技术己经成为计算机技术中研究、开发和应用的热点，广泛应用于教育、军事、建筑、医疗、工业设计等各个领域。虚拟校园全景漫游是虚拟现实技术在现代教育

9、中的应用，它实现了对校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，在学校的教学资源管理、环境规划和学校发展等许多方面发挥了重要的作用1。1.2 选题背景及意义1.2.1 选题背景随着社会和科学技术的发展，基于图像绘制的虚拟现实技术已经成为计算机视觉、图像处理、计算机图形学、人工智能研究的热点并得到广泛的应用，可应用于全景漫游系统的实现。虚拟现实（VR）技术最早在20世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人Jamn IJaIlier提出这一概念，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，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件的进步。目前，虚拟现实技术已获得了长

10、足的发展。在国内，20世纪80年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段2。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。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。Loma lAnda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

11、M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究3。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列入研究项目。国内一些重点院校，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内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；实现了分布式虚拟环境网络设计，虚拟现实应用系统的开发平台等。清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施

12、和深度感试验等方面都具有不少独特的方法。哈尔滨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。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4。虚拟漫游技术是虚拟现实技术的重要组成部分, 在各个领域, 尤其是旅游、航天航空、医学、建筑等行业有着巨大的发展空间。著名的UC Berkeley建筑漫游工作室是世界上从事几何式建筑漫游研究较早并取得突出成果的科研机构之一，他们从1990年开始进行复杂模型的实施漫游策略研究。1996年，其在SGI Power Series 320工

13、作站上实现了北卡大学伯克利分校新信息楼Soda Hall的实时漫游。国内方面，中国科学技术馆研制的“虚拟珠峰漫游系统”，用户可以驾驶虚拟直升机飞越虚拟珠穆朗玛峰，以体验VR的魅力；宁波数字城市仿真中心，可以在三维立体的虚拟场景中，使用户在未来城市的各个角落体验对城市空间的真实感受，标志着中国在数字城市技术方面达到世界领先水平。1.2.2 选题意义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。现在，学校为了展示自身风采,越来越重视宣传,需要一种更为直接的

14、方式宣传自己。虚拟现实技术应用于学校,就是虚拟校园，能够全方位地展示学校的各方面环境。本课题在对全景漫游技术探讨的基础上采用基于图像生成每个场景的全景图,从而实现一个中等复杂程度的、具有一定人机交互能力的校园全景漫游系统。本课题运用虚拟现实技术实现校园全景漫游系统，让我们更加逼真的认识了解我们的校园，也能从中了解虚拟现实技术的神奇效果，掌握2D纹理贴图在全景漫游系统中的运用。1.3 本文结构及主要内容在阅读了大量标准文献，对虚拟现实技术及虚拟漫游系统有了较深理解的基础上，本文主要针对目前虚拟校园的特点和存在的问题，提出了基于OpenGL的虚拟校园漫游系统的功能设计架构和实现方法。通过实践和测试

15、，本文提出的虚拟校园漫游系统运行流畅，对系统配置要求不是太高，而且，虚拟校园漫游系统真实地再现了校园的三维景观，可以在三维的虚拟校园中进行自由的漫游，可以实现真实感的交互操作。针对本选题的具体内容，将分成六个部分来介绍。第一部分绪论，这部分主要讲述引言、选题背景、选题意义和本文结构等几方面的内容。第二部分相关知识，这部分主要介绍设计当中所涉及到的相关技术和知识，包括OpenGL图形编程基础、MFC编程技术、全景图生成和虚拟场景建模技术等。第三部分全景漫游系统的设计，本选题的重点。这部分主要分析论述全景漫游系统的整体设计和详细设计，同时给出部分设计思想及代码实现。第四部分，系统实现与测试，这部分

16、主要针对系统的具体实现与相关测试，并写出其核心代码。第五部分应用前景，这部分主要通过具体的应用实例展示本选题的意义，并总结相关技术应用的特点。第六部分结束语，对本设计进行了总结。2 相关知识2.1 OpenGL编程基础OpenGL被定义为“图形硬件的一种软件接口”。从本质上说，它是一个3D图形和模型库，具有高度的可移植性.并且具有非常快的速度。OpenGL严格按照计算机图形学原理设计而成，符合光学和视觉原理，可以创建极其逼真的3D图像。许多三维演示系统都用OpenGL作为三维图形生成和控制的编程接口。2.1.1 OpenGL简介OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在S

17、GI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画制作软件Soft Image和3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR软件World Tool Kit、CAM软件ProEngineer、GIS软ARC/INFO等。值得一提的是，随着Microsoft公司在Windows NT和最新的Windows 95中提供了Op

18、enGL标准及OpenGL三维图形加速卡的推出，OpenGL将在微机中有广泛地应用，同时也为广大用户提供了在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运行的各种软件的机会。OpenGL是行业领域中最为广泛接纳的2D/3D图形API，其自诞生至今已催生了各种计算机平台及设备上的数千优秀应用程序。OpenGL是独立于视窗操作系统或其它操作系统的，亦是网络透明的。在包含CAD、内容创作、能源、娱乐、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中，OpenGL帮助程序员实现在PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作

19、站开发的IRIS GL。IRIS GL是一个工业标准的3D图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRIS GL的基础上开发了OpenGL。OpenGL的英文全称是“Open Graphics Library”，顾名思义，OpenGL便是“开放的图形程序接口”。虽然DirectX在家用市场全面领先，但在专业高端绘图领域，OpenGL是不能被取代的主角。2010年7月26日发布OpenGL 4.1和 OpenGL Shading Language 4.10。OpenGL4.1提高视觉密集型应用OpenCL的互操作性，并继续加速计算剖面为核心的支持和兼容性第一次推出的OpenG

20、L 3.2，使开发人员能够使用一个简化的API或保留向后兼容现有的OpenGL代码，这取决于他们的市场需求。2.1.2 OpenGL的主要功能OpenGL是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL可以与Visual C+紧密接口，便于实现设计的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。概括起来，OpenGL主要有以下功能： （1）建模功能。真实世界里的任何物体都可以在计算机中用简单的点、线、多边形来描述.OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了比较复

21、杂的三维物体（如球、锥体、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier,Nurbs等曲线或曲面）绘制函数，从而可以方便地构建虚拟三维世界。（2）变换功能。可以说，无论多复杂的图形都是由基本图元组成并经过一系列变换来实现的。OpenGL图形库的模型变换有平移、旋转、比例缩放等多种变换。（3）颜色模式设置。OpenGL提供了两种物体着色模式，一种是RGBA颜色模式，另一种是颜色索引模式（Color Index）。（4）光照模型。要绘制逼真的三维物体，必须做光照处理。OpenGL可以控制光照与物体的关系，产生多种不同的视觉效果。（5）凡走样。在OpenGL绘制图形过程中，由于使用的是位图，所以

22、绘制出的图像的边缘会出现锯齿形状，称为走样。为了消除这种缺陷，OpenGL提供了点、线、多边形的反走样技术。（6）融合。为了使三维图形更加具有真实感，经常需要处理半透明或透明的物体图像，这就需要用到融合技术。（7）雾化。正如自然界中存在烟雾一样，OpenGL提供了“fog”的基本操作来达到对场景进行雾化的效果。（8）位图显示和图像增强。在图形绘制过程中，位图和图像是非常重要的一个方面。OpenGL提供了一系列函数来实现位图和图像的操作。（9）纹理映射。在计算机图形学中，把包含颜色、alpha值、亮度等数据的矩形数组称为纹理。而纹理映射可以理解为将纹理粘贴在所绘制的三维模型表面，以使三维图形显得

23、更生动。（10）双缓存动画。出色的动画效果是OpenGL的一大特色，OpenGL提供了双缓存区技术来实现动画绘制。双缓存即前台缓存和后台缓存，后台缓存计算场景、生成动画，前台缓存显示后台缓存己画好的画面。2.1.3 OpenGL体系结构及工作流程OpenGL的作用机制是客户（client）/服务器（sever）机制，即客户（用OpenGL绘制景物的应用程序）向服务器（即OpenGL内核）发布OpenGL命令，服务器则解释这些命令。大多数情况下，客户和服务器在同一机器上运行。正是OpenGL的这种客户/服务器机制，OpenGL可以十分方便地在网络环境下使用。因此Windows NT下的OpenG

24、L是网络透明的。正象Windows的图形设备接口（GDI）把图形函数库封装在一个动态链接库（Windows NT下的GDI32.DLL）内一样，OpenGL图形库也被封装在一个动态链接库内（OPENGL32.DLL）。受客户应用程序调用的OpenGL函数都先在OPENGL32.DLL中处理，然后传给服务器WINSRV.DLL。OpenGL的命令再次得到处理并且直接传给Win32的设备驱动接口（Device Drive Interface，DDI），这样就把经过处理的图形命令送给视频显示驱动程序。下图简要说明这个过程：OpenGL被设计成独立于硬件，以流水线的方式工作，这样可以把OpenGL看成

25、一条生成流水线，原料是场景、物体的顶点、表面细节等信息，产品是看起来有三维感觉的平面位图。在OpenGL中每个物体都是由一组平面构成的，这组平面记录了该物体的表面，需要用户提供围绕平面边缘的线段的顶点参数、平面内图案的位图两组信息，术语称为Vertex（顶点）、（纹理）。显然这些平面越小则绘画出的三维图形越逼真。工作的流程大致如下图所示：工作流程的输入端可以是图象，也可以是几何图形，最终的结果是光栅化后的图象，这些进入帧缓冲区后，由硬件显示在输出设备上。上图中的几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集.图象像素数据包括像素集、位图集等。它们经过各自的操作，在进行光栅化、片元处理后写入帧缓存

26、中。由此可见，OpenGL是通过一些基元如顶点、像素集建模，这种方式易于操作，但建模较为复杂。此外，为增强真实感，OpenGL还提供了光照、视点设置、物体材料特性、纹理映射等其它功能，这就大大地丰富了建模的能力，为开发三维地形可视化应用带来了方便5。2.2 MFC编程技术MFC的英文全称是Microsoft Foundaiton Classes，即微软的基本类库，MFC的本质就是一个包含了许多微软公司已经定义好的对象的类库，我们知道，虽然我们要编写的程序在功能上是千差万别的，但从本质上来讲，都可以化归为用户界面的设计，对文件的操作，多媒体的使用，数据库的访问等等一些最主要的方面。这一点正是微软

27、提供MFC类库最重要的原因，在这个类库中包含了一百多个程序开发过程中最常用到的对象。在进行程序设计的时候，如果类库中的某个对象能完成所需要的功能，这时我们只要简单地调用己有对象的方法就可以了。我们还可以利用面向对象技术中很重要的“继承”方法从类库中的己有对象派生出我们自己的对象，这时派生出来的对象除了具有类库中的对象的特性和功能之外，还可以由我们自己根据需要加上所需的特性和方法，产生一个更专门的，功能更为强大的对象。当然，你也可以在程序中创建全新的对象，并根据需要不断完善对象的功能。正是由于MFC编程方法充分利用了面向对象技术的优点，它使得我们编程时极少需要关心对象方法的实现细节，同时类库中的

28、各种对象的强大功能足以完成我们程序中的绝大部分所需功能，这使得应用程序中程序员所需要编写的代码大为减少，有力地保证了程序的良好的可调试性。下面图2.21和图2.22表示一个MFC方式的程序的主要类之间的关系，是一个程序的整体的框架。图2.21 MFC类层关系图图2.22 Application Object是全局对象，其他对象动态生成这两个图表示了使用MFC方式的应用程序的四个主要类之间的关系。CMyApp类主要的作用是用来处理消息的，它统一管理程序收到的所有的消息，然后把消息分配到相应的对象。CFrameWnd是CMainFrame的父类，CMainFrame负责视图、工具条和状态条等的显示

29、；CView是CMyView的父类，视图是一个窗口的对象，用户就是通过视图这个窗口对象来与文档进行交互作用的；CDocument是CMyDoc的父类，文档是数据的对象、目标、集合，文档通常是由文件菜单的新建菜单项或者打开菜单项来创建的，并且通常是以文件的形式保存下来。在MFC程序中，程序的数据是放在文档当中的，而显示数据则是利用视图方式，文档与视图分离带来的好处就是一个文档可以同时具有多个视图，每个视图只显示文档中的一部分数据，或者以特定的风格显示文档中的数据。文档与视图分离的另一个好处就是在程序中可以处理多个文档，通过对不同的视图的处理达到对不同的文档分别处理的目的。 传统的Windows编

30、程方法在应用程序中有一个重要的函数WinMain（）,这个函数是应用程序的基础，用户的操作所产生的消息正是经过这个函数的处理派送到对应的对象中进行处理。在MFC方式的Windows应用程序中，用来处理消息的是系统自动生成的MFC中的类CWinApp的派生CMyApp6。2.3 虚拟场景建模技术虚拟现实场景中的模型是实际的或想象中的物体或现实的形状再现，建立造型模型是构造虚拟现实场景的基础，模型构造的质量直接影响到虚拟场景的真实感和沉浸感，因此需要根据对象的特点选取不同的建模方法。目前，虚拟现实建模技术主要可以采用三种方式：第一种方式是基于计算机图形学的三维几何建模（GeometryBased

31、Modeling，简称GBM）技术，第二种方式是基于图像的建模（Image-Based Modeling，简称IBM）技术，第三种方式是基于几何和图像的混合建模（Geometry&Image-Based Modeling）技术7。2.3.1 三维几何建模技术基于几何模型的虚拟建模技术，又称为基于计算机图形学的三维几何建模技术，是用数学意义上的曲线、曲面等数学模型预先定义好虚拟场景的几何轮廓，构造虚拟的三维景观中的模型，它是一种传统的构造二维虚拟场景的方法。几何建模技术以计算机图形学为基础，首先对真实场景进行抽象，利用现有的三维造型软件如（3DMax），用多边形对虚拟实体（建筑、树木等）和虚拟环境（地形，天空）的外观进行建模。使用的三维造型软件一般采用图形化用户界面，隐藏了三维实体底层表达形式，以及光照、消隐、纹理等提高真实感的复杂