徐州農干校三維虛擬校園的設計與實現

姚俏

摘 要：VR技術是以計算機技術為核心，利用VR的交互技術、實時監控和沉浸感技術，生成逼真的虛擬環境，讓瀏覽者以自然方便的形式在虛擬環境中自由漫游，從而產生等同真實環境的感受和體驗。文章以設計制作徐州市農業干部中等專業學校三維虛擬校園為例，借助VRP，SQL Serve等技術進行開發，并結合視景仿真軟件3ds Max，最終構建出功能相對完善的虛擬校園漫游系統。

關鍵詞：VR；三維交互；虛擬校園；鷹眼；三維場景

1 虛擬現實概述

在計算機領域蓬勃發展的背景下，虛擬三維技術在近年來已經成為重要的核心分支，其通常被稱為虛擬現實（Virtual Reality，VR）[1]。VR技術涉及的專業領域極其廣泛，其中具有代表性的有光學、力學、圖形學、計算機科學、傳感技術等，經過設計與研究后最終構成了較為逼真的虛擬環境，其作用與功能是對運動、視覺以及聽覺等方面進行模擬，讓用戶虛擬體驗產生身臨其境的感覺[2]。總的來說，VR技術在不斷發展的進程中，已經深入生活的各個方面。

美國作為VR技術的起源，在VR技術的發展過程中起到重要的引領作用。VR技術涉及的領域有：機械制造、建筑裝潢設計、商業產品的外包裝設計和造型、影視以及商業廣告。

2 相關技術簡介

目前三維建模的軟件主要有3DS MAX，MAYA，CAD，SolidWorks，Pro/E，UG等[3]。三維虛擬校園需要具有真實性和交互性，因此本文建模軟件選擇了3DS MAX，3DS MAX是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件。開發平臺選擇虛擬現實仿真平臺（Virtual Reality Platform，VRP），其功能強大，能夠兼容不同版本的Windows操作系統，能實時顯示三維效果功能，同時可以與3DS MAX的多個版本無縫對接；支持精準度高的導航圖功能，能夠設置較好的物理碰撞檢測效果；還支持各種自然特效如霧特效、太陽光暈、天空盒、流水、火等；支持各種相機功能，如行走相機、飛行相機等，使用VRP可以制作出優秀的高仿真三維作品，讓廣大用戶感受到制作精良的VR作品已經不是遙不可及的夢想[4]。

2.1 三維模型技術

VR軟件有很多，本文在虛擬校園建筑等三維模型用3DS MAX軟件，開發環節選擇VRP編輯器。VRP編輯器是一款直接面向三維美工的VR軟件。VRP具有一鍵發布、在編輯器內直接編譯等特征。同時，VRP可以和3DS MAX實現完美的結合。這兩款優秀軟件的結合使我們可以做出交互性更強、沉浸感更強，更加具有真實感的仿真三維虛擬校園。

2.2 平面模型技術

平面模型技術主要是由CAD軟件與Photoshop軟件所構成的。具體來說，Photoshop軟件在平面模型當中更加常用，主要是被運用在數字圖像的處理方面[5]。平面模型技術除了應用PS軟件，還常常用到建筑行業最常用的軟件CAD，其是用來進行平面制圖的，平面布置圖、施工圖、立面圖以及三維圖的繪制都是用CAD這個軟件來執行[6]。

3 三維虛擬校園總體設計

三維虛擬校園漫游系統是以徐州市農業干部中等專業學校為虛擬空間，根據VR技術原理，進行資料收集、圖片處理、建立仿真三維模型、提出虛擬漫游系統的設計思路和運行方案，然后以VRML語言作為核心來對虛擬校園漫游系統進行構建，使瀏覽者沉浸其中，產生身臨其境的感覺。

3.1 需求分析與可行性分析

需求分析的最終目的就是為了能夠明確用戶對虛擬系統的基本需求。獲取用戶需求的方式有很多，其中可以采用訪談的方式讓用戶更加了解虛擬系統的構建價值。

虛擬校園的可行性分析是當前工作的重點內容，可行性分析和研究主要就是從以下幾個方面進行著手，分別為：采用技術、投資額度、設計領域、所處環境、獲得效益等，由此可見，三維虛擬校園系統建設無論在學校發展建設上、經濟適應性上、技術保證上等都是必要可行的

3.2 虛擬校園設計流程

最近幾年，隨著計算機技術的不斷創新發展，計算機的普及應用，校園信息化的建設也得到了進一步的提升，虛擬校園成為信息化建設的關鍵組成要素。傳統虛擬校園是由二維技術進行設定的，進而已經無法滿足當前管理需求[7]。借助于計算機虛擬和網絡技術，可以實現三維虛擬校園的技術，相對來說，三維比二維更加直觀具體，可以更為真實地感受智能化特性，成為虛擬校園構建的強大動力，也成為二維平面之后的一大創新突破。

3.2.1 收集資料

資料主要是有數字化地圖數據、紋理數據的收集、地形數據的整理、CAD圖紙的獲取、建筑實景照片的拍攝、校園建筑信息的收集等構成，用于后期整個三維建筑模型的設計。

3.2.2 圖片處理

收集來的圖片大小不一、尺寸不同，甚至色彩單一，畫面不均，這時需要用到Photoshop軟件，更改圖片大小、調整畫面色彩，通過圖片處理有效地解決由于紋理數據冗余的問題，以及對幀速率所產生的影響。

3.2.3 創建模型和賦予燈光材質

本階段使用3DS MAX建立校園的整個建筑模型，包括教學樓、宿舍樓、實驗樓、辦公樓、小花園等，在現實生活中任何實體都由不同的材質組成，任何物體都由質感、顏色和屬性，這不僅包括物體表面的顏色、紋理，還包括對光的屬性等[8-9]。

3.2.4 渲染處理

在使用3DS MAX制作校園建筑時，需要渲染多幀或者渲染成影片格式，這樣才能不影響渲染速度和畫面質量。

3.2.5 碰撞檢測

首先了解什么是碰撞，假如兩輛車之間的車距為100 m，從此車距中可以看出，兩輛車之間的距離非常遠，進而不會出現輛車相撞的情況。然而，當兩車的本身長度分別為6 m和12 m，那么兩輛車的中心距離如果僅僅只有5 m的距離，那么就非常的有可能會發生碰撞。這就是一種距離和中心距離的碰撞測試理念。因此在3DS MAX中，需要做碰撞檢測。endprint

3.2.6 相機的創建

在制作大型3D場景時，通過創建相機，可以讓用戶從不同的角度瀏覽制作場景。文中讓體驗者以不同觀察方式、不同的高度、不同的視覺角度游覽虛擬校園場景，給用戶帶來了一場視覺盛宴。

3.2.7 導航圖

徐州市農業干部中等專業學校校園場景比較大，新用戶在校園中瀏覽體驗時，容易不知所措，找不到方向，所以需要制作導航圖方便用戶瀏覽校園。同時導航圖還有放大縮小、熱點區域響應、熱點圖標響應等功能。

3.2.8 數據庫查詢與信息查詢

數據庫查詢中包括建筑物的字段名稱和類型以及建筑物的詳細數據信息等，通過與徐州市農業干部中等專業學校虛擬校園場景的連接和控制，在虛擬校園系統中對相關數據進行查詢和掌控，對學校信息進行了解，那么就可以對虛擬場景信息進行及時的跟蹤，并進行不間斷的更新信息。

3.2.9 項目發布

由于制作的工程比較大，有可能會出現各種失誤，所以要進行項目發布，以確保各項功能完整性。

虛擬校園要制作出逼真的空間立體感，并且形象、仿真、可互動性，使參與者能在創建的栩栩如生的虛擬建筑場景中游走、體驗。

4 結語

通過不斷的研究探索，Photoshop，CAD，3DS MAX等軟件的優點充分發揮出來，以徐州市農業干部中等專業學校為例的三維虛擬校園建設已經完成。本文在研究階段，重點將三維虛擬場景的制作作為研究核心，并經過反復的系統測試，得出了場景建模優化的方法，速度和畫面得到了統一。讓瀏覽者可以身臨其境地在虛擬校園里交互漫游。

[參考文獻]

[1]陳誠.三維校園的開發與設計即全景校園虛擬漫游技術的實現[D].武漢：武漢科技大學，2010.

[2]GLANDER T，D?LLNER J.Abstract representations for interactive visualization of virtual 3D city models[J].Computers Environment & Urban Systems，2009（5）：375-387.

[3]汪成為，高文，王解仁.靈境（虛擬現實）技術的理論實現及應用[M].北京：清華大學出版社，1996.

[4]馬向英，杜威登，袁曉君，等.基于圖像的室內虛擬漫游系統[J].中國圖象圖形學報，2009（1）：86-91.

[5]ELLUL C，HAKLAY M.Requirements for topology in 3D GIS[J].Transactions in Gis，2006（2）：157-175.

[6]劉國慶.虛擬校園建模技術的研究[D].山東：中國石油大學，2008.

[7]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.

[8]PEUQUET D J.Representations of geographic space：toward a conceptual synthesis[J].Annals of the Association of American Geographers，1988（3）：375-394.

[9]姜學智，李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004（3）：4-5.

Abstract：VR technology uses interactive technology， real-time monitoring and immersive technology to generate a realistic virtual environment， allowing viewers to freely roam in a virtual environment in a natural and convenient manner， thereby creating a feeling and experience equivalent to a real environment， with computer technology as the core. Taking the design and manufacture of three-dimensional virtual campus of Xuzhou agricultural cadre secondary specialized school as an example， the article develops with VRP， SQL Serve and other technologies， and combines the visual simulation software 3DS MAX to build a relatively perfect virtual campus roaming system.

Key words：VR； three-dimensional interaction； virtual campus； Hawkeye； three-dimensional sceneendprint