“數(shù)字校園”中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與研究

摘 要：本文以上海工程技術(shù)大學(xué)數(shù)字校園項目為案例，通過對虛擬環(huán)境下場景制作技法的研究，詳細(xì)說明了虛擬校園場景的構(gòu)造過程，實現(xiàn)了現(xiàn)實場景的虛擬漫游。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0033-01

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜場景的虛擬漫游已成為可能。數(shù)字校園是基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)等高新技術(shù)，將校園地理空間信息和其屬性信息相結(jié)合，構(gòu)建一個逼真、具有視覺、聽覺、觸覺的虛擬校園景觀，用戶可以利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問這個全新的校園景觀，通過終端計算機(jī)在虛擬校園中漫游，而且可以進(jìn)行查詢、分析、評價等操作，使用戶足不出戶也可以有身臨其境的感覺。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念和特性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是一種由計算機(jī)全部或部分生成多種感覺環(huán)境，給參與者提供各種感官信息，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺，以便更好地體驗、接受和認(rèn)識客觀事物的技術(shù)，它可分為沉浸式和非沉浸式兩種。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的場景建模的研究

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)“虛擬場景” 中，三維場景建模是一項很重要的工作，場景建模實際上就是對實體對象按“虛擬場景”的呈現(xiàn)、可視化、漫游等要求，對其對等實體大量相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、組織和存儲供其使用的過程。主要通過場景總平面圖、 地形圖、樓建筑圖紙及功能區(qū)域的航拍圖、衛(wèi)星遙感圖來獲得數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)。場景總平面圖通常以AutoCAD格式存儲，在處理中盡量簡化多余的層面只保留對建模有用的層、面、體處理過的數(shù)據(jù)；紋理對于增加虛擬場景的真實感有至關(guān)重要的作用， 紋理數(shù)據(jù)是指來自實地拍攝的數(shù)碼照片和用于地表物體的紋理及簡單映射幾何模型的紋理數(shù)據(jù)庫等。

基于實景的虛擬現(xiàn)實場景的生成過程具體包括實景獲取，用第三方軟件建模，場景材質(zhì)設(shè)置和真實感貼圖，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)初始化，模型對象化導(dǎo)入與實時呈現(xiàn)等5個方面。

首先要對室外實景進(jìn)行建模，對于室外模型，要反映現(xiàn)實中的上海工程技術(shù)大學(xué)，所以對其進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。首先精確地采集了上海工程技術(shù)大學(xué)的建筑數(shù)據(jù)，從學(xué)校相關(guān)部門找其相關(guān)的平面結(jié)構(gòu)圖。然后對實景進(jìn)行數(shù)碼拍照，拍照要從不同的角度，力求反映物體的各個細(xì)節(jié)。

為了提高整個系統(tǒng)的運行效率，可以采用多層次細(xì)節(jié)模型（Level Of Detail LOD） 機(jī)制。通過采用這種機(jī)制，為每個物體手工建立繁、簡不同的模型，在遠(yuǎn)距離觀察時就用相對簡單的模型，而當(dāng)近距離觀察時則使用相對復(fù)雜的模型，這樣做可以有效地達(dá)到系統(tǒng)的逼真性和速度之間的均衡。

3 虛擬現(xiàn)實建模中的圖像貼圖

程序貼圖雖然具有能導(dǎo)致計算機(jī)生成人工化的痕跡的缺點，但同時這類貼圖卻又具有占用內(nèi)存較少的優(yōu)點，因而它在Maya的內(nèi)部被大量使用，并通過一種數(shù)學(xué)機(jī)制進(jìn)行運算。程序貼圖可分二維程序紋理和三維程序紋理兩大類，但使用二維程序紋理，就必須要創(chuàng)建UV坐標(biāo)，或者也可進(jìn)行投影貼圖，而使用三維程序紋理的話，則因為貼圖過程是根據(jù)貼圖在三維空間的位置自動進(jìn)行計算的，所以不需要創(chuàng)建UV坐標(biāo)。

圖像貼圖分為顏色貼圖和凹凸貼圖，具有外觀逼真，但占用內(nèi)存較多的特點，特別是當(dāng)涉及圖片數(shù)量過多時，整個過程則變得極為繁瑣、麻煩，而且特別容易出錯，在筆者做的校園中，就涉及到數(shù)量相當(dāng)多的路燈、數(shù)木、草坪等等。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展趨勢

虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟，而關(guān)鍵是如何“實時生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)人能夠自由地與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互，猶如身臨其境，結(jié)合各種感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行全新感官的體驗設(shè)計應(yīng)是虛擬現(xiàn)實未來研究的重要方向。

5 結(jié)語

本文通過對虛擬環(huán)境下場景制作技法的研究，詳細(xì)說明了虛擬場景的構(gòu)造過程，實現(xiàn)了現(xiàn)實場景的虛擬漫游。

通過上海工程技術(shù)大學(xué)實景制作來闡述虛擬現(xiàn)實場景的生成過程及其相關(guān)注意事項，例如通過合理建模減小復(fù)雜度，通過真實感貼圖來增強(qiáng)逼真度，通過模型導(dǎo)入的對象化來實現(xiàn)對虛擬物體的控制，最終在逼真性、實時性和可控性方面都達(dá)到了較好的效果。

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