基于虚拟现实技术的校园3D漫游系统研究

顾语琪　孔　鑫　李彦雪*

(东北林业大学园林学院，黑龙江 哈尔滨　150040)

1　研究背景与意义

1.1　研究背景

随着互联网技术的日益发展，虚拟现实技术在国内外兴起。虚拟现实技术(简称VR技术)是一种借助计算机及最新传感器技术创造的，用户与计算机之间实现视觉、听觉、嗅觉的有效互动方式，具有多感知性、存在感、交互性、自主性的特点。其在计算机技术研究中占据重要地位，并逐渐渗透到军事、教育、工业设计等方面，展现出巨大的发展潜力。利用其先进的交互性与多感知性等特点，虚拟现实技术在三维数字景观漫游的研究方面也取得了一定成就。目前，高校间竞争愈发激烈，传统方式已无法满足学校发展需求。国内外很多高校纷纷推进了校园信息化建设，构建虚拟校园漫游系统已然成为高校提高自身竞争力与影响力的一大手段。

1.2　研究意义

依托于虚拟现实技术，项目可以实现对校园环境全方位的立体演示，让用户身临其境的感受东北林业大学南校区四时风光。它为用户搭建了一个了解校园的多元化信息平台，为学校的宣传、展示提供了全新的方式。同时，项目不仅是对校园现状的漫游展示，还对南校区整体景观进行改造与提升。校园三维数字景观漫游系统作为数字校园建设的基础，同时也是虚拟现实技术在教育领域应用的典型，通过直观的预览改造成果，它让设计更具合理性与实操性，这将对于东北林业南校区的建设改造有重大的指导意义。

2　研究现状

2.1　虚拟校园的应用现状

作为虚拟现实技术的发源地，美国研究水平遥遥领先，并广泛运用于教育领域。大学生的日常学习生活、大学的管理建设已经与校园的信息化建设息息相关。其他一些国家也积极的进行虚拟现实技术的研究与应用。美国加利福尼亚大学、日本京都大学甚至达到了建设虚拟智慧城市的水平。瑞士联邦多所高校都参与到建立“瑞士虚拟校园”的项目中，澳大利亚墨尔本大学也建立了相对完善的虚拟校园。

我国虚拟现实技术起步晚，故与发达国家相比仍存在很大差距。但是，虚拟校园建设已得到了有关部门和科学家相当的重视。国内许多高校都认识到虚拟校园的发展前景并投入到这一研究中。

1996年，天津大学率先完成了虚拟校园的建设。北京航空航天大学计算机系也是最早开始进行VR技术研究的单位之一，并取得了瞩目的研究成果。包括香港理工大学在内的几所香港名校纷纷从事了虚拟校园的研究，部分实现了虚拟校园功能。清华大学、北京大学、上海交通大学等内地高校也开展了虚拟校园的研究，实现了校园信息的可视化查询、路径查询等功能。

2.2　虚拟现实在设计中的应用

随着科技的进一步发展，虚拟现实技术已经应用到了工业、城市设计等多个领域。但是，要实现在园林设计中的应用，目前来说比较困难。因为虚拟城市中的许多要素均是规则的形体比如几何体建筑，它们在建模过程中所需计算的面相对较少，故实现虚拟现实效果比较容易。而园林设计中常用的景观要素，如植物、道路、地形、水体等多是不规则的形体，用计算机的模型表示会非常复杂。现阶段的民用计算机很难实现其效果。所以，现阶段，在园林设计方面，实现流畅的虚拟现实效果基本是不可能的。

3　东北林业大学南校区3D漫游系统构建流程

现实校园南校区→数据的采集与处理→校园南校区的规划设计与景观改造→三维校园模型的建立→虚拟现实系统的驱动→虚拟校园漫游。

3.1　平面绘制阶段

3.1.1前期数据采集

一开始，借助皮卷尺等测量工具，我们对南校区建筑进行了外围数据测量，对南校区道路宽度、设施位置等各项数据都做了记录，并利用数码相机拍摄百余张建筑外观及外环境照片，这些数据为后续工作提供了有力的支撑。同时，通过问卷调查，我们采集了同学们对于新校区景观改造的建议。最后对得到数据进行整理分析。

3.1.2校园方案设计

由于东北林业大学南校区规划不合理，存在：食堂门前交通组织混乱，停车场设计不规范；博物馆及园林学院段硬质铺装过多，基本没有景观效果；马家沟两侧景观单一等问题，我们对这些问题进行方案优化：对交通线路进行梳理，确定最便利的各级道路；增加新校区景观小品设施如趣味花坛、座椅等，增加景观趣味性，使方案设计更加合理化、人性化；进行南校区植物景观设计，营造舒适的植物景观环境，保证生态的多样性。

3.1.3平面绘制(CAD)

根据精确的测量数据及拍摄照片，完成CAD的1∶1的现状平面绘制(单位mm)，可用正交模式保证画出的线水平或垂直，在对象捕捉下调节光标的矢量追踪(快捷键OS)。我们确定了多个景观要素，包括建筑、道路、水体的尺寸及位置，再将各要素调整到相应图层。接下来对需要设计改造的地方进行调整，最后将底图保存为EPS格式。

3.2　三维模型创建阶段

3.2.1材质处理(PS)

在大量实景照片的基础上，利用PS技术对于贴图材质进行色彩、形状、大小调整，完成仿真处理。

3.2.2建模阶段(SU)

在SU中导入CAD底图，导入时要注意在选项下将三项勾选并将单位调整为mm。连好面后根据实地测量所得的新校区建筑尺寸与建筑模数进行建筑模型制作。首先，我们根据拍摄图片确定建筑层数，再用推拉工具对建筑起相应高度。紧接着进行门窗、楼梯等细节处理，相同的门与窗户间可以关联(组成组件)，方便一起修改。同时，我们将小品、地面铺装等起一定高度，最后赋予建筑、地面与实际相符的材质(见图1)。

3.3　动画及漫游引擎制作阶段

3.3.1完成漫游动画(lumion)

将在SU中建好的模型导入lumion场景中，在天气下调整阳光、云彩等，将水体草坪在自然材质库下编辑材质。在场景中增加植物、小品设施等素材对场景进行丰富完善。植物搭配时要注意乔、灌、草的合理搭配。选取适当的角度拍摄照片并导出。在“动画模式”下，进行录制，选择合适起点，点击拍摄照片，拉近镜头后再拍一张，保持整个过程处于匀速状态(转弯处要多拍几张照片，防止观看者出现晕眩不适的感觉)。将南校区场景浏览一遍后，完成合并。最后加上各种声音特效，加强观者的3D环绕的感受。

3.3.2虚拟校园漫游系统的引擎制作

借助实验室仪器设备，我们完成虚拟校园漫游系统的引擎制作，实现了虚拟校园的建设。

4　结语

虚拟现实技术与校园三维数字景观漫游系统的建立密不可分。虚拟现实技术作为校园三维数字景观漫游系统的技术基础，在虚拟校园的建立过程中起到了至关重要的作用，而校园三维数字景观漫游系统作为虚拟现实技术在教育领域应用的典型案例，同时也在推动虚拟现实技术的发展。作为一种新兴的计算机技术，虚拟现实技术有着不可估量的发展前景。但是，我们需要意识到它本身仍存在很多需要完善的地方，其与风景园林的结合还处于最初级的阶段。我们需要不断开辟新的技术手段，促进虚拟现实技术在园林的运用，让其在设计规划领域发挥更为重要的作用。