西科大臨潼校區三維虛擬校園系統設計實現＊

馬 天，韋 冠

（西安科技大學計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054）

0 引言

虛擬現實(Virtual reality，簡稱VR)技術發展迅速，并已廣泛應用于數字礦山［1－3］、軍事工業［4］、醫學教育、城市規劃等各行業中。應用VR技術對建筑物進行實時交互漫游，能夠給人們帶來沉浸式的視覺體驗。越來越多的國內外高校通過三維交互漫游技術，設計了虛擬校園系統，達到了很好的宣傳效果，并可幫助新生盡快熟悉校園。因此，設計開發西安科技大學臨潼校區三維虛擬校園系統，具有一定的理論意義和應用價值。虛擬校園系統一般是應用在桌面電腦平臺上，前期多是基于 OpenGL，DirectX 圖形接口［5］實現，開發周期較長、系統效率不穩定；為了簡化開發流程、提高提高渲染效果，目前一般是采用開源三維渲染引擎 OSG［6］，Ogre等，或者商業軟件 VR-Platform［7］，Vega 等進行開發；近來也有引入 GIS 系統［8］和在移動平臺上［9］的開發應用。

綜合考慮上述虛擬校園系統的優缺點，基于節約開發成本和完全知識產權需求，文中首先基于3D Max三維建模軟件對整個臨潼校區進行三維建模，提出了一種大規模建筑物場景的劃分建模方法。然后，基于VS2005平臺和OSG三維渲染引擎，對臨潼校區三維虛擬校園系統進行設計實現，提出了一種自主漫游碰撞檢測方法，并實現了自動路徑場景定位功能。

1 臨潼校區三維模型建立

在正式建模之前，對臨潼校區進行了大量的照片采集，觀察分析校區整體結構及建筑物特點。仔細分析策劃各部分建模的先后次序，把握各階段建模工作的難易程度，理清場景模型的分類處理流程。

1.1 大規模建筑物場景的劃分建模方法

以臨潼校區平面圖和衛星圖片為基礎，通過分析臨潼校區整體結構，決定首先進行校園縱橫穿插的道路地形建模，然后依此為基礎進行建筑物區域劃分，就可確定整個校園的建筑之間的相對位置和結構錐形，后續建立的建筑物模型只需放置到對應位置并做適當的調整即可，這也可大大縮短建模工作的時間。具體步驟如下

1)基于衛星圖片和采集照片資料，對主干道路和地形地貌建模；

2)以主干道路進行建筑物區域劃分，如圖1所示，主要分為:廣場教學區、9－18教學區、教師公寓區、學生宿舍區、體育場區、食堂區等；

3)對各區域內建筑物進行分類，主要分為:教學樓、教師公寓樓、學生宿舍樓、圖書館、體育館、綜合樓、行政樓等主要建筑，用3D Max對各主要建筑分別建模，最后倒出成單獨的三維模型文件；

4)根據區域劃分，用3D Max分場景進行建模，直接導入步驟(3)中所需的主要建筑，調整相對位置以符合真實布局，同樣倒出成單獨的三維模型文件；

5)在步驟(1)的場景里分別倒入步驟(4)里各個區域的場景模型，調整相對位置以符合真實布局，完成整個校區場景的三維建模。最后，所有模型統一使用3D Max的osgExp插件倒出成IVE格式，方便后續三維引擎OSG進行模型調度。

1.2 三維模型建立及優化方法

圖1 基于衛星圖的區域劃分Fig.1 Zoning based on satellite image

道路建模，采用3D Max中樣條線的描線段法進行道路畫線，然后轉換為“可編輯多邊形”，設置漫反射紋理，并通過“UVW貼圖”修改器調整；地形建模，填補路面之間的空隙，編輯調整地形高程，設置地質紋理。樹木和花壇則使用布告板(Billboard)技術進行建模，建立兩個十字交叉的矩形布告板，設置透明樹木或花紋理。草坪建模，將草坪地面“分離”出來，設置草坪紋理；三里河也是一樣，對河流平面設置一張動態水流紋理即可。

主要建筑建模，首先是紋理圖片采集處理，受到照片采集條件限制，照片會傾斜、遮擋或不完整，需使用圖像處理軟件Photoshop進行拼接、修正，然后保存成2m×2n大小的標準紋理圖片；其次是幾何形狀建立，需要進行分塊建模，對于非標準形狀，可通過“可編輯多邊形”的點、線調整和面“擠出”操作實現，考慮到貼圖作用，墻面等幾何細節可適當簡化，注意:分塊之間連接處的頂點要“焊接”到一起以避免顯示閃爍；然后進行層次細節(Layer of Detail，LOD)模型處理，在精細模型的基礎上，通過簡化處理生成不同級別的低精度模型，可在遠距離觀察時切換使用，而不影響顯示效果，圖2所示為體育館的LOD模型；最后利用3D Max的渲染到紋理(Render to texture，RTT)功能，將離線的高級光照等效果烘焙成高精度紋理貼圖，可在不影響實時性的基礎上提高模型顯示效果。

圖2 體育館LOD模型Fig.2 LOD models of the gymnasium

2 三維虛擬校園系統設計實現

整個三維場景采用OSG進行管理和繪制，在VS2005平臺通過控制臺應用程序實現，利用OSG的事件回調機制響應用戶交互，狀態和文字信息等的更新通過OSG的更新回調機制實現。

2.1 三維場景管理

OSG是基于場景圖［10］方式來管理和繪制三維場景，采用一種自頂向下的分層樹形結構來組織數據，以提升繪制的效率。場景圖樹結構的頂部是一個根節點。從根節點向下延伸，各個組節點中均包含幾何信息和用于控制其外觀的繪制狀態信息。本系統場景組織參照1.1節的劃分建模方法，場景樹結構如圖3所示，對于幾何結構相同的建筑只載入一個模型，通過多個osg::MaxtrixTransform節點設置不同的旋轉和位置，來實例化多個同構建筑，例如:10～18號教學樓完全是一樣的結構，只需載入一次“教學樓10”模型；對于結構復雜的建筑模型，需要使用osg:LOD節點來加載不同距離下的LOD模型。

圖3 場景樹結構圖Fig.3 Structure graph of the scene tree

2.2 自主漫游碰撞檢測方法

自主漫游交互操作器通過繼承自osgGA:MatrixManipulator類實現，重載其handle()函數來響應鼠標和鍵盤的交互操作，具體是鍵盤4個按鍵控制前、后、左、右移動，鼠標左鍵控制左右和俯仰旋轉，所有移動、旋轉量在響應某個操作時按照固定步長改變；重載getMatrix()和getInverseMatrix()函數，通過矩陣運算將改變后的移動、旋轉量轉換成相應的變換矩陣。

圖4 自主漫游碰撞檢測流程圖Fig.4 Flow chart of independent roaming collision detection

在自主漫游過程中會碰到階梯、斜坡或墻面障礙物等情況，需要設計合理的碰撞檢測方法以修正漫游移動，這里通過osgUtil::IntersectVisiotr類實現，主要使用osg::LineSegment類做線段檢測，具體檢測流程如圖4所示，首先建立正前方的檢測線段lineXY，測試正前方是否有碰撞，如果有需要判斷前方障礙物是斜坡、樓梯還是墻面，因此繼續建立前上方的檢測線段lineXZ，測試前上方是否有碰撞，如果有說明是比較高的墻面，保持不動，如果沒有則說明是斜坡、樓梯，需要沿著前上方向移動；如果正前方沒有碰撞，需要判斷下方是否有斜坡、樓梯，因此繼續建立正下方的檢測線段lineZ，測試正下方是否有碰撞，如果有則沿地面向正前方向移動，如果沒有則說明是斜坡、樓梯，需要向前下方向移動。

2.3 自動路徑場景定位

臨潼校區主要功能建筑數量不是很多，這里采用人工錄制漫游路徑的方式來實現場景定位。

1)通過osgViewer進行道路模型的瀏覽，按下“Z”鍵可記錄漫游路徑，按下“Z”鍵停止錄制，并自動保存為path格式的路徑文件。這里使用飛行模式分別錄制從大門到圖書館、食堂等功能建筑的漫游路徑。

2)創建一個osgGA:AnimationPathManipulator動畫路徑操作器；

3)使用osgWidget創建簡單界面按鈕，根據按鈕選擇的功能建筑，給動畫路徑操作器關聯所需路徑文件，并將相機漫游器設置為該動畫路徑操作器。

3 應用結果

系統開發環境為VS2005 SP1和OSG 2.8.2，運行該系統的主機操作系統為Windows XP SP3，硬件配置為:CPU為Inter Core 2 Duo T5870/2.0 GHz，內存為DDR II 800/2 G，顯卡為NVIDIA Ge-Force G105 M/512 M，硬盤 SATA 250 G/7200/16 M.系統運行的臨潼校區全景效果如圖5所示，三維顯示效果達到預期。經測試，平均幀速為58幀/s，完全滿足實時交互的需求(≥30幀/s)。

圖5 系統運行截圖Fig.5 Screenshot of the system

4 結論

文中提出的一種大規模建筑物場景的劃分建模方法，可最大限度的提高模型的復用率和建模效率。經應用測試，基于3DMax和OSG設計實現的臨潼校區三維虛擬校園系統，實現了自主漫游的碰撞檢測、自動路徑場景定位交互功能。該系統滿足了整個校區的實時三維交互漫游的要求，達到了預期的三維顯示效果。后續，繼續進行模型顯示優化和交互功能完善，并考慮進行網絡編程改造，然后放到校園網站上以達到最大的應用宣傳效果。

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