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三维虚拟校园的漫游系统实现

2015.09主要通过VR-Platform 平台编辑器中对已建立的校园模型交互功能实时设置,同时进行系统优化及设置、编译、发布等系统生成。

交互功能设置是通过虚拟相机生成、光照、云彩效果生成、消隐、碰撞检测功能,为校园模型增加场景的逼真度;经过系统优化工作以提高系统交互感,最后对系统添加背景音乐、编译测试、发布运行。

1场景合成导入首先运用3DS Max 软件进行场景合成,然后将场景导入到VR-Platform 平台中,通过VRP 平台进行交互处理后,最终生成三维虚拟校园漫游系统。

2交互功能设置运用VR-Platform 平台编辑器可实现场景模型的交互处理,包括虚拟相机生成、场景真实化处理、优化处理以及设置背景音乐等。

2.1虚拟相机生成在三维虚拟校园系统中漫游,其实质是以某一点为基础点进行观看游览,随着基础点的移动而变换场景,因此在系统开发时需要生成虚拟相机,用以模拟用户在虚拟校园中漫游的视角。

VRP-BUILDER 中内置了多种样式的相机,开发者可以自由选择,如定点观察相机、行走相机、飞行相机等。

其中:定点相机主要用于拍摄虚拟场景;行走相机主要用于模拟人的第一视角进行漫游交互,开发者可自主选择观看位置和观看角度,视线可实现360度调整,可提高虚拟校园的交互性和逼真度,因此行走相机对系统交互性的影响最大;动画相机用于创建自由漫游的路径,并可按此路径进行游览;飞行相机则是通过创建一个较高的视点,实现用户在高空俯瞰校园虚拟场。

灵活运用以上多种虚拟相机,系统开发者可设计出不同模式、不同视角的用户自主控制漫游路径。

2.2光照效果在3DS Max 中,可使用天空盒模型生成辽阔的天空场景,但实现天空场景的逼真感,还需要有云朵、光照等与真实校园上的天空相似的景观和气候,其中光照就是必不可少的模块。

在VR-Platform 平台中,生成光照对象后调整光线方向,使其投射去向和场景投影方向相同。

同时还可进一步添加光晕效果,选择合适的光晕加入到虚拟校园系统中,调整其高度和角度参数,使其与光照方向相吻合,结合天空盒中的光线方向,即可生成美丽的光圈。

2.3云彩效果云彩是实现虚拟校园系统逼真性不可缺少的道具之一。

为实现更加逼真的云彩效果,建议在天空中对云彩效果进行随机布置,并设置好云彩的浓淡效果,从蓝天到白云应有一个由淡转浓的渐变过程,才可实现云彩效果的逼真性。

2.4消隐各种三维模型绘制的先后顺序不一样,在整个虚拟场景中,经常会出现某些模型的一部分被其他部分遮盖住的情况。

用户漫游虚拟校园时,随着视点和视角的变化,有些场景对用户来说是不可见的,不可见的场景是随着视点和视角的变化而变化的。

为实现这种变化,使三维场景的立体观感更强烈,应对不可见的场景进行隐藏,即进行图形的消隐处理,经过消隐处理的图像视觉观感更为真实。

2.5碰撞检测真实世界中,人体是无法穿过固态物体的;而在虚拟校园系统中,大部分的模型为三维模型,这些三维模型在用户的视点发生变化时,可能会出现视点和物体交接穿越的现象。

为了更加真实地模拟校园,需要对这类碰撞进行检测。

碰撞检测可判定视点与模型之间是否会发生碰撞,增强虚拟系统的交互感与真实感,从而让用户产生身临其境的逼真感。

因此,一个逼真的虚拟系统需要高效的碰撞检测算法。

内置物理引擎系统的碰撞检测算法具有非常高的效率是VR-Platform 平台的显著优势之一,VR-Platform 平台在进行物理模拟之前,先重组三维场景中所有模型的片和面,使其格式最优化并进行存储,后续的模拟将不需要进行再次计算。

为排除碰撞检测时可能出现的计算冗余,在碰撞检测前,VR-Platform 平台会进行多次过滤,包括场景过滤、碰撞组过滤、包围盒过滤以及动、静物体过滤。

3系统优化在信息收集和模块建模之后需要对模型进行优化,以确保虚拟校园系统不仅可以保证良好的沉浸感、交互性和仿真感,还能高效、快速和流畅地运行,这种优化需要在整个项三维虚拟校园的漫游系统实现徐飞(安徽理工学校,安徽安庆246002)摘要:虚拟校园系统是虚拟现实技术在教育领域的一个重要应用,可服务于学校的宣传展示、资源管理、规划设计、远程访问等,也是校园管理信息化的一个重要应用,对学校的数字化管理具有较重要的积极影响。

关键词:三维虚拟校园漫游系统;虚拟现实;VR-Platform 平台;碰撞检测;交互功能;漫游功能收稿日期:2015-01-1291DOI:10.16184/prg.2015.09.0402015.09目的所有过程中进行,目的是尽可能地消除冗余数据,提高系统的运行效率。

3.1模型虚拟校园系统对计算机内存需求较大,(1)因为系统中模型数目众多,(2)因为在虚拟校园交互漫游时需要大量的模型切换,为确保系统的运行速度,需要对模型进行优化。

在虚拟系统中,对象有许多冗余面。

所谓冗余面是指那些在虚拟系统中不可看到的面,如:几何体相互连接接触的面、靠着墙壁的物体背面、建筑物的下面等,这些面是否存在对系统显示和交互并不会产生影响,为减少数据冗余须将其予。

删除冗余面可降低系统的数据量与复杂度,提高贴图与资源的利用效率,从而加快虚拟系统的运行速度。

3.2贴图在材质编辑过程中,需要将贴图附加到对应物体的表面,从而体现物体的表面形象与特征。

由于贴图的数据量远少于细节建模的数据量,因此使用贴图不仅可以达到准确表达物体表面纹理特征的目的,还可以避免使用细节建模会产生大量数据的问题,可大大降低系统的复杂度。

贴图的长宽比一般不超过2,以接近正方形为优。

在VR-Platform 平台中,可对整个场景的贴图进行压缩与优化操作。

首先,通过贴图管理器检查整个系统中贴图的消耗数据,比较可用显存总量和总显存消耗量的差值和比例,然后再确定是否进行贴图压缩操作。

一般压缩操作的目标是使可用显存值是总显存值的一半以上。

贴图压缩主要通过减少贴图数量、缩小贴图尺寸和调整各种贴图格式的方式来完成。

VR-Platform 平台中的贴图管理器,就是通过改变贴图的尺寸与格式来调整贴图所占容量的大小的,对应的参数设置是纵横尺寸参数设置和贴图容量设置。

3.3实例虚拟系统中实例操作其实并未创建新的对象模型,使用指针变量指向数据库中已有数据模型,这与复制有根本上的不同。

在3DS Max 中,通过阵列实施工具和实例移动工具来操作实例,这样可以保证虚拟系统中对象模型的低复杂性和高准确性,同时能控制模型个体的数目,使虚拟系统能够高速运行。

3.4立体效果三维虚拟校园漫游系统的立体场景的效果好坏对系统的真实感和逼真度有直接的影响,并影响用户的操作感觉和认同感,因此系统开发的全过程要关注立体感。

为了增强立体感,在开发系统时严格按照真实校园的场景进行建模和放置对象。

在VR-Platform 平台中设置相机时也充分考虑到立体感,如设置相机的运行速度与人的普遍习惯相适应,提高用户的舒适感,避免产生眩晕感,对运行角度进行比对设定,更能突出虚拟校园的三维效果。

3.5碰撞检测为了进一步提高虚拟系统运行的效率,对碰撞检测中的不必要计算也要进行优化。

由于用户在虚拟校园中漫游时有些模型的部分面、线不可能发生碰撞,可不必设置碰撞检测。

对一些复杂的三维多面体模型,由于其面、边较多,碰撞检测需要计算的次数较多,可根据该物体的轮廓,创建一个形体相似的较简单的模型加入到对该模型的碰撞检测算法中,可以有效减少碰撞检测的面和边,提高检测算法的效率。

4漫游系统生成4.1设置背景音乐为了给虚拟系统的用户以听觉、视觉的双重感受,增强场景的感染力,在开发系统时对虚拟校园系统添加了背景音乐。

在VRP-BUILDER 中可根据用户需求添加任意契合场景的乐曲。

4.2系统发布本项目的虚拟系统的最终成果是一个能够独立执行的虚拟校园漫游系统的exe 文件,该文件将前期的工作如场景、交互、相机等要素全部打包,用户下载后可直接运行漫游系统。

在编译exe 文件前要对运行窗口进行设置。

通过VRP -BUILDER 的项目设置面板,设置相关参数,添加系统运行开始界面的显示图片,并对其基本情况进行简要说明,并可对开始界面的窗口大小和初始相机进行设置。

设置好项目设置面板的相关参数后,执行编译命令编译exe 文件。

编译完成后,还需对文件进行进一步的测试以确认系统效果,主要测试项目包括:确认虚拟校园的整体仿真效果;检查虚拟校园系统中设置的各种功能;检查系统的运行效率;测试虚拟系统的三维立体效果。

对测试中发现的问题,必须在VRP-BUILDER 中进行修改更新,提高系统的可用性,确保三维虚拟校园场景和交互达到一个较高的层次水平。

4.3系统运行通过前期的大量工作,最终生成一个exe 可执行文件,该文件内部打包三维虚拟校园漫游系统运行时的各种要素,点击该可执行文件,进入初始界面。

系统运行后,默认为全屏模式显示。

参考文献[1]Ning-ning Zhou,Yu-long Deng.Virtual reality:A state-of-the-art survey [J].International Journal of Automation and Computing,2009,4.[2]马萍,孟祥增.虚拟校园漫游系统的构建[J].中国教育技术装备,2010.[3]于飞,纪玉波.三维虚拟校园系统设计与实现[J].辽宁石油化工大学学报,2013, 4.[4]张青峰,姚红生,燕慧婷,等.基于MultiGenn Creator &VRP 构建校园虚拟现实平台的理论与实践[J].测绘科学,2010,1.[5]邹益胜,丁国富,许明恒,等.实时碰撞检测算法综述[J].计算机应用研究,2008,1.[6]邱晨阳.数字虚拟校园漫游项目设计与开发[J].数学技术与应用,2013,2.92。

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