虚拟校园漫游系统中的建模与优化技术研究

唐翠芳

（贵州师范大学 大数据与计算机科学学院，贵州 贵阳 550001）

虚拟校园漫游系统中的建模与优化技术研究

唐翠芳

（贵州师范大学 大数据与计算机科学学院，贵州 贵阳 550001）

建立虚拟校园漫游系统的基础是为实体对象建立仿真模型。文章选取贵州师范大学宝山校区作为实例对象，探讨了虚拟校园漫游系统之中的多种三维模型的建立方法，具体针对建筑物、场景中的建筑物、树木、地面等模型的建立进行了论述，并在此基础上重点分析和研究了虚拟校园之中实时性优化的几项关键措施。

虚拟校园；漫游系统；建模；优化技术

虚拟校园漫游系统作为校园数字化工程的一部分，是指利用计算机软硬件去创建具有良好交互能力、能使参与者具有沉浸感、有助于启发参与者构思的信息环境。虚拟校园的设计与建立能为学校树立良好的形象，对于提高学校的知名度、宣传校园文化等方面有着重要的意义。

随着计算机硬件技术的快速发展，虚拟场景技术在各领域得到迅速发展。然而目前大多数虚拟场景漫游的实现，都是以昂贵的硬件和大量的人力为条件，从中得到相对完美的效果。为此，建立一种硬件成本低、简单易行、针对性强的虚拟校园漫游系统设计方案显得非常重要。本文主要以贵州师范大学宝山校区作为现实对象，通过分析对比虚拟漫游技术的研究状况，结合实际情况和现有条件，有针对性地对虚拟校园漫游系统中建模与优化技术进行一定的探讨。

1 虚拟场景的仿真建模技术

虚拟校园漫游场景中建立的各种模型是对校园中各种实际物体形状的重建，利用三维软件设计出各种虚拟的模型是虚拟校园建设的基础和重点，而模型的质量又对校园场景的真实感和沉浸性又有着直接的影响。随着虚拟现实技术的快速发展和相关研究的不断深入，其应用逐渐普及，与此同时，用户对虚拟场景中三维模型的质量要求也不断提高。为了满足用户对真实感以及视觉等方面的要求，结合要创建物体的特点来选择恰当的建模方法尤为重要和关键。目前虚拟场景建模的方式主要有3种：（1）通过专业的三维软件建模建立模型；（2）通过照相机拍摄的二维原始图像或使用摄像机采集连续的视频作为基础资料来建立模型；（3）通过专门的建模语言建模。

本研究主要通过3DS Max的强大建模功能来创建虚拟场景之中主要物体，并对建筑模型进行贴图处理。虽然3DS Max制作的场景特别精细，但也同时存在着大量冗余信息的问题，因此需要在建模时注意对其进行优化处理。

2 虚拟校园场景中各种模型的生成

2.1 建筑物模型的建立

首先，要对实体校园里标志性的建筑物如食堂、图书馆、教学楼、行政楼、体育馆、音乐厅、文科大楼等单独建模。在3DS Max中创建建筑模型的主要方法是利用基本几何体加上贴图的方式来进行的。为了真实再现建筑物的面貌，需先将数码相机拍摄到的建筑物的外部轮廓平面图作为参考图导入到建模软件的顶视图中，然后根据参考图创建相应建筑物的模型，接着利用UV编辑器展出整栋建筑物的UV并作为绘制贴图的依据，这样能保证贴图不发生位置偏移，获得与真实场一样的视觉效果。

2.2 场景之中环境物体的建模

虚拟校园场景中一些典型的小型物体在漫游系统中的作用是不可小瞧的，特别是那些最具特色的环境物体，不仅可显现学校的环境特征，还能从整体上提升真实感。典型的路灯、简洁的水泥桌、路边的石座椅、固定位置上的铁皮垃圾箱（桶）等等，都能让场景更接地气，更加真实。由于这部分环境物体大多数近似于中心对称，因此可以应用Billboard方面的相关技术，主要方法是将这些贴图贴到一个平面上，使这个平面一直垂直于摄像机视线的方向。

2.3 树木的建模

贵州师范大学宝山校区的绿化面积较大，行政楼前以及各条道路两旁的树木非常繁茂，环境宁静幽雅，对这些树木建模是本系统的重要内容之一。植物建模一直都是虚拟现实技术的一个研究热点，绘制出更加真实的树木是建立虚拟校园漫游系统的一项重要工作。其中，一种比较流行的方法是用图像代替树木模型。将事先处理好的树木贴图到贴到新建的一个面片上，再用透明贴图的方法隐藏掉树木以外的地方，然后对这个面片旋转90度复制，方法既简单实用，视觉效果又好。

2.4 地面模型的建立

地形是自然界里最复杂的景物之一。如何绘制真实感强的三维地形是图形学领域关注的焦点之一。采用VRML的Elevation Grid节点来建立地面模型的方法时，地表格栅建立的一般法是从选择一个平坦的格栅面着手，然后选择其中一个格栅点并根据实际地形调整高度，作为山峰的部位要调高，作为山谷的部位则调低，照此法继续直到建立起层次感丰富、真实感强的完整的地面模型。

3 VRML场景优化策略

网络带宽的限制是虚拟场景面临的一个主要问题。为了提高系统的实时响应速度，可通过优化建模和提高文件下载速度来解决。对于Internet上的虚拟现实系统而言，当响应速度与虚拟场景的真实感出现冲突时，在不影响大局、能在视觉上达到基本真实的前提下，一般选择牺牲一定的真实感来换取速度，具体方法是在保证显示的质量下降不太多、用户不易察觉的情况下尽量减少每帧所包含的多边形个数。

3.1 限制物体的可见性

这种策略的具体做法是：在VRML中，通过特殊的编辑对Color与Material这两种节点进行处理，使处于远距离的物体的色素值具有较低的值和较简单的纹理，待视点接近它们时再变得明亮一些。同时，可使用VRML提供的Proximity Sensor节点来检测用户被感应物体的范围，当用户与物体的距离接近到一定程度并在视觉范围之内时，才使对应物体可见，否则不对此物体进行渲染。

3.2 采用层次细节的模型节点

对于同一个物体来说，当距离不同时，人眼所能看到的细节是不一样的，而且，当距离物体越远时，其形状也会变得越简单。根据这一视觉特点，层次细节模型（Levels of Detail，LOD）技术可以很好地解决这个问题。LOD节点是VRML中一个比较理想的模型优化节点，在进行细节层次控制的过程中，其原理主要就是在不同的空间距离上根据视觉效应为每个物体建立不同细节的空间造型，使其距离由远及近顺次使用自粗糙到细致的不同模型描述物体，从而减少不必要的模型细节，由此来加快模型的绘制速度并实现优化的目标。

LOD技术主要是在最小限度影响画面感和视觉效果的前提下，通过逐渐简化景物的表面细节达来到降低复杂性的目的。因此，对该项技术的研究主要侧重于如何建立不同层次的模型和相邻层次多边形网络之间的过渡两个重要方面。

3.3 场景分割组织

一所高校校园就如同一个小型社区，真实场景都比复杂庞大，场景中的模型也非常之多。当场景过大时把所有的模型都装在一个VRML文件里是很困难且不科学的，这个文件也会变得比较大，其实时性也会比较差。为了解决这类问题，可采取场景分割的方法把较大的场景进行分割，形成几块规模较小的场景，然后在总的VRML文件中设置好整个虚拟空间的背景、大气效果等各种特性，再用内联节点Inline把前面事先分好的小型场景和复杂的造型引入到该文件中。

4 结语

在虚拟校园漫游设计的过程中，不仅要考虑如何建立真实逼真的场景模型，还要重视对场景和模型进行优化处理。因为网络环境用VRML生成大型场景时，所面临的主要问题是下载大型场景的速度较慢，用户的等待时间过长。通过上述技术策略进行优化处理后，系统中的这个问题得到了一定的改善，速度比原来提高了1/3。

[1]吴迪，张绍江.虚拟校园漫游系统中的建模与优化技术[J].天津市经济管理学院学报，2009（4）：40-41.

[2]邱有春.虚拟校园场景建模和漫游系统实现[D].成都：电子科技大学，2009.

[3]刘旭东，陈谊.VRML场景优化问题研究[J].北京工商大学学报（自然科学版），2006（4）：41-44.

[4]王丽.基于Untiy3D的三维虚拟校园漫游仿真系统设计与实现[J].中国教育信息化，2016（9）：60-63.

Research on modeling and optimization of virtual campus roaming system

Tang Cuifang
（Data and Computer Science College of Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China）

Foundation of virtual campus roaming system is to establish the simulation model for entity object. This study selected the Baoshan campus of Guizhou Normal University as an example, discusses the method of establishing three-dimensional model of the virtual campus roaming system, aiming at the scene of the buildings, buildings, trees, building and other ground models are discussed, and then based on which, this paper focuses on the analysis of virtual campus real-time optimization of several key measures.

virtual campus; roaming system; modeling; optimization technology

贵州省科学技术厅、贵州师范大学联合科技基金；项目编号：黔科合J字LKS[2010]31号。

唐翠芳（1968— ），女，贵州平坝，硕士，教授；研究方向：多媒体技术，计算机辅助教育教学。