基于Virtools虚拟校园漫游系统设计及实现.docx
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基于Virtools虚拟校园漫游系统设计及实现
基于Virtools虚拟校园漫游系统设计及实现
摘要:
随着计算机技术、通信技术以及其他相关技术的快速发展,基于虚拟现实的仿真技术日益成为国内外计算机学术界研究的热点。
同时,校园交互式漫游系统设计也成为高校可视化研究一个新的方向。
在研究校园场景真实感表现与实时交互的基础上,提出了一种基于软件实现的校园虚拟交互漫游系统的设计方法,即利用三维建模软件3dsmax来进行三维实景模拟,采用虚拟交互平台软件Virtools进行场景驱动的设计方法。
最后为浏览者提供了一个可视化的、多感知的和有沉浸感的信息平台,取得了令人满意的效果。
关键词:
虚拟现实;校园漫游;实时交互
0引言
虚拟现实技术(VirtualReality简称VR),又称为灵境技术,它是一种以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。
虚拟现实以计算机视觉技术为基础,集中体现了计算机图形学、多媒体技术、计算机技术、数字图像处理、人工智能、人机交互技术、显示技术、多传感器技术、网络以及并行处理等一系列信息技术分支的最新发展成果,是对这些技术更高层次的集成与渗透,是多媒体技术发展的更高环境。
在这个虚拟世界中,人与虚拟世界可以进行自然的交互,能实时产生与真实世界相同的感觉,使人与虚拟环境融为一体,人们可以直接观察与感知周围世界以及物体的变化,与虚拟环境中的物体之间进行自然的交互。
自从虚拟技术诞生以来,它已经在多个领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益,与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。
校园漫游系统也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,通过对校园内的实体进行数学建模,并通过三维实景模拟的表现方式,使浏览者能身临其境感受优美的校园风光、良好的教学环境和教学资源,可随意选择校园中的景点和参观路线。
同时以学生为中心,在三维可视化虚拟校园中加入一系列人性化的功能,利用虚拟现实技术作为远程教育基础平台,可以在课下为学生提供学习服务。
因此,开展虚拟校园漫游系统及相关课题的研究适应了信息化社会发展的趋势,具有重大的理论价值和现实意义。
1方案设计
1.1开发工具选择
Virtools软件是一套多功能的三维开发工具,可以将现有常用的档案格式整合在一起,由开发模块、生成模块和发布模块组成。
开发模块包括创作应用程序和软件开发工具包,其中创作应用程序主要涉及VirtoolsDev。
在VirtoolsDev这个开发环境中,用户可以快速、简便地建立应用程序,并可以根据自身需要,对三维模型、动画、图片和声音等对象实现各种操作。
生成模块包括行为引擎和渲染引擎。
行为引擎管理并处理行为、行为对象、参数、属性、输入、输出等。
它不仅适于处理单个类或函数,而且更适于处理相关类和函数的组合。
渲染引擎(CK2—3D)是一个内部3D渲染引擎,是对3D引擎的抽象。
发布模块包括EXE文件生成器和Web播放器(VirtoolsWebPlayer)。
EXE文件生成器可以将应用程序直接打包生成EXE文件,在单机上运行。
Web播放器可以建立基于B/S模式的网络虚拟环境。
虚拟场景文件和虚拟实体文件储存在服务器端,客户端需要安装通用的浏览器(Web播放器是通用浏览器的插件),如InternetExplore,Netscape等,用户使用浏览器进行Web浏览。
三维建模工具选择3dsmax,3dsmax广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。
在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3dsmax的使用率占据了绝对的优势。
用3dsmax建模非常方便,易学易用,为了能够达到逼真的效果还可以使用photoshop进行辅助处理。
为了使模型更为逼真,这里还采用了AutoCAD进行绘图,获得建模初期时的图形及比例数据。
同时,为了使得模型更加真实,还采用了材质贴图,通过Photoshop对采集的校园图片进行处理,获得大量的贴图素材,最后使用材质编辑器进行渲染,获得更为真实的效果。
1.2设计思想和系统流程
虚拟现实校园漫游系统的搭建主要有两部分的工作,即视景生成和场景驱动。
用3dsmax建模虚拟校园环境就是属于视景生成的工作,而这里的建模场景是后面用Virtools来进行场景驱动的必要的数据资源。
构建三维校园漫游需要完成以下几个方面的工作:
①前期数据采集与处理:
获取校园的相关卫星地图,以及拍摄校园场景图片;②平面图制作:
根据根据前期采集的数据,利用CAD制作校园平面图;③三维模型建立:
以二维校园平面图作为底图,对校园场景中的各种模型对象进行建模;④漫游引擎构建:
利用virtools来实现三维场景的漫游功能。
2详细设计
2.1前期数据的采集与处理
校园建筑的模型比例数据、贴图数据、布局位置全部是通过实地取材得来,由于学校的面积比较大,建筑复杂多样,所以使用数码相机在校园各景点获取数码照片作为参照数据是最方便快捷的方式。
在校区内采集数码照片,将校园所有景观囊括在内,力争最大限度的呈现真实校园。
建筑轮廓基本是从高层楼顶拍摄,然后通过照片的对比和组合得到建筑的实际外形和轮廓数据,通过互联网的Google卫星图获取建筑之间的比例数据以及平面布局数据,通过照片的剪切获取景物的纹理贴图数据。
2.2平面图制作
校园二维平面图的制作在三维校园电子地图的开发过程中是相当重要的一个环节,二维平面图制作的好坏直接影响到三维立体图的效果。
因为三维地图的建模是完全基于二维平面图而建立的,如果二维平面图的比例不正确,就不可能制作出精确的三维地图。
制作二维平面图图的另外一个作用就是生成导航引擎程序的小地图导航地图功能。
由此可见二维平面图的制作对整个三维地图的准确性具有重要的意义。
为了增强二维平面图的比例和相关建筑位置的精确度,建议采用了Google卫星照片来做底图作为二维平面图的绘制参考,然后使用AutoCAD绘制地图轮廓,从而达到精确绘制平面图的目的。
(1)校园底图制作。
底图是通过Google卫星照片拼接而成,在搜索框中输入武汉工程大学以获取校园的卫星照片。
为了得到清晰的底图,可以采取分次获取,然后合并成一张完整的校园底图。
(2)建筑平面框图。
获得了校园的平面底图以后,将它导入进AutoCAD作为外部参照的地图,用CAD的直线和曲线绘制工具按照底图建筑的轮廓绘制出外形,然后使用延伸和裁减工具将模型修整完整。
为了使得建筑轮廓与其他物体区分开,在绘制建筑轮廓是单独创建一个建筑图层,用于绘制建筑,设定线条颜色为黄色。
(3)运动场平面框图。
绘制运动场平面框图的方法跟绘制建筑平面图一样,新建一个运动场图层,以卫星照片为底图绘制出所有运动场的边框,然后再绘制出场地边界线。
(4)道路平面框图。
根据卫星图的路径显示,在绘制校园道路是创建了一个以背景线条色为蓝色的路径图层,专门用于绘制道路。
将所有的元素绘制完成后,就得到一张CAD导出平面图文件。
有了这张平面地图,就能够使用3dsmax导入平面图文件作为底图参照,然后可以绘制出等比例的校园3D模型。
2.3三维模型建立
建模的基本思想是从整体到局部、逐步细化,在建模过程中必须确定需要表现多少细节,细致到何种程度,这常取决图中视点到被测点的距离。
如果距离较远,可以用贴图来建立细节,不在没有必要的细节上花费太多的精力;如果距离非常近,就需要建立许多细节的精确模型,以获得生动逼真的视觉效果。
建模时应该注意以下几个问题:
①要确保其精确性;②在满足造型的前提下,尽量减少模型的点数、段数,减少模型的复杂程度,以便提高渲染速度;③在建模时尽量选择一种既准又快的方法,同时应该考虑到建模之后赋予材质贴图的方便性。
虚拟场景中的三维实体模型一般包括静态实体模型和动态实体模型。
其中,静态实体模型是指建筑物、花草树木、广场、石柱等静态不变的物体;而动态实体是指例如虚拟场景中可操作的人物等具有运动属性的各种仿真实体。
本系统中的场景实体都属于静态实体,主要包括教学建筑以及外围环境。
建模的步骤主要包括以下几步:
(1)场景建模数据的收集。
本系统的模型外观与几何形状等准确数据主要来自拍摄的校园图片,以及据校园照片做出的建筑图纸来完成的。
拍摄的照片同时又是后期材质贴图的素材来源,为后期的细致优化提供了一定的参考。
(2)确定模型的层次结构。
通过大量的数据收集与实体考察后,可以确定整个场景的大体结构。
按照现实场景位置分布情况,可以将整个场景区域的层次结构进行划分。
在本系统中运用3dsmax建模软件中所提供的组操作和层级管理器来组织和管理复杂模型的层次结构。
(3)创建实体模型。
根据层次结构原理和静态实体的建筑设计图纸,遵循由里到外,由上到下的原则,逐层逐块地利用三维建模软件3dsmax提供的点、线、面、体等创建和修改工具,来创建三维模型。
在3dsmax中使用到的建模方法有:
基本几何体建模、扩展几何体建模、布尔运算(并、交和差运算)建模、拉伸或挤出、旋转建模、放样建模、贴图建模和混合建模等。
建模时应该考虑到静态实体的尺度和比例关系,尽量使用较少的多边形,能合并的面应该尽量合并,以优化模型、提高响应速度,建模中使用的技术有实例化技术和层次细节(LOD)技术。
2.4漫游实现
漫游系统平台与虚拟场景的交互是实时的,通过对身在虚拟场景中的虚拟角色的控制,可以对场景进行自由的漫游,还可以通过鼠标点击场景中的路标来进行校园游览。
漫游系统的交互设置按功能模块主要有以下几个模块:
(1)界面交互。
主要包括漫游系统启动画面选项卡设计,漫游系统路径选择,功能切换等与交互界面相关的功能。
(2)角色运动。
包括角色运动动画在场景中的驱动,对象动作的键盘控制。
(3)基于角色的摄像机控制。
将摄像机绑定给角色,跟随角色运动视角,实现第三人称的视角模拟。
同样的,可以使用键盘控制摄像机视角的位置,也可以通过旋转来观察较色对象。
(4)碰撞检测。
主要指虚拟角色和摄像机在场景中与场景中实体对象,例如建筑、树木等的碰撞。
2.5优化处理
3dsmax建模的过程中并不是一蹴而就的,很多的模型具有复杂的层次结构,要想逼近真实的物体,就必须采用多种优化方法。
材质与贴图是3dsmax在进行建模时最常用且最有用的方法,利用多种多样的材质,加以活灵活现的贴图,达到形神兼备的功能。
同时在Virtools交互的过程中还会用到一些细微层级的处理,以显示不同的效果,不同方法的运用都可以使得模型更加完善,更加具有灵性。
(1)材质与贴图的处理。
建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图。
在3dsmax中材质就是模型的灵魂,一个好的材质会使模型具有生气,3dsmax中最简单的是Bitmap贴图,除此之外还有多种贴图形式。
在3DSMAX中材质与贴图的建立和编辑都是通过材质编辑器MaterialEditor来完成的,并且通过最后的渲染把它们表现出来,使物体表面显示出不同的质地、色彩和纹理。
材质在三维模型创建过程中是至关重要的一环,要通过它来增加模型的细节,体现出模型的质感,材质对如何建立对象模型有着直接的影响。
(2)烘焙技术。
烘焙技术主要是把Max中光信息渲染成贴图的一种方式,而后再把烘焙后的贴图再又贴回场景中的技术。
这样光信息就变成了贴图,就不需要CPU再浪费地进行计算了,所以速度极快。
由于烘焙前需要对场景进行渲染,所以贴图烘焙技术对于静态渲染来讲意义不大,这种技术主要应用于建筑漫游动画和游戏中,实现了把费时的光能传递计算应用到动画中去的可能性,而且也能避免光能传递时动画抖动的麻烦
(3)场景优化处理。
虚拟校园中有许多复杂结构模型。
如果模型数据库中多边形数目超过系统的计算能力,在虚拟场景中漫游时,帧处理将无法及时完成,场景变换的平滑性会受到破坏。
为了提高运行系统的实时性,必须对模型进行简化处理,以减少数据库的多边形开销。
从下面几个方面对模型进行了简化:
①使用多细节层次(LevelsofDetail,LOD)表达复杂结构模型。
虚拟校园中有许多复杂模型必须用LOD来表达,以使运行系统中的多边形数控制在预算之内,有利于提高运行系统的实时渲染。
②用纹理代替多边形表达结构细节。
纹理映射能够在不增加多边形数目的前提下提高场景表达的详实程度。
③移除多边形的背面。
虚拟校园环境中组成绝大多数模型的多边形都是单面可见,3dsmax能自动剔除多边形的背面而仅显示其前面。
④碰撞检测。
虚拟现实中,用户感觉虚拟对象应该是真实存在的,因而人在此环境中不能出现诸如穿墙而过这类情况。
这就要求虚拟现实系统必须实时、准确地判断虚拟物体之间是否发生了碰撞。
碰撞检测对增强虚拟场景漫游的真实感和逼真感具有重要的作用,碰撞问题涉及碰撞检测以及碰撞响应两个方面,其中碰撞检测是用来检测不同对象之间是否发生了碰撞。
碰撞检测算法总体上可以分为空间分解法和层次包围盒法两大类,其中层次包围盒法应用得更为广泛,十分适用于复杂环境中的碰撞检测。
在本交互系统中,当角色在虚拟漫游场景中漫游时,主要涉及两种类型的碰撞检测:
一种是与地形的碰撞检测;另一种是与建筑物的碰撞检测。
在Virtools中实现碰撞检测的主要方式有两种:
一类是通过为对象设定一些特有属性,利用软件自定义好的功能来进行碰撞检测;另一种是通过设置碰撞区域范围来认为控制碰撞检测的方式。
3结束语
虚拟现实技术能够实现人与自然之间和谐交互,可以扩大对信息空间的感知通道,并且提高人类对跨时空事物和复杂动态事件的感知能力,把计算机应用提高到一个崭新的水平。
本系统采用3dsmax建模及virtools进行交互设计,使得程序执行效率大幅提升,操作更加简单,三维场景内容丰富,整体效果较为完美,最终可以实现仿真度较高的虚拟校园漫游系统。
随着更多管理功能及辅助功能的开发,校园漫游系统的实用性和优势将得到进一步的体现。
参考文献:
[1]任田萱,苗放,曾建刚.虚拟现实技术在数字旅游中的应用研究[J].计算机时代,2009(10).
[2]罗建勤,张明.交互式漫游动画[M].北京:
中国科学技术出版社,2010.
[3]曲宝,赵娅,赵琦.基于Virtools的虚拟家具漫游系统的设计与实现[J].计算机工程与科学,2009(l2).
[4]周演,陈天滋.三维虚拟漫游技术的研究[J].计算机工程与设计,2009(5).
[5]冯玉芬.基于Virtools的虚拟小区漫游系统的设计与实现[J].计算机仿真,2009(6).
[6]王丹东,徐英欣,胥林.三维游戏设计师宝典[M].北京:
电子音像出版社,2009.
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