基于UDK的山科大校园漫游设计论文Word文档格式.docx
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绪论
1.1引言
虚拟现实(Virtual
Reality
,简称VR)技术已成为计算机应用领域的热点研究之一。
其通过计算机技术为用户同时提供视觉,听觉以及触觉的自然信息,使用户产生一种“身临其境”的感觉,而通过虚拟交互设备,用户可以实现对虚拟对象的操作。
虚拟现实技术因其巨大的应用前景,已引起政府有关部门和科学家们的关心和重视。
国家攻关计划、国家863高技术发展计划、国家973重点基础研究发展规划和国家自然科学基金会等都把VR列入了重点资助范围。
其以强大的人机交互性能已广泛应用到航天、军事、医疗、科研、教育等各个领域。
目前,随着虚拟现实技术的日趋完善和网络技术的飞速发展,虚拟校园这一虚拟现实的重要分支,秉承了虚拟现实的一切优良属性,可以使希望了解学校环境状况的游客在足不出户的情况下,向其提供直观而又全面的信息。
因此,在各大高校的主页上,纷纷出现了三维校园链接。
虚拟校园漫游系统是数字校园建设的基础,它的研究和创建对以后数字校园的建设有重要的现实意义。
它是一个三维可视化的、有声有色的仿真校园景观,既可以为学校树立良好的形象,提高学校的知名度,宣传校园文化;
还可以作为校园规划的辅助工具,在对校园内部的建筑物、道路、辅助设施进行修建规划时,可以在这个虚拟三维环境中动态交互的对未来校园环境进行全面的审查,为校园规划和设计提供更明确的目标;
同时也提高了校园管理的效率和科学化水平,促进大学远程教育,加快校园建设。
总之,它是数字校园建设的基础。
本论文研究的虚拟校园漫游系统,是以山东科技大学东区教学楼为虚拟空间,基于UDK软件应用,创建出本校东区教学区里的教学楼、墨水河、水池、道路、广场、花园、树木等虚拟模型和相关的三维模型库。
使山东科技大学东区教学楼的真实性、交互性和动态性得到了更充分的体现。
1.2研究背景和现状
1.2.1虚拟现实在国外现状
美国政府制定了国家信息基础设施(NationalInformation
Infrastructure,简称NII)的行动纲领,自此Intemet在美国尤其是大学校园中的应用越来越广泛,它逐渐渗入到美国大学校园教师、学生和行政管理人员的教学科研、学习、管理和日常生活中,并开始称为衡量一所大学教学、科研与管理水平高低的重要标志之一。
目前,美国大学校园的信息化建设已经设计到图书馆信息管理、教学活动、学生管理等多个方面,取得了很大成绩。
2000---2003年期间,瑞士联邦政府以特别财政补贴方式为州立大学拨款3000万元瑞郎,以鼓励在高等教育领域进行信息化建设,建立了“瑞士虚拟校园”。
瑞士的两所联邦高工和7所高等职业学院也参加了实施“瑞士虚拟校园计划”。
瑞士大学联席会议委托弗里堡大学的新技术与教学中心建立了国家高等教育和新信息技术网(www.edutech.eh)。
日本电信与京都大学、Stanford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。
德国的Rostock,Stuagart大学建立了模拟系统,对一些城市的基础设施提供相关的查询、分析和显示功能。
1.2.2虚拟现实在国内现状
和一些发达国家相比,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,九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR技术列入了研究项目。
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、虚拟实验室、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已经开始逐步推广、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。
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,让没有去过天津大学的人,好好领略了一下近代史上久富盛名的大学。
随着网络时代的来临,网络教育迅猛发展,尤其是宽带技术将大规模应用的今天。
国内一些高校已经开始逐步推广、使用虚拟校园模式。
先后有浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学等著名高校,采用虚拟现实技术建设了虚拟校园。
北京大学建设的数字校园工程一“数字北大”,从GIS角度规划数字校园工程,它利用北大青鸟公司的GIS软件—Gc0Union作为WebGIS服务器,提供三个客户端插件,实现了北大校园及周边环境的地图显示,基本信息浏览、查询及路径分析等功能。
用户将通过浏览器可以方便地找到北大周边的大专院校、湖泊、旅游区及其它重要地物,并能获取这些对象的简要信息;
可以快速地查到北大周边的照耀路段和通往某地的最佳路径等交通信息;
可以浏览校园的全景和局部,还可以根据校园的一个建筑查询到所有坐落在该建筑中的院系或行政机构,连接到各个院系的主页。
香港理工大学、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,如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,利用虚拟图书馆查询和阅读期刊及书籍,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,而这一切都让用户有身临其境感。
[1]
中国科技大学运用虚拟现实技术在物理实验方面,有着丰富的经验,较高的水准。
他们已经形成了比较成熟的产品,基于本地的大学物理仿真实验软件,广播电视大学物理虚拟实验,几何光学设计实验平台,大学物理虚拟实验远程教学系统等。
同济大学建筑学院的虚拟现实实验室。
他们采用比较高端的设备:
一个巨大的SONY三枪投影仪,五台高端的电脑工作站。
G3苹果机,一个SGI高端图形工作站,一台顶级功放(八声道,房间周围有音响),还有一些控制设备。
"
对建筑景观、结构进行相关的仿真,尽管高端的设备,价格昂贵。
但是在建筑教学中运用先进技术,进行大胆尝试,使学生对相关知识以一种崭新的方式学习。
能取得以
往不能达到的效果。
[2]
西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用,跟踪仿真领域先进技术的发展,开发出了一系列具有国际水平的计算机仿真和虚拟现实应用产品,在城市规划仿真、驾驶员培iTiJ仿真及其他交互式仿真方面尤为突出。
已经开发了城市规划系统、大型工程漫游系统、名胜古迹虚拟旅游系统、虚拟房地产推销系统、机车驾驶模拟装置系统等。
广西民族学院利用Flash制作了声、图像合一的多媒体电子地图,对校园的主要建筑和一些景点及学校的各系部进行简介,非常具有特色。
还有很多其它大学也建设了自己的虚拟校园,例如:
吉林大学珠海学院虚拟校园、北京化工大学校本部系统虚拟校园、中南林学院珠洲校区三维电子交通图。
1.3虚拟现实技术的基本特征
1.3.1沉浸性
虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点,由计算机产生真的三维立体图像.使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备,便可将自己置身于虚拟环境中,成为虚拟环境中的一员。
使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用,就如同在现实世界中的一样。
当使用者移动头部时,虚拟环境中的图像也实时地跟随变化,拿起物体可使物体随着手的移动而运动,而且还可以听到三维仿真声音。
使用者在虚拟环境中,一切感觉都是那么逼真,有一种身临其境的感觉。
1.3.2交互性
虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,使用者不仅可以用电脑键盘、鼠标进行交互,而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。
计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动,来调整系统呈现的图像及声音。
使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
1.3.3多感知性
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置,因此,使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知,从而达到身临其境的感受。
1.4虚拟现实技术的分类
虚拟现实系统按其功能不同,可分成三种类型。
1.4.1沉浸型虚拟现实系统
沉浸型虚拟系统是一套比较复杂的系统。
使用者必须头戴头盔、手带数据手套等传感跟踪装置,才能与虚拟世界进行交互。
由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离,因此,用户可排除外界干扰,全身心地投入到虚拟现实中去。
这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去,缺点是系统设备价格昂贵,难以普及推广。
1.4.2简易型虚拟现实系统
简易型虚拟现实系统由一台普通的计算机系统组成,使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。
例如苹果公司推出的快速虚拟系统(QuickTimeVR),是采用360度全景拍摄来生成逼真的虚拟情景,用户在普通的电脑上,利用鼠标和键盘,就能真实地感受到所虚拟的情景。
这种系统的特点是结构简单、价格低廉,易于普及推广,是一套经济实用的系统。
1.4.3共享型虚拟现实系统
共享型虚拟现实系统是利用远程网络,将异地的不同用户联结起来,共享一个虚拟空间,多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作,达到协同工作的目的。
例如,异地的医科学生,可以通过网络,对虚拟手术室中的病人进行外科手术。
通过对以上三种类型的虚拟现实系统的比较,根据现有设备和技术,本论文的虚拟校园漫游系统选择简易型虚拟现实系统,不需要昂贵的虚拟设备,只要有一台普通的计算机系统就可以,设计出一套价格低廉、简单明了,经济实用的虚拟校园漫游系统。
1.5虚拟现实技术的发展与应用
1.5.1虚拟现实技术的发展
虚拟现实技术是以计算机、电子、检测、通信、机械、信息处理等领域的最新技术为背景,在融合了机器人工程、生物信息科学、生理学、心理学及认识科学等众多学科优秀成果的基础上孕育、发生和发展起来的。
客观需求是促进虚拟现实技术发展的动力,这些需求来自仿真建模、计算机辅助设计、可视化计算等。
它们虽各自有各自追求的目标,但共同的需求是建立一个比现有计算机系统更为直观的输入输出系统,能与各种传感器连接、更为友好的人机界面,人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维化信息环境。
虚拟现实技术的发展可以追溯到20世纪40年代。
40年代初,为减少训练飞机驾驶员的时间和经费,美国开始了飞行模拟器的设计。
早期研制出的模拟器是一个复杂而笨重的机器装置,在这个模拟器中飞行的视觉感受是很不直观的。
随着计算机功能的增加和图形技术的发展,飞行模拟器的显示系统也得到了改善,训练员已经能够坐在计算机或者电视屏幕前观察到屏幕上所模拟的一系列仪表指示。
不久又发展为大屏幕显示器和全景式情景显示器,但它们不能随观察者的位置不同而改变景象。
1965年计算机图形学创始人IvanSutherland提出了“终极的显示”概念。
在这篇论文中他指出:
计算机图像不单纯是一个静止的画面,而应当是一个可以触摸的三维立方体化物体,就像真实存在的物体一样。
他提出了如何把计算机显示屏幕作为“一个通过它观看虚拟世界的窗口"
,使观察者身临其境的感觉的思想,被认为是虚拟现实技术研究的真正开端。
虚拟现实从发展之始就一直致力于提高仿真系统的逼真性和在虚拟环境中的沉浸感。
Sutherland在1968年曾经写到“如此显示出来的东西可以让它悬在空间,也可以让它和地图、书桌桌面、墙壁或者打字机键盘吻合”。
世界上第一个头盔式显示器(HMD)于1968年研制成功,它每秒钟能够显示300行的30帧图像,并首次成功显示了三维空间。
它还不能显示立体图像,但Sutherland坚信,实现真正的立体图像已是指日可待了。
1970年,研制出第一个功能较为齐全的HMD系统。
1971年,FrederickBrooks研制了具有力反馈的装置CropeII,用户可以通过操作一个实际的机械手,去控制屏幕中的虚拟机械手抓取屏幕中的虚拟物体。
1971年,EEBrooks开发了GROPE系统,该系统利用实时的计算机图像和虚幻手去触摸屏幕上的虚拟物体。
20世纪70年代末,以N.Negaropote为首的研究小组开发了“媒体房间”,这是一个空间数据管理系统。
在房间内,由大屏幕、立体声源等多种设备提供声像信息,用户可以用各种方法与影像空间进行交互。
这一研究成果不仅突破了传统的键盘、CRT输入输出方式,为计算机终端导入了新的概念,而且为适合人性化的人机接口的确立起了很大的推动作用。
1985年,美国NASA的M.Mcgreevy和S.Fisher,利用HMD和数据手套(DataGlove)等,开发了“虚拟环境系统"
。
该系统的研制成功,进一步掀起了VR研究的热潮。
基于20世纪60年代以来所取得的成就,JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality"
这一概念。
自80年代后期起,陆续研制出较实用的头盔式三维显示器、能够提供6个自由度的数据手套、立体声耳机及相应的计算机软硬件系统。
在需求牵制和技术进步的推动下,90年代虚拟现实技术的发展集成了一些很有实用前景的应用系统,向用户提供了很多实际应用的成果。
目前虚拟现实技术处于多元化的发展趋势,一方面虚拟现实技术借助于计算机技术、网络技术、投影技术等的发展而高速发展,出现了分布式虚拟现实系统(DIS)、CADWall、VRCenter、CAVE、IDesk等新技术。
另一方面,虚拟现实技术与专业技术相融合又产生了数字地球研究、虚拟规划设计、虚拟现实机械装配、虚拟考古、虚拟手术、虚拟驾驶、虚拟管线设计、虚拟军事对抗等领域的应用,使得虚拟现实技术成为一种崭新的技术手段而得到广泛的应用。
1.5.2虚拟现实技术的应用
VR技术的应用极为广泛,Helsel与Doherty在1993年对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目作了统计,结果表明:
目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流,达21.4%,其次是军事与航空达12.7%,医学方面达6.13%,机器人方面占6.21%,商业方面占4.96%,另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。
下面简要介绍其部分应用。
1.5.2.1医学
VR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,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD、感觉手套,学生可以很容易了解人体内部各器官结构,这比现有的采用教科书的方式要有效得多。
Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。
这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等),虚拟的人体模型与器官等。
借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。
但该系统有待进一步改进,如需提高环境的真实感,增加网络功能,使其能同时培训多个使用者,或可在外地专家的指导下工作等。
另外,在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排,手术过程的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生活状况,乃至新型药物的研制等方面,VR技术都有十分重要的意义。
1.5.2.2娱乐、艺术与教育
丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。
由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高,故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。
如Chicago(芝加哥开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统,其主题是关于3025年的一场未来战争;
英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统,配有HMD,大大增强了真实感;
1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能,使计算机具备了自学习功能,大大增强了趣味性及难度,使该系统获该年度VR产品奖。
另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。
作为传输显示信息的媒体,VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。
VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术(如油画、雕刻等)转化为动态的,可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。
另外,VR提高了艺术表现能力,如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器,手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。
对艺术的潜在应用价值同样适用于教育,如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面,VR是非常有力的工具,Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”,用于解释某些物理概念,如位置与速度,力量与位移等。
1.5.2.3军事与航天工业
模拟与训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题,这为VR提供了广阔的应用前景。
美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统,以提供坦克协同训练,该系统可联结200多台模拟器。
另外利用VR技术,可模拟零重力环境,以代替现在非标准的水下训练宇航员的方法。
1.5.2.4管理工程
VR在管理工程方面也显示出了无与伦比的优越性。
如设计一新型建筑物时,可以在建筑物动工之前用VR技术显示一下;
当财政发生危机时,可以帮助分析大量的股票、债券等方面的数据以寻找对策等等。
以上仅列出虚拟现实的部分应用前景,可以预见,在不久的将来,虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯,并将深入到人们的日常工作与生活。
1.6UDK(UniversalDevelopmentKit)软件介绍
是Epic公司在2009年宣布对外发布虚幻第三代(UnrealEngine3虚幻引擎3)引擎的免费版本。
虚幻3是一款商业性的3D游戏开发引擎,为了鼓励游戏开发者使用,Epic公司在2010年宣布对外发布免费的虚幻动作3——UDK,游戏制作爱好者可以用UDK来创建非商业目的的独立游戏,也是商业引擎市场的一种营销手段,当你把游戏出售就需要交纳99美元的授权费用。
[10]
UDK的功能相当强大,它不仅使用了虚幻引擎3(UnrealEngine3)的技术驱动,并且运用了强大的兼容脚本。
虚幻引擎3是一个面向下一代游戏机和DirectX9个人电脑的完整的游戏开发平台,提供了游戏开发者需要的大量的核心技术、数据生成工具和基础支持。
虚幻引擎3的设计目的非常明确,每一个方面都具有比较高的易用性,尤其侧重于数据生成和程序编写的方面,这样的话,美工只需要程序员的很少量的协助,就能够尽可能多地开发游戏的数据资源,并且这个过程是在完全的可视化环境中完成的,实际操作非常便利;
与此同时,虚幻引擎3还能够为程序员提供一个具有先进功能的,并且具有可扩展性的应用程序框架(Framework),这个框架可以用于建立、测试和发布各种类型的游戏。
虚幻引擎3中有多项高效实用功能:
1.6.164位色高精度动态渲染管道
Gamma校正和线性颜色空间渲染器提供了完美的颜色精度,同时支持了各种后期特效例如光晕,镜头光环和景深等效果。
在最新的一代显示芯片发布的过程中,我们注意到了一个非常明显的特点,就是新一代的显示芯片已经不再满足于传统的32位色深,转而需要更加高精度的颜色范围,这一点在NV40和R420身上都能非常明显的看出来。
在NV40上,这种技术被称为HPDR技术,而在R420身上,这种技术也有所体现。
1.6.2支持当前所有的基于像素的光照和渲染技术
包括使用法线贴图技术的参数化的Phong光照;
虚拟位移贴图;
光线衰减函数;
采用预计算的阴影遮罩技术以及使用球形harmonic贴图的预计算的凹凸自阴影
1.6.3强大的材质系统
使得美工可以在实时图形化界面中建立任意复杂的实时Shader,而这个界面的友好度可与Maya的非实时Shader图形编辑界面媲美
1.6.4所有可渲染的材质都含有物理特性
例如摩擦系数等参数。
在虚幻引擎3提供的编辑工具UnrealEd中,能够对物体的属性进行实时修改
1.6.5动画由一棵动画物体树驱动
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- 基于 UDK 山科大 校园 漫游 设计 论文