基于几何建模技术创建虚拟校园漫游系统

刘菲菲

摘  要： 虚拟漫游系统开发是虚拟现实技术的主要应用。将某校园作为虚拟仿真环境，利用3DS MAX建模工具实现校园模型的建模，基于Google Earth卫星截图实现场景精准布局设计。融入Virtools虚拟现实开发平台实现虚拟校园漫游系统开发流程的设计，并且在微机平台中设计复杂场景校园实时漫游系统。此虚拟校园漫游系统不仅能够为用户提供良好的Web界面，还能够实现基于导航图控制的人機交互机制，方便利用多种漫游模式实现校园内场景的快速漫游。

关键词： 几何建模; 虚拟技术; 校园漫游系统; 三维模型; 3DS MAX; 人机交互

中图分类号： TN99?34                            文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）13?0127?04

Virtual campus roaming system based on geometric modeling technology

LIU Feifei

（College of Science & Arts， Jianghan University， Wuhan 430345， China）

Abstract： Virtual roaming system development is the main application of virtual reality technology. The modeling of campus model is realized with the 3DS MAX modeling tool by taking a campus as a virtual simulation environment. The optimization measures of the geometric modeling scene are adopted to， realize the precise layout design of the scene on the basis of the Google Earth satellite screenshot. The development process design of the virtual campus roaming system is realized with Virtools virtual reality development platform. A real?time complex scene campus roaming system is designed on the computer platform. This virtual campus roaming system can not only provide users with a good web interface， but also realize the human?computer interaction mechanism based on navigation chart control. It is convenient to use many kinds of roaming modes to achieve rapid roaming of campus scenes.

Keywords： geometric modeling; virtual technology; campus roaming system; 3D model; 3DS MAX; human?computer interaction

0  引  言

虚拟现实生成逼真三维听觉、视觉、嗅觉及触觉等虚拟感觉世界，利用Internet直接在用户中作用，使其产生身临其境的感觉，尤其是和其中的物体实时交互之后，使人具有和计算机融为一体的感觉。创建虚拟校园属于现代教学的主要需求，虚拟校园对于校园常见的展现全面、生动且形象[1]。另外，校园场景还要求具有自动浏览功能，并且虚拟校园能够对学校网站进行充实，还具备实时交互性。用户能够快速到达想要浏览的场景，并且通过不同视角实现查看。对重要校园建筑实体和多媒体技术相互整合，从而介绍实体功能，提供校园信息。所以，虚拟校园不仅属于学校网络门户，还能够帮助教师及学生熟悉校园[2]。

1  虚拟校园漫游系统的功能分析

此系统主要是以第一人称视角实现校园三维全景系统漫游，系统的功能目标为：

1） 直观了解校园。实现真实校园环境的模拟，包括实验楼、教学楼、行政楼、信息楼、图书馆、校史馆、培训楼、操场等的模拟，能够将校园中的各个场景都充分为用户展现，以此能够使用户快速认知环境。

2） 网络宣传。实现三维虚拟校园的创建，能够有效促进对外宣传，提高学校形象，从而使网站点击率得到进一步的提高。

3） 应用接口功能的丰富。虚拟漫游校园系统的开放性良好，能够为其他信息提供载体，系统能够直接在学校主页网站中嵌入。

在实现虚拟校园漫游系统开发的过程中，要实地拍摄现有建筑和场景，并且对其进行实地观察，利用几何建模方法创建场景[3]。图1为虚拟校园漫游设计的流程。

图1  虚拟校园漫游系统的设计流程

2  虚拟校园漫游系统的创建

2.1  收集数据

对校园中的外景及内景图片进行实地拍摄，使此图片能够成为校园虚拟漫游场景贴图。通过校方提供的校园平面规划图及建筑物的施工图纸，对各个建筑物的各种物理数据进行测量，使其成为场景布局及三维模型创建的根据。为了能够使场景更加真实，还要拍摄部分场景对象的数码照片，准备材质贴图中的部分图片，比如草地图片、砖纹图片等。

2.2  简单场景建模

使用VRML中自带的节点模型实现简单场景建模，在建模的过程中使用纹理映射等多种辅助措施使模型复杂度得到降低。现场收集建筑物外部纹理照片，后期使用图像处理软件将核实部分进行截取，适当地调整大小、色调和亮度之后实现纹理贴图。在实现地形模型创建的过程中，充分考虑校园中的道路规整且平坦，根据场景中的平面图坐标位置创建植物模型及绿化带，基于此创建完整美观的三维虚拟场景。在定位整体视觉之后，对复杂教学楼建筑群设计的过程中，设计人员能够使用3DS MAX专业建模软件对单建筑进行创建并且贴图，最终依次实现wr1文件的输出[4]。

2.3  安装VRML浏览器

在此过程中最常见的插件包括Viscape，BS，只需要在IE或者Goole浏览器中实现VRML插件的安装，相当于对整个浏览器进行了升级。使建模软件中所导出的[.wrl]文件使用浏览器打开，对效果进行观察，并且以实际情况进行调整。

为了能够实现模块的管理及组织，可以利用Inline节点实现。在wrl文件中使用Inline节点中包括其他建筑物模型文件和地形模型等文件，从而能够避免使全部数据都在一个wrl文件中写入，有效实现虚拟现实系统总体的三维模型整合，最后实现VRML文件中子文件的综合[5]。

2.4  渲染及烘焙

在创建模型之后就要对其实现渲染，从而使模型能够更加漂亮，具有较强的真实感。渲染工作主要指的是物体材质及灯光，由于此三维场景模拟太阳光，所以使用平行光源实现。基于此实现渲染，之后和灯光结合渲染，对阴影、漫射及反射等进行计算，所以渲染度比较慢。烘焙的主要目的就是要使光照的效果在物体纹理中添加，并且使其作为图片文件进行保存，利用烘焙之后的物体模型到启动平台中导入，从而能够产生光照效果。另外，不需要计算机重新计算，可降低计算机运算量。

2.5  对VRML场景交互方法进行确定

在实际使用过程中，假如利用VRML无法满足理想效果，就要根据其他辅助文件实现。目前根据第三方进行。最后编写代码，实现三维场景的优化及测试[6]。

3  创建三维虚拟场景数据库

在创建高逼真程度虚拟漫游系统的过程中，逼真化的三维场景模型属于重要内容。在实现建模的过程中，对场景细节表现和图形的负荷进行平衡，为了能够使创建的漫游场景有效满足实时绘制的需求，还要利用系统实现场景数据的实例化、层次化等技术对场景进行优化。空间数据库存储结构如图2所示。

图2  空间数据库存储结构

在虚拟场景中，实体建筑是较为重要的部分，也是主要的场景内容。创建建筑模型和优化过程的步骤为：

1） 获得相应的数据。在实现建筑几何形状及外观模型创建的过程中，如果没有建筑图纸，可以通过实体拍摄照片，通过3DS MAX进行建模。

2） 确定模型的层次结构。由于系统在建模过程中没有建模工具，无法实现场景模型管理，所以在实现模型创建过程中就要实现Virtools的导入，从而进行层次设计。比如，以主题分组，然后实现各主体结构的分解，创建图元结构。

3） 有效去除冗余的多边形。描述实体模型表面数据的冗余情况，主要是模型中不可见部分，比如楼体底面、连接面、内墙面，由于在场景浏览过程中为不可见的部分，将其去除并不会对实体视觉效果造成影响，将此冗余多边形消除能够使场景复杂度得到降低。在此过程中只考虑建模过程中的模型可见性裁剪，实现校园实时漫游过程中以Virtools中的SDK剔除非基本图元层的不可见体，从而将GPU的性能充分发挥出来，绘制复杂校园室内场景[7]。

4） 通过纹理实现映射。由于部分建筑物中具有大量的门窗、栏杆等问题，一般都是通过纹理映射提取相应位置多边形的表面纹理图片，将其代替详细的模型。此种处理方法能够使模型多边形数量和复杂程度得到降低，从而有效提高绘制图像的速度。

5） 通过LOD技术能够实现几何场景及模型的简化，校园漫游系统在定义LOD中都是利用3DS MAX实现的。

6） 漫游场景中的外部景观属于较为重要的部分，适当、美观的外部景观能够使场景逼真度及真实感得到有效的提高，在此系统虚拟校园中，外部景观主要指的是草丛、树木、路灯、花丛、花坛及凉亭等。为了使校园场景氛围更加逼真，在实现场景创建之后，后期还设置了人群及汽车等实体[8]。

4  虚拟校园漫游系统的实现

4.1  数据库的使用

4.1.1  位置修改及功能查询的实现

图3为树形结构，将树形结构打开，利用鼠标右键对节点单击，從而弹出菜单，其中就有修改位置的选项，其主要目的就是对试点中的位置进行记录，将其在数据库中存储，此功能能够便于用户修改数据库场景的位置，主要代码为：

图3  树形结构

查询功能的作用就是用户不知道虚拟场景中的位置，通过双击树形结构中的节点，在系统左面三维虚拟场景渲染的地方，画面就会从目前节点视点地方对用户双击节点视点地方切换，也就是从目前位置飞到目的地，实现查询，使用户对于三维虚拟场景认知得到提高，还能够提高虚拟校园漫游系统的沉浸感及交互性。以下为查询功能的实现代码：

4.1.2  修改节点属性

在用户点击树形结构中的某个节点对象时，基于树形结构下方节点对象属性显示栏，就会将此节点属性信息进行展现，详见表1。在修改属性信息内容时，用户能够利用鼠标右键对文本框内容单击，从而对属性信息进行修改[9]。

表1  显示属性信息

4.2  系统的展现

本文将GPS和全站仪结合，实现某大学实地测量，得出校园二维平面地图，从而创建虚拟三维场景。综合使用Vega Prime软件，以MFC框架为基础创建虚拟校园漫游系统。此系统能够有效实现查询功能、驾驶漫游、虚拟场景物体节点属性展现和二维漫游导航等功能，图4为系统的启动界面结构。

图4  系统的启动界面结构

图5  系统驱动构成

5  结  语

校园虚拟漫游系统以浏览器为基础，不需要任何的浏览器插件，具有良好的用户操作界面。用户的操作较为简单方便，能够使用鼠标任意地拖动、缩小和放大。利用校园虚拟漫游系统，使用户能够直观地掌握校园各个区域，更加容易实现空间次序的视觉理解及感知，对于校园环境具有身临其境的感觉。此系统能够为校园宣传提供全新的表现方式，对于学校后期创建数字化校园具有重要的作用。

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