虛擬校園漫游系統開(kāi)發(fā)及其應用

　　2．2 三維虛擬場(chǎng)景數據庫的構建與優(yōu)化

　　逼真的三維場(chǎng)景模型是構建高逼真虛擬漫游系統的關(guān)鍵，本系統的場(chǎng)景構造主要按照實(shí)地考察結果進(jìn)行。建模同時(shí)還要實(shí)現場(chǎng)景細節表現與圖形負荷之間的高效平衡。為了使構造的漫游系統達到實(shí)時(shí)繪制要求，系統采用了場(chǎng)景數據庫的層次組織結構、紋理映射、實(shí)例化、LOD層次細節模型、可見(jiàn)性裁剪等技術(shù)方法對場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。

　　實(shí)體建筑是虛擬場(chǎng)景中的主體部分，也是最重要的場(chǎng)景內容。對實(shí)體建筑進(jìn)行建模與優(yōu)化的一般步驟是：

　　(1)獲得建模數據。建筑外觀(guān)與幾何形狀等要求準確的數據，在沒(méi)有建筑圖紙的情況下主要根據實(shí)地拍攝的照片使用3DS MAX進(jìn)行 建模。

　(2)確定模型的層次結構，由于系統使用的建模工具不具備像Multigen建模工具的樹(shù)狀層次結構來(lái)管理場(chǎng)景模型”，所以在模型建好后，通過(guò)導入到 Virtools中進(jìn)行層次設置。如先按主體分組，再在每個(gè)主體中分墻體、門(mén)、窗等。直到底層分解到基本圖元結構。

　　(3)去除冗余多邊形。描述實(shí)體模型表面的數據經(jīng)常存在冗余現象，這里的冗余多邊形主要是指在實(shí)體外部觀(guān)察模型時(shí)不可見(jiàn)的部分。例如，樓體的底面、內墻面及樓層之間的連接面等。由于場(chǎng)景瀏覽時(shí)它們處于不可見(jiàn)的位置，去除它們并不影響實(shí)體的視覺(jué)效果，而消除這些冗余多邊形則可以在很大程度上降低場(chǎng)景的復雜度。這里只考了建模時(shí)模型的可見(jiàn)性裁剪，對校園進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游時(shí)需根據Virtools的SDK實(shí)現非基本 圖元層次的視見(jiàn)體裁減和 遮擋剔除 ，這樣可充分利用GPU的性能實(shí)時(shí)繪制復雜校園的室外場(chǎng)景。

　　(4)使用紋理映射。對于門(mén)、窗、欄桿等每棟建筑都具有且數量較大的細節部分，一般采取紋理映射的方法，在對應位置的多邊形表面上“貼制”紋理圖片，用來(lái)代替詳細的模型。這樣處理可以減少模型的多邊形數目和復雜程度，提高圖像繪制速度和顯示速度。只要視點(diǎn)不過(guò)于靠近建筑物，紋理映射并不會(huì )降低場(chǎng)景的逼真度。

　　(5)使用 LOD技術(shù)對幾何模型和場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)化。校園漫游系統 中對 LOD的定義是利 用 3DSMax和 Virtools來(lái)完成 的 。使用3DSMax~作不同精度的模型，在Xrmools中設置調用范圍。采用LOD模型后，可以實(shí)現只在漫游視點(diǎn)接近場(chǎng)景對象時(shí)，載入精細模型，其他情形下則可以用低分辨率模型進(jìn)行替換。

　　此外，外部景觀(guān)在漫游場(chǎng)景中也是不可缺少的重要部分，美觀(guān)、適當的外部景觀(guān)能極大的增強場(chǎng)景的真實(shí)感和逼真度。在本系統的虛擬校園巾，外部景觀(guān)主要包括：草地、樹(shù)木、花叢、路燈、涼亭、雕塑、花壇等。為了營(yíng)造校園場(chǎng)景的真實(shí)氛圍，在場(chǎng)景構建后期還增加了人群與汽車(chē)等實(shí)體。

　　天空及遠景模型的構建也是場(chǎng)景中的重要內容。具體做法是在校 區地 形的邊緣構造 一個(gè)四周閉合 、由若干四邊形面組成的“圍墻”，通過(guò)在“圍墻”面上映射相應的紋理，來(lái)實(shí)現該方向上遠景的模擬。而對天空的模擬，如圖4所示，采用加蓋_個(gè)半球籠罩整個(gè)地形，在其內表面上映射相應的天氣效果紋理來(lái)實(shí)現。這樣，當視點(diǎn)在由地形、邊界立面、項面組成的內空間中移動(dòng)時(shí)，加上適當的光照效果，可以使人感到遠景、天空所產(chǎn)生的強烈的縱深感。為了加強動(dòng)態(tài)效果，還可以采用紋理變換的方法來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)移動(dòng)的天空云彩。

　　場(chǎng)景實(shí)體模型的構建是按照場(chǎng)景層次結構的劃分來(lái)進(jìn)行的，各層次實(shí)體景觀(guān)構建完后需要進(jìn)行組合集成，最終形成虛擬場(chǎng)景的整體。本系統構建的虛擬校園的場(chǎng)景模型先按照小區域分別集成，然后將各小區域場(chǎng)景集成到地形模型上，可參照圖2所示校園平面圖進(jìn)行位置的布局 。

　　2．3 場(chǎng)景地形的分塊調度管理

　　本系統構建的校園場(chǎng)景較大，這里采用分塊調度管理技術(shù) 。先將整個(gè)地形分割成若干多邊 形數較少的小單元地形并存成不同的地形模型文件，再以外部引用的方式分別調用(包括地形上的地物)，重新構成一個(gè)完成的地形模型。這樣可以根據視點(diǎn)所看到的區域，動(dòng)態(tài)地選擇小單元地形模型進(jìn)行調用，不需要調用整個(gè)地形模型，能有效地提高系統的吞吐量和場(chǎng)景繪制的實(shí)時(shí)性。

　　3 虛擬校園漫游功能的設計與實(shí)現

　　如圖5所示，本系統包括漫游模塊、3D地圖模塊及衛星地圖模式。其中三維漫游主要包括固定路徑漫游、自由導航漫游 、定點(diǎn)漫游、場(chǎng)景導入和編輯等主要功能。 3D地圖模式和衛星地圖模式則提供用戶(hù) 以地圖拖拉導航的方式形象直觀(guān)地進(jìn)行校園漫游。

　　3．1 虛擬漫游人機交互控 制

　　人機交互一直都是虛擬現實(shí)系統研究中的重要內容。漫游系統中的實(shí)時(shí)交互性主要表現在兩個(gè)方面：一是用戶(hù)對場(chǎng)景中的實(shí)體對象能進(jìn)行某些操作，并且實(shí)體對象能：征即以某種形式的變化反饋給用戶(hù)，響應用戶(hù)的操作 ；二是當用戶(hù)的位置與視點(diǎn)改變時(shí)，漫游引擎要能夠立即調度場(chǎng)景數據庫實(shí)時(shí)生成新的視點(diǎn)畫(huà)面，并顯示給用 戶(hù) 。

人的行走是日常生活中最普遍的行為，而在漫游系統中它也是最主要的行為。用來(lái)控制虛擬環(huán)境中視點(diǎn)位置的改變就是漫游系統中的主要交互方式。對視點(diǎn)控制交互方式的設計，主要考慮到方便性問(wèn)題，即如何提供給用戶(hù)一種 自然方便 的觀(guān)察環(huán)境的方式。視點(diǎn)控制要能夠模擬行人在虛擬環(huán)境中觀(guān)察場(chǎng)景，在必要時(shí)還能以定點(diǎn)方位的方式瀏覽場(chǎng)景。在本系統中視點(diǎn)用虛擬相機來(lái)表示，所以對視點(diǎn)的控制實(shí)質(zhì)足對相機進(jìn)行設置與控制。通過(guò)對相機采用不同的控制方式可以實(shí)現不同的漫游方式。在校區漫游系統中，對相機使用以下控制方式：

　　(1)相機的靜態(tài)控制。相機本身具有位置和旋轉角度屬性。當進(jìn)入漫游系統時(shí)，根據需要義初始設置的默認視點(diǎn)繪制場(chǎng)景，用戶(hù)可通過(guò)預設的視點(diǎn)切換校園場(chǎng)景。

　　(2)相機按固定路徑進(jìn)行漫游。按下響應控制鍵，將按照設定好的路徑 對整個(gè)校園進(jìn)行瀏覽。如圖 6所示為自由導航模式下的校園全景。

　　(3)自由漫游。以第一人稱(chēng)視角 進(jìn)行漫游 。

　　(4)定點(diǎn)漫游。點(diǎn)擊相應建筑物名稱(chēng)即傳送到對應建筑物。

　　3．2 導航圖控制

　　如圖6左上角所示的導航圖是漫游系統中普遍使用的向導工具，一般使用二維地圖表示。與三維場(chǎng)景的視圖相比，二維地圖的優(yōu)勢在于它可以提供更加廣闊的視野空間，使漫游者很容易從總體上把握當前所處的位置及周邊環(huán)境狀況。系統采用首先將三維場(chǎng)景渲染成一張二維平面地圖，然后利用虛擬相機實(shí)現地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點(diǎn)的同步運動(dòng)。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文在研究基于多邊形的虛擬漫游實(shí)時(shí)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，以華北電力大學(xué)保定二校區為仿真實(shí)例，使用3DSMAX、Virtools中BuildingBlock及SDK工具設計并實(shí)現了～個(gè)具有基本漫游功能及簡(jiǎn)單場(chǎng)景設置的實(shí)時(shí)虛擬校園漫游系統。針對本系統實(shí)時(shí)性及逼真性進(jìn)一步改進(jìn)的考慮，今后的工作包括：地形匹配問(wèn)題；基于遮擋裁剪技 術(shù)的高效場(chǎng)景優(yōu)化問(wèn)題；基于網(wǎng)絡(luò )漫游的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。另外，系統功能的進(jìn)一步完善也是今后的工作。通過(guò)功能完 善使之還具備實(shí) 時(shí)通訊、個(gè)人信息管理、信息交流、官方信息發(fā)布等功能，甚至能為網(wǎng)絡(luò )教學(xué)提供三維虛擬平臺。