基于VRP的虛擬校園建設關鍵技術探究

摘要：本文對VRP三維互動仿真平臺來建立虛擬校園的一些關鍵技術進行了討論，為將來更好的發(fā)展建設虛擬校園打下基礎。

關鍵詞：VRP；虛擬校園；虛擬現(xiàn)實技術

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 14-0081-01

VRP是一個虛擬現(xiàn)實仿真平臺軟件。該軟件操作簡捷、可視化性能高、應用性強，可廣泛應用到室內(nèi)設計、城市規(guī)劃等行業(yè)。

通過VRP建立的虛擬校園，真實表現(xiàn)出了學校景觀，用戶可以輕松進入虛擬校園進行自由訪問，幫助解決校園的合理規(guī)劃設計、設計方案中存在的問題，有效的促進學校的建設和發(fā)展。

構建虛擬校園的過程中有一些關鍵的技術。只有理解這些關鍵技術才能更好的利用VRP來建設虛擬校園。

一、校園基礎數(shù)據(jù)的獲取技術

（一）三維地形數(shù)據(jù)。獲取三維地形數(shù)據(jù)有以下三種方法。

1.通過到學校進行測量來獲取數(shù)據(jù)。該方法獲取速度快、成本低，主要適用于小范圍大比例尺的區(qū)域，特別是工程項目。缺點是工作量比較大。

2.從原有地形圖中獲取。目前從等高線地形圖中矢量化生成三維地形數(shù)據(jù)是現(xiàn)在比較成熟的方法。該方法的優(yōu)點是：成本低；缺點是：速度較慢、精度低。

3.通過數(shù)字攝影測量系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)。該方法將攝影獲得的地物的特征點對作為三維地形的數(shù)據(jù)源，然后在數(shù)字測量系統(tǒng)上，經(jīng)過定向等處理過程，自動或半自動的獲取到三維地形數(shù)據(jù)。該方法優(yōu)點是：精度高，適用于大范圍采集數(shù)據(jù)。但缺點是：成本較高，后期數(shù)據(jù)的處理工作量很大。

（二）建筑物的三維空間數(shù)據(jù)。建筑物的空間數(shù)據(jù)包括建筑物平面數(shù)據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

平面數(shù)據(jù)是指建筑物投影到地平面形成的輪廓線，通過地圖數(shù)據(jù)可以獲取。

數(shù)字高程數(shù)據(jù)即三維地形數(shù)據(jù)，實際上是地表物體的高程信息。獲取方法有以下三種。

1.基于影像獲取。該方法優(yōu)點是：獲取的數(shù)據(jù)速度快、精度高；缺點是：工作量大。

2.利用算法提取建筑物數(shù)據(jù)。該方法效率高，但只適合數(shù)據(jù)量少的數(shù)據(jù)處理。

3.粗略估算求建筑物的高度。該方法優(yōu)點是：簡便、快速；缺點是：獲取的只是一個估算值，精度較低。

（三）表面紋理數(shù)據(jù)。表面紋理數(shù)據(jù)的獲取方法主要有下面兩種。

1.利用地面攝影直接提取。這種方法通過攝影得到的大量建筑物照片來獲取數(shù)據(jù)。優(yōu)點是：所建模型真實感很強；缺點是：獲取速度慢，后期處理要做大量工作，適于獲取小范圍的建筑紋理數(shù)據(jù)，虛擬校園中紋理數(shù)據(jù)的獲取便適合采用這種方法。

2.利用計算機來做簡單的模擬繪制。該方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為矢量格式的紋理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，建的模型運行速度快，但真實感比較差。

二、建模技術

（一）基于圖像的建模技術。基于圖像的建模技術是指通過從拍攝的一些不同角度的照片中提取出對象的模型，最終實現(xiàn)場景三維重建的過程。它的研究主要包括光照、繪制和建模。

它的基本思路是：通過對不同角度拍攝的照片圖像進行插值運算計算出物體的位置、大小、參照物和旋轉角度之間的關系，然后對物體添加紋理繪制出物體的三維模型。這種方法跳過了中間的模型恢復過程，便于修改、操作，繪制速度快，所需時間少，效果也很逼真，應用廣泛。但是這種技術需要大量數(shù)據(jù)，實時性很差。但是對較復雜場景和形狀不規(guī)則的復雜物體進行三維恢復操作就比較困難。

（二）基于幾何建模的技術。幾何模型描述了虛擬對象的形狀和外觀，基于幾何建模的技術通過對真實世界的實體采用幾何多邊形的方式分別構建場景對象，完成模型構建的技術。

優(yōu)點是：模型精度高，通過采用紋理映射技術可以使模型實現(xiàn)接近現(xiàn)實的效果，且便于應用基本的設備與虛擬對象進行交互操作。缺點是：場景越復雜，建模過程就會越復雜，產(chǎn)生的模型數(shù)據(jù)就越大，加載要消耗的時間就越多，從而不利于實時的顯示場景，進而削弱了場景的逼真度。

（三）混合建模技術。混合建模是把結合基于圖形和幾何的建模技術在建模時發(fā)揚兩者優(yōu)點，最后獲得較為理想的效果。它的建模思路是：首先，應用基于圖像法構造虛擬場景的環(huán)境，獲得逼真效果；其次，用幾何建模法對場景中要交互的對象進行實體建模。

它的優(yōu)點是：真實感、實時性和交互性都得以很好的實現(xiàn)，從而提高用戶的真實感。缺點是：由于還未能解決圖形建模場景和幾何建模場景無縫匹配的相關問題，它在現(xiàn)實中的應用并不廣泛。

三、紋理映射技術

正向紋理映射：是說把提前定義好的紋理空間中的紋理通過屏幕的映射反映出來。三維立體表面通過映射函數(shù)能夠很好地把紋理空間中定義好的二維紋理函數(shù)反映出來，隨后經(jīng)歷投影變換到圖像空間顯示出來。

反向紋理映射：在紋理映射中使用較多，它是指通過特別指定的屏幕掃描線對圖像的元素進行采訪，對紋理圖案進行隨機采樣抽取，采樣速度依靠動態(tài)存儲圖案來提升。

四、碰撞檢測技術

碰撞檢測技術是為了提高場景真實性，逼真的模擬現(xiàn)實世界，避免穿墻而過的情形，及時對場景進行檢測并作出相應的碰撞反應。碰撞檢測是虛擬校園建設中一個重要的環(huán)節(jié)，它要依據(jù)建筑物的外部模型形狀進行檢查測量，用來避免穿墻現(xiàn)象的發(fā)生；還要根據(jù)虛擬場景的天空和大地邊界進行高度的檢測，防止走出大氣層和鉆入地下現(xiàn)象的出現(xiàn)。

層次包圍盒法和空間分解法是兩個幾何模型間進行碰撞檢測的方法。

層次包圍盒法就是把繁雜的集合對象通過體積較大，集合特性簡單的包圍盒來描述，并通過建立一個分層的樹狀結構來近似幾何模型，然后獲得完整的物體幾何特征，這種算法只需要對包圍盒的重疊部分進行相交測試。

空間分解法就是把全部一個虛擬空間進行分解，把他們分解成一個一個大小相同的單元格，在占據(jù)了相同的單元格或者是相鄰單元格的對象中進行相交測試，空間分解法中典型的例子有：八叉樹、k-d樹和規(guī)則網(wǎng)格。

五、結語

本文介紹了校園基礎數(shù)據(jù)的獲取技術、建模技術、紋理映射技術和碰撞檢測技術這四種構建高真實感虛擬校園的關鍵技術，并通過分析各自的優(yōu)缺點，確定了基于VRP構建虛擬校園的技術，希望為未來構建基于VRP的虛擬校園打下基礎。

參考文獻：

[1]譚仁春.三維GIS中建筑物的若干問題探討[J].測繪工程，2003，1.

[2]李嬌.基于紋理映射算法的三維地形重構的研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學，2008.