基于VRP的虛擬校園建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)探究

摘要：本文對(duì)VRP三維互動(dòng)仿真平臺(tái)來建立虛擬校園的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，為將來更好的發(fā)展建設(shè)虛擬校園打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：VRP；虛擬校園；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2012） 14-0081-01

VRP是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)軟件。該軟件操作簡捷、可視化性能高、應(yīng)用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用到室內(nèi)設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃等行業(yè)。

通過VRP建立的虛擬校園，真實(shí)表現(xiàn)出了學(xué)校景觀，用戶可以輕松進(jìn)入虛擬校園進(jìn)行自由訪問，幫助解決校園的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方案中存在的問題，有效的促進(jìn)學(xué)校的建設(shè)和發(fā)展。

構(gòu)建虛擬校園的過程中有一些關(guān)鍵的技術(shù)。只有理解這些關(guān)鍵技術(shù)才能更好的利用VRP來建設(shè)虛擬校園。

一、校園基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)

（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(xué)校進(jìn)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(xiàng)目。缺點(diǎn)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(diǎn)是：成本低；缺點(diǎn)是：速度較慢、精度低。

3.通過數(shù)字?jǐn)z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(diǎn)對(duì)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(dòng)或半自動(dòng)的獲取到三維地形數(shù)據(jù)。該方法優(yōu)點(diǎn)是：精度高，適用于大范圍采集數(shù)據(jù)。但缺點(diǎn)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(shí)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(diǎn)是：獲取的數(shù)據(jù)速度快、精度高；缺點(diǎn)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(diǎn)是：簡便、快速；缺點(diǎn)是：獲取的只是一個(gè)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(diǎn)是：所建模型真實(shí)感很強(qiáng)；缺點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(yùn)行速度快，但真實(shí)感比較差。

二、建模技術(shù)

（一）基于圖像的建模技術(shù)。基于圖像的建模技術(shù)是指通過從拍攝的一些不同角度的照片中提取出對(duì)象的模型，最終實(shí)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(duì)不同角度拍攝的照片圖像進(jìn)行插值運(yùn)算計(jì)算出物體的位置、大小、參照物和旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，然后對(duì)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(fù)過程，便于修改、操作，繪制速度快，所需時(shí)間少，效果也很逼真，應(yīng)用廣泛。但是這種技術(shù)需要大量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性很差。但是對(duì)較復(fù)雜場景和形狀不規(guī)則的復(fù)雜物體進(jìn)行三維恢復(fù)操作就比較困難。

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

優(yōu)點(diǎn)是：模型精度高，通過采用紋理映射技術(shù)可以使模型實(shí)現(xiàn)接近現(xiàn)實(shí)的效果，且便于應(yīng)用基本的設(shè)備與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互操作。缺點(diǎn)是：場景越復(fù)雜，建模過程就會(huì)越復(fù)雜，產(chǎn)生的模型數(shù)據(jù)就越大，加載要消耗的時(shí)間就越多，從而不利于實(shí)時(shí)的顯示場景，進(jìn)而削弱了場景的逼真度。

（三）混合建模技術(shù)。混合建模是把結(jié)合基于圖形和幾何的建模技術(shù)在建模時(shí)發(fā)揚(yáng)兩者優(yōu)點(diǎn)，最后獲得較為理想的效果。它的建模思路是：首先，應(yīng)用基于圖像法構(gòu)造虛擬場景的環(huán)境，獲得逼真效果；其次，用幾何建模法對(duì)場景中要交互的對(duì)象進(jìn)行實(shí)體建模。

它的優(yōu)點(diǎn)是：真實(shí)感、實(shí)時(shí)性和交互性都得以很好的實(shí)現(xiàn)，從而提高用戶的真實(shí)感。缺點(diǎn)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(guān)問題，它在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用并不廣泛。

三、紋理映射技術(shù)

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(duì)圖像的元素進(jìn)行采訪，對(duì)紋理圖案進(jìn)行隨機(jī)采樣抽取，采樣速度依靠動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)圖案來提升。

四、碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測技術(shù)是為了提高場景真實(shí)性，逼真的模擬現(xiàn)實(shí)世界，避免穿墻而過的情形，及時(shí)對(duì)場景進(jìn)行檢測并作出相應(yīng)的碰撞反應(yīng)。碰撞檢測是虛擬校園建設(shè)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它要依據(jù)建筑物的外部模型形狀進(jìn)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(jìn)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(gè)幾何模型間進(jìn)行碰撞檢測的方法。

層次包圍盒法就是把繁雜的集合對(duì)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(gè)分層的樹狀結(jié)構(gòu)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(duì)包圍盒的重疊部分進(jìn)行相交測試。

空間分解法就是把全部一個(gè)虛擬空間進(jìn)行分解，把他們分解成一個(gè)一個(gè)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(duì)象中進(jìn)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(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

[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(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.