虛擬校園漫游系統開發及其應用

虛擬漫游系統的開發是虛擬現實技術的一個重要應用。以華北電力大學保定二校區為虛擬仿真環境 ，使用 3DMAX建模工具對校 園中的各種模型進行建模，使用多種基于幾何建模的場景優化措施，并基于GoogleEaCh衛星截圖進行場景的精確布局設計。結合 Virtools虛擬現實開發平臺，設計 了虛擬校園漫游系統的開發流程，并在微機平臺上實現了一個場景復雜的校 園實時漫游系統。該校 園漫游系統不但為用戶提供了友好的Web界 面，而且設計并實現了基于導航圖控制的人機交互機制，便于綜合使用多種漫游方式快速漫游校 園的場景。

　　虛擬校園漫游系統作為校園數字化工程的一部分，是指利用高性能計算機軟硬件去創建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發參與者構思的信息環境。借助這樣一個基于真實空間或假象空間的實時仿真虛擬空間，不僅可以全面展示校園建筑物的外觀、周邊環境，還可以以任意視角觀察建筑物的內部布局結構和內部設施，使參觀者足不出戶就可以進入虛擬的校園，盡情領略校園的美好風光。虛擬現實技術則是在計算機圖形學、仿真、人一機接口、多媒體以及傳感技術的基礎上發展起來的一門交叉學科。用戶以6個自由度在這個仿真的環境里進行對話，以自然的方式進行交互操作。利用計算機生成的模擬環境，通過傳感設備和計算機接口，給用戶親臨其境的感受。高逼真虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容，除了滿足沉浸感，還必須滿足交互性或實時性。虛擬校園漫游系統作為虛擬現實技術在特定領域的發展 和應 用，也 是是虛擬現實技術 的綜 合應 用，其研 究成果 同樣可用于公共建 筑項目(如車 站、機場、橋梁 、港 口、大壩、核電站等大型工程)、城市規劃設計方案、城市交通布局設計方案、建筑物室內設計、布置和裝飾效果的先期演示、驗證。目前已有的虛擬漫游系統根據其處理基元的類型可以分為 3種：基于多邊形的實時漫游系統，基于圖像的實時漫游系統以及混合類型的實時漫游系統。

　　基于圖像的實時漫游系統無需使用幾何模型的多邊形描述場景，而只需場景對象的數字圖像。這種方法雖然具有建模時間短，繪制效果逼真的優點，但是存在圖像匹配困難，存儲數據量大，立體感不強的缺點。對于碰撞檢測等交互式行為仿真，用這類 算法處理 極為困難 。基于全景圖技術 的漫游系統就屬于這一類，而目前國內一些大學開發的校園漫游系統一般采用這種全景圖技術，可以實現對場景的固定視點的任意視角的漫游 ，但從一 個視點到另一個 視點的移動會產生跳躍，且交互性差，QuickTime是這類漫游系統的代表。

　　基于多邊形的實時漫游系統也稱為基于幾何渲染的漫游系統。這類漫游系統一般具有很好的交互性，既可以在導航器的指導下漫游，也可以根據用戶的意愿自由漫游。但是一個高逼真的基于多邊形的虛擬校園漫游場景通常包含上千萬甚至更多的多邊形，大規模虛擬校園場景復雜度的增加勢必影響場景繪制的實 時性 。

　　混合漫游系統既使用圖像也使用多邊形來參與繪制，試圖融合前兩者的優點，但是目前該技術不是很成熟，基于圖像的漫游系統固有的缺陷仍然存在。因此，本系統選擇采用基于多邊形建模的方法構建虛擬校園漫游系統。

　　1 基于多邊形的虛擬漫游關鍵技術

　　目前從技術角度來說，建筑物虛擬漫游的最大難點在于建模和實時繪制。雖然隨著計算機技術的發展，個人計算機的處理能力有了極大提升，甚至已經超過了以往專業圖形工作站的水平。尤其是CPU和 GPU(graphics processing units)的迅猛發展，使得在微機上開發虛擬漫游系統具備了一定的物質基礎，但是由于室外建筑漫游所看到的景象距人們很近，因此需要繪制得非常逼真并且建模時需要構造得非常精細，這往往消耗計算機大量的時間和空間資源。同樣，對于構造出來的如此復雜的模型，在對其進行繪制時，由于GPU性能的制約也往往很難達到實時效果。因此，圍繞解決大規模室內外漫游場景繪制的質量與實時性的矛盾也就必然成為開發虛擬漫游系統要解決的關鍵問題。本系統主要實現一個基于多邊形的校園室外漫游，需要考慮使用的關鍵技術主要包括：可見性裁減技術，LOD(1evel ofdetail)技術。

　　1．1 可見性裁減技術

　　可見性裁減處理從某個視點來說場景中可見部分的確定問題，即只將潛在的可見部分送入繪制管道，從而提高場景實時繪制的性能。如圖 1所示，根據場景中不可見面片的種類，可以將可見性裁減分為視見體裁減和遮擋剔除。視見體裁減主要裁減位于視見體外部的多邊形，簡單場景的視見體裁減可以基于 OpenGL等圖形繪制軟件包在基本圖元一級進行裁減，而對復雜場景的視見體裁減一般根據預處理階段構造的層次數據結構對場景空間數據進行合理組織，可以在場景對象一級進行裁減，因此使用 CPU進行視見體裁減的時間開銷更低。遮擋剔除是對于當前視點剔除掉位于視見體內且被其前面的遮 擋物(Occluder)遮擋住的對象。另外，可以將裁減那些背向視點的多邊形的背面裁減理解為一種最簡單的遮擋剔除。綜合國內外在這方面的研究情況，可見性裁減算法主要分為預處理與實時處理，保守型與近似型，點與區域型，圖像空間與物體空間，還有單獨遮擋物與遮擋物融合5種類型 。

　1．2 LOD技術

　　LOD繪制技術是指對網格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內，根據視點與物體的距離或物體的重要性等因素決定刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復雜度，加快圖形的繪制速度。因此這里采用LOD 技術充分利用了人眼的視覺特性，在模型的精細程度與繪制的速度方面取一個折衷，既要保證一定的繪制質量，以滿足良好的視覺效果，又不造成用戶漫游的不適感。地形這一特殊的復雜模型一般采用多分辨率建模技術繪制。所謂多分辯繪制算法可以認為是LOD技術的延伸，即算法實時地根據視點的變化而簡化地形繪制的一種方法。由于校園地形較為平坦，地貌特征并不復雜。基于以上情況，如圖2所示，本系統參照衛星地圖構建了華北電力大學保定二校區地形的平面模型，用它來替代地形模型。

　　2 虛擬漫游系統流程設計與開發

　　在虛擬校園漫游系統開發過程中，對現有的建筑及其它場景采用實地拍攝，實地觀察，使用幾何建模的方法來進行場景搭建。工作流程如圖3所示。

　　2．1 Virtools開發工具

　　本系統構建使用的V~tools是一套集創作應用程序、交互引擎和渲染引擎和發布模塊于一身的3D虛擬現實開發系統。該系統除了提供給用戶方便易用的拖拉模塊式構建方法，還為程序員提供了編程SDK、腳本編程語言以及對圖形編程語言ceTx的支持，以便于程序員開發更適合實際需求的高效解決方案 。