徐州农干校三维虚拟校园的设计与实现

姚俏

摘 要：VR技术是以计算机技术为核心，利用VR的交互技术、实时监控和沉浸感技术，生成逼真的虚拟环境，让浏览者以自然方便的形式在虚拟环境中自由漫游，从而产生等同真实环境的感受和体验。文章以设计制作徐州市农业干部中等专业学校三维虚拟校园为例，借助VRP，SQL Serve等技术进行开发，并结合视景仿真软件3ds Max，最终构建出功能相对完善的虚拟校园漫游系统。

关键词：VR；三维交互；虚拟校园；鹰眼；三维场景

1 虚拟现实概述

在计算机领域蓬勃发展的背景下，虚拟三维技术在近年来已经成为重要的核心分支，其通常被称为虚拟现实（Virtual Reality，VR）[1]。VR技术涉及的专业领域极其广泛，其中具有代表性的有光学、力学、图形学、计算机科学、传感技术等，经过设计与研究后最终构成了较为逼真的虚拟环境，其作用与功能是对运动、视觉以及听觉等方面进行模拟，让用户虚拟体验产生身临其境的感觉[2]。总的来说，VR技术在不断发展的进程中，已经深入生活的各个方面。

美国作为VR技术的起源，在VR技术的发展过程中起到重要的引领作用。VR技术涉及的领域有：机械制造、建筑装潢设计、商业产品的外包装设计和造型、影视以及商业广告。

2 相关技术简介

目前三维建模的软件主要有3DS MAX，MAYA，CAD，SolidWorks，Pro/E，UG等[3]。三维虚拟校园需要具有真实性和交互性，因此本文建模软件选择了3DS MAX，3DS MAX是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件。开发平台选择虚拟现实仿真平台（Virtual Reality Platform，VRP），其功能强大，能够兼容不同版本的Windows操作系统，能实时显示三维效果功能，同时可以与3DS MAX的多个版本无缝对接；支持精准度高的导航图功能，能够设置较好的物理碰撞检测效果；还支持各种自然特效如雾特效、太阳光晕、天空盒、流水、火等；支持各种相机功能，如行走相机、飞行相机等，使用VRP可以制作出优秀的高仿真三维作品，让广大用户感受到制作精良的VR作品已经不是遥不可及的梦想[4]。

2.1 三维模型技术

VR软件有很多，本文在虚拟校园建筑等三维模型用3DS MAX软件，开发环节选择VRP编辑器。VRP编辑器是一款直接面向三维美工的VR软件。VRP具有一键发布、在编辑器内直接编译等特征。同时，VRP可以和3DS MAX实现完美的结合。这两款优秀软件的结合使我们可以做出交互性更强、沉浸感更强，更加具有真实感的仿真三维虚拟校园。

2.2 平面模型技术

平面模型技术主要是由CAD软件与Photoshop软件所构成的。具体来说，Photoshop软件在平面模型当中更加常用，主要是被运用在数字图像的处理方面[5]。平面模型技术除了应用PS软件，还常常用到建筑行业最常用的软件CAD，其是用来进行平面制图的，平面布置图、施工图、立面图以及三维图的绘制都是用CAD这个软件来执行[6]。

3 三维虚拟校园总体设计

三维虚拟校园漫游系统是以徐州市农业干部中等专业学校为虚拟空间，根据VR技术原理，进行资料收集、图片处理、建立仿真三维模型、提出虚拟漫游系统的设计思路和运行方案，然后以VRML语言作为核心来对虚拟校园漫游系统进行构建，使浏览者沉浸其中，产生身临其境的感觉。

3.1 需求分析与可行性分析

需求分析的最终目的就是为了能够明确用户对虚拟系统的基本需求。获取用户需求的方式有很多，其中可以采用訪谈的方式让用户更加了解虚拟系统的构建价值。

虚拟校园的可行性分析是当前工作的重点内容，可行性分析和研究主要就是从以下几个方面进行着手，分别为：采用技术、投资额度、设计领域、所处环境、获得效益等，由此可见，三维虚拟校园系统建设无论在学校发展建设上、经济适应性上、技术保证上等都是必要可行的

3.2 虚拟校园设计流程

最近几年，随着计算机技术的不断创新发展，计算机的普及应用，校园信息化的建设也得到了进一步的提升，虚拟校园成为信息化建设的关键组成要素。传统虚拟校园是由二维技术进行设定的，进而已经无法满足当前管理需求[7]。借助于计算机虚拟和网络技术，可以实现三维虚拟校园的技术，相对来说，三维比二维更加直观具体，可以更为真实地感受智能化特性，成为虚拟校园构建的强大动力，也成为二维平面之后的一大创新突破。

3.2.1 收集资料

资料主要是有数字化地图数据、纹理数据的收集、地形数据的整理、CAD图纸的获取、建筑实景照片的拍摄、校园建筑信息的收集等构成，用于后期整个三维建筑模型的设计。

3.2.2 图片处理

收集来的图片大小不一、尺寸不同，甚至色彩单一，画面不均，这时需要用到Photoshop软件，更改图片大小、调整画面色彩，通过图片处理有效地解决由于纹理数据冗余的问题，以及对帧速率所产生的影响。

3.2.3 创建模型和赋予灯光材质

本阶段使用3DS MAX建立校园的整个建筑模型，包括教学楼、宿舍楼、实验楼、办公楼、小花园等，在现实生活中任何实体都由不同的材质组成，任何物体都由质感、颜色和属性，这不仅包括物体表面的颜色、纹理，还包括对光的属性等[8-9]。

3.2.4 渲染处理

在使用3DS MAX制作校园建筑时，需要渲染多帧或者渲染成影片格式，这样才能不影响渲染速度和画面质量。

3.2.5 碰撞检测

首先了解什么是碰撞，假如两辆车之间的车距为100 m，从此车距中可以看出，两辆车之间的距离非常远，进而不会出现辆车相撞的情况。然而，当两车的本身长度分别为6 m和12 m，那么两辆车的中心距离如果仅仅只有5 m的距离，那么就非常的有可能会发生碰撞。这就是一种距离和中心距离的碰撞测试理念。因此在3DS MAX中，需要做碰撞检测。endprint

3.2.6 相机的创建

在制作大型3D场景时，通过创建相机，可以让用户从不同的角度浏览制作场景。文中让体验者以不同观察方式、不同的高度、不同的视觉角度游览虚拟校园场景，给用户带来了一场视觉盛宴。

3.2.7 导航图

徐州市农业干部中等专业学校校园场景比较大，新用户在校园中浏览体验时，容易不知所措，找不到方向，所以需要制作导航图方便用户浏览校园。同时导航图还有放大缩小、热点区域响应、热点图标响应等功能。

3.2.8 数据库查询与信息查询

数据库查询中包括建筑物的字段名称和类型以及建筑物的详细数据信息等，通过与徐州市农业干部中等专业学校虚拟校园场景的连接和控制，在虚拟校园系统中对相关数据进行查询和掌控，对学校信息进行了解，那么就可以对虚拟场景信息进行及时的跟踪，并进行不间断的更新信息。

3.2.9 项目发布

由于制作的工程比较大，有可能会出现各种失误，所以要进行项目发布，以确保各项功能完整性。

虚拟校园要制作出逼真的空间立体感，并且形象、仿真、可互动性，使参与者能在创建的栩栩如生的虚拟建筑场景中游走、体验。

4 结语

通过不断的研究探索，Photoshop，CAD，3DS MAX等软件的优点充分发挥出来，以徐州市农业干部中等专业学校为例的三维虚拟校园建设已经完成。本文在研究阶段，重点将三维虚拟场景的制作作为研究核心，并经过反复的系统测试，得出了场景建模优化的方法，速度和画面得到了统一。让浏览者可以身临其境地在虚拟校园里交互漫游。

[参考文献]

[1]陈诚.三维校园的开发与设计即全景校园虚拟漫游技术的实现[D].武汉：武汉科技大学，2010.

[2]GLANDER T，D?LLNER J.Abstract representations for interactive visualization of virtual 3D city models[J].Computers Environment & Urban Systems，2009（5）：375-387.

[3]汪成为，高文，王解仁.灵境（虚拟现实）技术的理论实现及应用[M].北京：清華大学出版社，1996.

[4]马向英，杜威登，袁晓君，等.基于图像的室内虚拟漫游系统[J].中国图象图形学报，2009（1）：86-91.

[5]ELLUL C，HAKLAY M.Requirements for topology in 3D GIS[J].Transactions in Gis，2006（2）：157-175.

[6]刘国庆.虚拟校园建模技术的研究[D].山东：中国石油大学，2008.

[7]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[8]PEUQUET D J.Representations of geographic space：toward a conceptual synthesis[J].Annals of the Association of American Geographers，1988（3）：375-394.

[9]姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004（3）：4-5.

Abstract：VR technology uses interactive technology， real-time monitoring and immersive technology to generate a realistic virtual environment， allowing viewers to freely roam in a virtual environment in a natural and convenient manner， thereby creating a feeling and experience equivalent to a real environment， with computer technology as the core. Taking the design and manufacture of three-dimensional virtual campus of Xuzhou agricultural cadre secondary specialized school as an example， the article develops with VRP， SQL Serve and other technologies， and combines the visual simulation software 3DS MAX to build a relatively perfect virtual campus roaming system.

Key words：VR； three-dimensional interaction； virtual campus； Hawkeye； three-dimensional sceneendprint