虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬校園的研究與實踐
——以濰坊學院虛擬校園建設(shè)為例

李峻峰

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實 (Virtual Reality)通常簡稱VR，是一種逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺、聽覺、運動等行為的人機界面技術(shù)。Grigore Burdea 和Philippe Coiffet 在他們的著作“Virtual Reality Technology”一書中指出VR 具有三個最突出的特征，即人們熟悉的 3I 特征，即臨場感(Immersion)、實時交互性(Interaction)、構(gòu)想(Autonomy-Imagination)。

1.1 網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實技術(shù)

網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實(Network VR)字面意義上理解為網(wǎng)絡上運用的虛擬現(xiàn)實，即在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，為用戶在己經(jīng)普及的以文字、圖像和動畫為主的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中引入三維技術(shù)，從而為用戶提供網(wǎng)絡三維立體信息。

目前，互聯(lián)網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要分為兩大類，一類是基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)(IVR，Imaged Based Virtual Reality)；一類是基于3D Polygon 虛擬現(xiàn)實技術(shù)。這兩種技術(shù)有其各自的優(yōu)缺點。基于圖像的方法，場景比較逼真和生動，但由于缺乏深度信息而難于控制；基于建模繪制的方法，正好相反，雖然逼真度較差（隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越逼真），但較容易控制。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬校園建設(shè)中的應用

虛擬校園也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育培訓中最早的具體應用，它由淺至深有3 個應用層面，分別適應學校不同程度的需求：

（1） 簡單的虛擬校園環(huán)境，供游客瀏覽；

（2） 基于教學、教務、校園生活等功能相對完整的三維可視化虛擬校園；

（3） 以校園為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為遠程教育基礎(chǔ)平臺， 虛擬遠程教育。

虛擬現(xiàn)實可為高校擴大招生后設(shè)置的分校和遠程教育教學點提供可移動的電子教學場所，通過交互式遠程教學的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)工具作校園網(wǎng)站的鏈接，可對各個終端提供開放性的、遠距離的持續(xù)教育，還可為社會提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓的機會，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益與社會效益[1]。

虛擬校園為師生們提供了非常便利和快捷的交流環(huán)境，同時一個完善的虛擬校園系統(tǒng)集學習、工作和生活為一體，增添了師生之間交流的趣味性，有利于教師、學生之間的良好溝通[2]。

本研究以大學校園為對象，借助3D 建模軟件3DMAX 和Google SketchUp 和三維驅(qū)動軟件Webmax3.0，開發(fā)桌面型的虛擬校園系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分以下幾個步驟完成：

（1） 根據(jù)學校布局使用3DMAX 和Google SketchUp 進行三維建模；

（2） 對模型進行烘焙渲染；

（3） 通過Webmax3.0 軟件控制輸出實時渲染的圖形畫面，實現(xiàn)虛擬校園場景的建立。

2 虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 虛擬校園的總體規(guī)劃（見圖1）

以實際校園為依據(jù)，盡量接近現(xiàn)實，使用戶在觀看瀏覽虛擬校園時有真實的校園的感覺。為 學校樹立良好的形象，提高校園的知名度，宣傳校園文化。

圖1 虛擬校園系統(tǒng)總體框架圖

（1） 實現(xiàn)網(wǎng)絡化應用，是虛擬校園通過網(wǎng)絡即可瀏覽。同時對計算機性能要求適合大多數(shù)計算機配置；

（2） 對主要景觀如教學樓、噴泉、人工湖等制作精致模型，做到盡量接近現(xiàn)實；

（3） 訪問者可以通過自動導覽在校園內(nèi)按固定路線游覽。也可以通過鍵盤鼠標控制隨意游覽；

（4） 設(shè)置鳥瞰圖、旋轉(zhuǎn)圖、地圖導航最大化方便對校園的整體了解；

（5） 配備聲音解說、及文字介紹；

（6） 設(shè)置多頁面導航、院系鏈接及常用信息服務。

2.2 虛擬場景構(gòu)建

通過學校建設(shè)平面圖和實際測量得到各項數(shù)據(jù)信息。通過數(shù)碼相機拍照及專業(yè)素材庫收集整理各項貼圖材質(zhì)。在完成信息采集之后進行學校三維模型的建模與渲染。

2.2.1 信息采集

信息采集是虛擬校園建立的基礎(chǔ)，虛擬場景的構(gòu)建必須獲得必要的數(shù)據(jù)。構(gòu)建虛擬校園主要包括，三維空間數(shù)據(jù)信息和圖像信息兩部分。在構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)模型之前，對三維空間數(shù)據(jù)和真實影像數(shù)據(jù)進行收集和處理，為后期工作打好基礎(chǔ)。本課題主要采用幾種方法進行收集：

（1） 通過學校AutoCAD規(guī)劃總平面圖和建筑圖獲取各個建筑物的高度等數(shù)據(jù)。

（2） 現(xiàn)場拍攝真實校園的數(shù)碼圖片，對AutoCAD文件中沒有的新建建筑景點進行設(shè)計。

（3） 采用數(shù)字測量的方法從平面圖上獲取尺寸、坐標。

（4） 采用實地測量，獲取數(shù)據(jù)信息。對無精確數(shù)據(jù)的建筑高度，根據(jù)樓層數(shù)乘以一層高度獲得。

（5） 對建筑物等的紋理貼圖采用地面拍攝，然后由計算機修正透視的方法。對于地面特有紋理貼圖采用在拍攝后計算機制作無縫貼圖的方法。對于樹木、景點等也采用同樣的方法。

（6） 借助專業(yè)建筑貼圖素材庫完善圖像數(shù)據(jù)的收集。

2.2.2 模型構(gòu)建

虛擬校園的最終效果與三維模型的質(zhì)量息息相關(guān)。通過對現(xiàn)有建模軟件的調(diào)查分析，最終采用SketchUp 進行建模。SketchUp 軟件是一款應用于建筑領(lǐng)域的全新三維設(shè)計軟件。其建模簡單明了，同時模型質(zhì)量符合虛擬校園的要求。模型建立完成之后導入3DMAX中，設(shè)置材質(zhì)貼圖、陽光、環(huán)境等。設(shè)置完成后進行烘焙渲染。

（1） 地形構(gòu)建

地形是虛擬校園建設(shè)的基礎(chǔ)，也是最復雜的景物之一，三維真實感地形的繪制一直是國內(nèi)外圖形學領(lǐng)域關(guān)注的熱點，其可視化程度高、實用方便、可實時生成的優(yōu)點已成為圖形工作者的共識。濰坊學院地形的構(gòu)建是現(xiàn)實世界中真實地形的再現(xiàn)，需要非常高的真實度。因此，采用真實世界中的具體數(shù)據(jù)使用SketchUp 來構(gòu)造的（見圖2）。

圖2 地形構(gòu)建

（2） 建筑構(gòu)建

建筑是虛擬校園的最重要的主體之一，建筑效果的表現(xiàn)將直接影響整個虛擬校園的效果。在建筑物的建模中應以實際比例單位構(gòu)建，盡量符合現(xiàn)實。在有代表性的重點建筑建模時應注意適當保留細節(jié)，并盡量使用通過數(shù)碼相機拍攝并處理的紋理貼圖，使之更接近真實環(huán)境。

將數(shù)碼相機拍攝局部素材，Photoshop 編輯為無縫貼圖賦給對象之后進行Lightmap 烘焙渲染，將烘焙后的Lightmap 疊加在無縫平鋪的紋理材質(zhì)上，既保證了材質(zhì)的清晰度，又具有了真實環(huán)境的光影關(guān)系（見圖3）。

（3） 環(huán)境構(gòu)建

景觀在虛擬場景的構(gòu)建中起到遠景氛圍的作用，在建模過程中為了節(jié)省系統(tǒng)資源，提高引擎運行速度，對模型的多邊形面數(shù)進行了嚴格的精簡優(yōu)化，使其在盡可能的在精簡與視覺效果間達到平衡。在表現(xiàn)湖面小亭子（見圖4）時，圓柱以四面體構(gòu)成，圓頂也做了精簡。護欄更是以單面建立設(shè)置透明貼圖的方式表現(xiàn)。

校園中的花草樹木等植物數(shù)量眾多，如何減少植物的多邊形數(shù)量顯得尤為重要。在本項目的植物模型還應用了單面交叉+平鋪透明貼圖的形式。如圖5 所示以10 個四邊形面實現(xiàn)25 棵樹的效果。在校園樹林中應用能夠大大節(jié)省系統(tǒng)資源。

圖3 建筑模型

圖4 亭子模型

圖5 樹木模型

3 交互式設(shè)計與實現(xiàn)

Jakob Nielson 曾這樣描述用戶與系統(tǒng)間的關(guān)系：“用戶期望越多的被正確驗證，用戶就越覺得系統(tǒng)在自己掌控之中，從而也就更喜愛它（系統(tǒng)）[3]。”從用戶的使用角度考慮，導航應該能夠快速的被用戶熟悉并正確操作。因此，在虛擬校園導航系統(tǒng)設(shè)計時采用大家所熟知的WWW信息檢索方式，基于HTML技術(shù)創(chuàng)建導航界面。盡量減少操作的復雜性，在保證功能實現(xiàn)的前提下減少導航層級，使用戶不會被過多的目錄層級造成“迷航”。

3.1 導航設(shè)計與實現(xiàn)

通過對濰坊學院虛擬校園導航系統(tǒng)的分析，結(jié)合導航系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，確定了虛擬校園導航系統(tǒng)的幾大模塊，各模塊功能如圖6 所示。用戶通過Web 頁面鏈接進入虛擬校園系統(tǒng)，可以自主選擇由電子沙盤進入或者直接進入。主導航頁面設(shè)置了用戶使用率最高和虛擬導航必須的操作界面，將更多的其他導航形式（如院系鏈接、服務信息）置于選項卡導航二級界面。主導航條設(shè)立四個選項卡，分別為導航一、導航二、院系鏈接、信息服務。在Photoshop 中編輯二維界面圖像，通過切片方式導入到html 中（如圖7 所示）。

3.2 交互功能與實現(xiàn)

Webmax 支持JavaScript 編程。在html 中通過JavaScript 的編寫完成互動的操作。基于二維導航界面，實現(xiàn)點擊圖片調(diào)用JavaScript： 相機切換的命令實現(xiàn)：

Function 函數(shù)名()

{VGS2.SetCurrentCameraByName("相機名");

VGS2.SetWalkCtrl_ManualParam(0.5, 0.8, 0.7, 0.5, 180);}

自動導航的實現(xiàn)：

function調(diào)用的函數(shù)名()

VGS2.PlayCameraKfr("相機名",-1);

VGS2.GotoFrame(0);d

VGS2.PlayKeyFrame();

//VGS2.StopCameraKfr("相機名");

VGS2.CurCamGotoFrame(0);

VGS2.SetCurrentCameraByName("相機名");

}

太陽光暈的實現(xiàn)：

VGS2.CreateLensFlare(70000, 35000, -20000, 1);

幫助及音樂的實現(xiàn)，查詢的實現(xiàn)同樣利用html 中的JavaScript 的編寫（見圖8）。

圖6 虛擬校園導航系統(tǒng)功能模塊圖

圖7 主導航條界面

4 結(jié) 束 語

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等有效的結(jié)合實現(xiàn)了虛擬校園系統(tǒng)的建設(shè)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了導航、漫游、航拍等一系列功能，為數(shù)字化校園建設(shè)搭建了很好的平臺，同時也為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在這一領(lǐng)域的應用與實踐做了有益的嘗試。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和第三代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步成熟與應用，基于這兩大技術(shù)平臺的各種研究與應用必將成為新的趨勢。

[1] 百度百科. 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[EB/OL]. http://baike.baidu. com/view/2268886.htm, 2009-03-11.

[2] 徐 誠. 虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究[D]. 武漢: 華中師范大學, 2006.

[3] [美]Jakob Nielsen 著. 可用性工程[M]. 劉正捷, 等譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004. 115.