基于虛擬現實技術的校園漫游系統設計與實現

唐翠芳

摘要：隨著計算機及網絡技術的發展，虛擬現實技術已成功應用到高校、工程設計、醫學等各行各業。對基于虛擬現實技術的數字校園漫游系統的設計與實現做出了系統的分析，重點論述了數字校園、視景的漫游以及系統的設計與實現，具體探討技術視線碰撞檢測的方法。這不僅對學校的資源管理具有重要的指導意義，同時也對學校的宣傳以及日后的發展帶來深遠的影響。

關鍵詞：虛擬現實；校園漫游；設計；實現；分析

中圖分類號： TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（B）-00

虛擬現實技術也被稱為靈境技術。這項技術主要是綜合了計算機圖形學、計算機仿真技術以及人工智能等多種高科技的最新研究成果，使人與計算機能夠很好的融為一體，并且能夠給人予一種身臨其境的感覺。本文從不同方面對虛擬校園相關技術進行了系統的分析。

1.數字校園相關技術分析

數字校園即是指數字信息化的校園，主要以計算機網絡和通訊為核心技術，以信息的獲取與知識的共享為重要手段，是網絡化、數字化、智能化有機結合的新型的、開放式的教育環境。數字化校園主要包括校園的設施數字化、校園的漫游智能化以及可視化等方面的內容，同時也能夠對過去進行反演，從而對現實進行決策以及對以后做出有效的預測。

1.1三維場景的建模原理分析

三維場景建模是虛擬校園漫游系統的主要構成部分，而一個虛擬的環境是否逼真則主要來自其視景生產系統的質量，它將直接影響仿真的效果和相似度，同時也是直接影響虛擬現實系統沉浸感的一個重要因素。

1.2建模工具軟件的分析

Multigen Creator是一個系列軟件，主要為開發的一個實時建模以及圖形數庫的生產工具，具有強大的多邊形建模和矢量建模等功能，提供了多種專業選項及插件，能夠較為方便的進行實體模型的建立以及管理工作。

Vega主要是為應用在實時視景仿真以及聲音仿真等領域的世界上較為先進的軟件環境平臺，對于復雜的應用，能夠提供便捷的創建、編輯和驅動工具。且性能穩定易用，支持多種數據調入，能提供高效的CAD數據轉換。

1.3三維建模相關技術分析

針對三維模型來說，主要是涉及到的數據包括了數字化的地圖數據以及三維模型尺寸數據等，同時也包括了建筑圖紙以及全校航拍圖來獲得數字化的地形圖數據。

三維建模最主要的四個環節是：首先，創建物體的層次結構。這是由于具有層次結構的文件比無層次結構的文件執行效率高。具體可將物體和相關的實體進行組合形成物體組和相關組，在此基礎之上嵌套建立起物體的層次結構。其次，對模型進行優化。盡量減少多邊形的數量是可視化仿真建模的基本原則之一。最理想的效果就是用最少的多邊形來表達視角上很真實的模型。第三，植物建模。根據校園內各種植物在所選取的視野范圍內的地理位置、生長密度等特征，可分別采用十字交叉或多十字交叉模型。第四，合理運用實例。當數字校園的場景中相同的某個實際物體比較多時，可通過引用同一個實例的方法來解決相同幾何體的模型問題從而降低模型數據的存貯空間。

2.視景的漫游分析

2.1人機交互的控制分析

在虛擬三維世界之中，漫游的過程主要是人和計算機的交互過程，因此為了能夠滿足不同漫游方式的需要，系統設計漫游引擎的過程中可以設置成為手動漫游以及自動漫游。

針對于手動漫游來說，能夠隨時隨地的控制漫游過程中的速度以及方向和視角，根據任意的視角來觀察建筑物的內部結構以及設施。相對于手動漫游來說，自動漫游需要為一個預先確定下來的路徑創建關鍵點，之后則是通過觀察者應用一個導航器來穿過路徑進行自動的對運動做出控制。

2.2 視線的碰撞檢測方法分析

漫游人員在進行漫游的過程中將會和地形以及障礙物出現一定的碰撞，Vega雖然能夠對地面碰撞檢測做出相應的定義，但是針對于定義的運動模型根本無法能夠起到實際性的作用，因此，本研究采用技術視線碰撞檢測的方法來進行檢測。

針對這種方法來說，主要是空間直線以及空間多邊形的求交問題，并且核算的方法也能夠得到兩個方面的結果：第一是漫游的過程中地形以及障礙物所進行的碰撞檢測；第二則是虛擬的實體選擇以及虛擬場景環境之中的絕對坐標系如下圖1所表示。

作為起點，并且沿著觀察坐標系Y軸向著正向進行射線，同時也可以給根據空間直線的方程式來對其進行描述。

L：X=Rt+E（t≥0）

在公式之中，X（x，y，z）主要是為視線上任意點，然而R（xr.yr.zr）則是為射線的方向。然而E（xe，ye，ze）所表示的便是視點射線上起點，t主要是為X點距離視線的距離。在空間平面P的防塵以及其法向量主要是為以下公式所述。

Ax+By+Cz+D=0

N（A，B，C）主要是為容易求得出來的攝像以及平面的焦點和視點到點之間的距離。

N1·N2=N1x·N2x+N1y·N2y+N1z·N2z， N·（Rt+E）+D=0，

t0=-（N·E+D）/（N·R），（N·R≠0）。

在公式之中，要是射線L和平面P所平行，那么則不存在著焦點，不然射線L以及平面P則是相交的，焦點主要是為X0=Rt0+E，其視點到交點的距離主要是為t0。

虛擬的實體選擇是可以得出進一步的求解，然而在對實體進行選擇的過程中，通常情況下不知道視線應該和那個多邊形進行交匯，要是每一次都會對整個場景之中所有的表面多邊形全部都是經歷了一遍，那么將會出現比較大的運算量，從而到導致出現一些不必要的浪費。所以，在現實基于視線的碰撞檢測過程中，必須要考慮到球形包圍盒以及長方體包圍盒的快速求交方法能夠實現虛擬體的選擇。

3.系統的設計以及實現分析

漫游引擎主要是一組三維場景漫游的核心程序所在，并且負責實現輸入映射以及試點的控制以及虛擬場景調度管理等系統漫游的功能。在數字校園漫游引擎之中，多數系統能夠在主頁定義一些可選項，能夠給漫游都提供一打開或者關閉的功能設置，從而使“游客”在數字校園之中能夠觀賞到不同時段（不同季節）的校園景色，同時也能夠采用任意的視角和路線在校園之中自由穿行。

基于上述主要系統分析，通過建立起基于多為信息空間的和諧人機環境，被認為是信息技術創新發展過程中的主要目標，并且虛擬現實技術也是支撐多為信息空間的關鍵因素所在，通過應用虛擬現實技術來進行數字城市的虛擬建設以及虛擬裝修等進行展示，能夠更好的為相關領域上面的技術進行創新，從而取得一個良好的效果。

參考文獻

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