虚拟现实（VR）技术在数字化校园建设中的应用及前景展望

郝艳娥，曾德骅

（延安大学建筑工程学院，陕西延安，716000；2.中建六局有限公司华东分公司，海南海口，570125）

0 前言

随着计算机和互联网应用的普及、数字化信息技术的飞速发展，虚拟现实的仿真技术也日益成为当前研究的热点。越来越多的高校将虚拟现实技术引入到“数字化校园”的建设中，以期建立自然、逼真、动态的三维可视化立体式虚拟校园，达到校园现代化、智能化的目的。虚拟校园的建立能够为数字化校园建设提供了一种全新的手段和补充。如果将虚拟现实技术的应用经验及方法用于陕北红色旅游业的宣传和延安新城区建设中也具有很好的前景和推广价值。

“数字校园”建设包括信息的获取、处理和应用。本文根据某校园数字平面测绘数据，在虚拟现实技术的基础上应用Arch2012建筑设计软件对校园中出现的实体建筑进行三维建模，应用UC-win/Road软件平台将模型与周围环境按相关坐标数据结合，对校园中的地形、地貌、地物和自然景观等进行三维模拟仿真，力图建立动态的立体式虚拟校园，在计算机中还原真实的校园原貌。

1 虚拟现实系统技术介绍

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术指的是为用户提供一种模拟现实的操作环境，利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉的感观世界，使人们对所研究的对象和环境获得身临其境的感受，从而提高人类认知的广度和深度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间”和“方法空间”，最终达到更本质地反映客观世界的实质。该技术的兴起，为工程项目的复杂数据提供了新的处理和表现方法。主要包括以下几个方面：

（1）动态环境建模技术。虚拟现实技术的核心内容是虚拟环境的建立，需利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

（2）实时三维图形生成技术。其该技术的关键是如何实现“实时”，研究内容是如何在不降低图形的质量和复杂度的前提下提高刷新频率

（3）立体显示和传感技术。虚拟现实的交互能力依靠于立体显示和传感器技术的发展，有必要开发新的三维显示技术满足现实需要。

（4）应用系统开发工具。寻找合适的场合和对象是虚拟现实应用的关键，可使生产效率大幅度提高，提高产品的开发质量。因此，必须研究虚拟现实的开发工具。

（5）系统集成技术。系统的集成技术作用巨大，因为大量的感知信息和模型包含于虚拟现实中。

2 利用Arch2012建筑设计软件进行实体建模

TH-Arch建筑设计软件构建于AutoCAD平台，是一套为建筑设计及相关专业提供的CAD系统。该软件拥有多项创新技术，其中渲染技术和在位编辑两大技术，可以充分发挥建筑表现和工程制图两种用途，是中国建筑设计软件里里程碑式的突破。

2.1 构建实体建筑的基本原理

实体建筑的建模主要运用的是体素构造表示的原理，使用建模工具从形状和外观上对实体进行模拟，为增加模型的真实感，采用纹理映射等辅助技术手段。原理如下：

（1）获得建模数据。建模数据主要来自学校的测绘数据和建筑图纸。

（2）确定模型的层次结构。按照建筑物的结构进行层次分解。

（3）进行可视建模过程。在Arch2012软件中利用建模工具箱逐层进行可视建模。注意模型的尺寸形状要与建筑图纸标注的相同。

（4）使用纹理映射。对于门、窗、阳台栏杆等每栋建筑都具有且数量较大的细节部分，一般采用纹理映射的方法。

2.2 实体建模过程

先通过Arch2012对校园中的实体建筑按照图1所示流程进行三维建模，再利用Arch中的材质系统，对材质进行编辑，然后按建材分类挑选材质，给场景中的三维模型进行材质附着，以备渲染之用，渲染后的校园某建筑如图3所示，最后利用屏幕菜单命令：【渲染动画】→【导出3DS】，将Arch的三维模型分解转换成3ds格式，同时携带Arch中的材质.包括贴图坐标。

3 利用UC-win/Road软件进行校园三维仿真

按照图2的流程利用UC-win/Road软件首先进行地形信息编辑，根据需要在山坡上生成森林，再利用所测校园平面图中的道路坐标定义道路，然后进行景观配置，将建模好的三维图形以3DS格式再导入UC-win/Road软件里，最后进行VR演示。演示前，首先要进行景观位置的保存，飞行路径的设置，电影脚本的设置等等，为演示做准备。最后采用AVI格式录像并保存，在录像前，先设置宽度、高度、每秒帧数。帧数30以上为标准，编解码器控制文件容量、画质。然后主菜单选择【开始AVI录像】，进行动画录制，此时画面上的任何举动均被录制，结束时选择【结束AVI录像】。此外，也可对脚本进行录像。VR三维模拟仿真效果图见图4和图5。

4 经验总结

在用Arch2012软件进行三维建模和应用UC-win/Road软件进行三维仿真过程中碰到一些困难，经过仔细琢磨，反复钻研，总结出以下经验方法：

（1）Arch2012软件建模过程中，除了柱、梁、墙、板等构件必须按设计顺序布置外，其它各部分的建立没有先后顺序之分；

（2）由建筑设计软件导出的3DS图，在导入VR软件里会出现数据丢失或是渲染的材质发生变化，可以通过在VR软件重新渲染的方法解决；

（3）在UC-win/Road软件中进行模型配置时，如因模型过多导致Frame rate（fps）下降的话，可尝试在描绘选项的性能选项卡中加大可视角度；

（4）在校园三维仿真后期，加入的模型越来越多，UC-win/Road软件会随时出现系统性能不足，这样会导致之前保存格式为.rd文件损坏，并且无法进行修复。为避免重复劳动，建议每做一步（大约10分钟左右）另存为一次；

（5）由于模拟的环境比较大，物体非常多，为了录制比较清晰的AVI格式视频，建议把AVI选项里压缩率调到60%左右。另外用UC-win/Road进行AVI录像时，视频里一秒的时间需要的实际时间平均是20秒，非常慢，建议在定义脚本时，尽量把握好时间，把视频分段录制，每一段控制在6至8分钟左右。

5 VR技术应用展望

将虚拟现实技术用于数字化校园建设中，可以为学生营造一个“自主学习”的交互式虚拟校园，与传统的校园网相结合将会带来更多的优势，也是教育技术发展的一个飞跃。如果将VR技术应用的经验方法用于地方旅游业和城市建设中也具有很好的应用前景和推广价值。

若将虚拟技术用于陕北革命旧址中，建立虚拟的三维红色旅游景区，可以为革命旧址带来全新的展示手法，提供立体的、动态的展示效果，也可以通过现代科技手段让更多的人能了解景区的特色，而且还能最现时、最真实、最清楚地将历史遗址的整体风貌展现出来，极具渲染性和说服力，也达到了丰富现有旅游信息系统的内容与表现形式的目的。不仅能加速游客对景点的认识过程、刺激旅游动机，还能引导旅游客流，实现旅游增效。对于旅游部门，能够在空中指点景区，用立体画面推销旅游资源，有助于旅游资源的普查，指导旅游景点景区的规划开发建设。可见，将VR技术引入到陕北革命旧址中可以为旅游历史文化遗址提供真实的虚拟场景，达到运用先进科学技术手段有效地推动陕北红色旅游和革命遗址保护的目的。

陕北延安由于所处地理位置狭窄，城市扩展空间受限，目前正在“削山建城”，这项工程是世界上在湿陷性黄土地区规模最大的岩土工程，吸引了不少人的眼球，也带来不少争议，人们担心这座新建城区会变成“空城、鬼城”。将VR技术应用在陕北延安新城区建设中，可以向评审者或公众实时展示逼真的、三维的新城区场景和规划设计方案，也可以全方位、多种方式、完全由用户自由控制在新城区中漫游，还可将不同时期、不同阶段的城市风貌、建筑物的变化进行对比，以满足多种不同类型的观察者需求，并且可以与互联网信息结合，利用计算机进行身临其境的全方位浏览，以满足人们对新城区建设有着全面、真实、详尽了解，这对提高延安新城区未来人气具有积极作用。也是传统的建筑平面图、建筑沙盘模型、建筑效果图和渲染的三维动画所无法达到的。

[1]深圳市斯威尔科技有限公司.建筑工程项目VR虚拟现实高级实例教程.北京：中国建筑工业出版社，2009

[2]深圳市斯威尔科技有限公司建筑设计软件高级实例教程.北京：中国建筑工业出版社，2009

[3]石云，刘万青.虚拟现实技术在旅游业中的应用-以国家级风景区骊山景区为例[J].测绘与空间地理信息，2009，32(4)：33-35

[4]肖立，尚涛.虚拟现实技术及其在城市建设中的应用[J].武汉大学学报（工学版），2001，34（6）：114-116