幾何建模技術在虛擬校園漫游系統開發中的應用

　　2．2 三維虛擬場景數據庫的構建與優化

　　逼真的三維場景模型是構建高逼真虛擬漫游系統的關鍵，本系統的場景構造主要按照實地考察結果進行。建模同時還要實現場景細節表現與圖形負荷之間的高效平衡。為了使構造的漫游系統達到實時繪制要求，系統采用了場景數據庫的層次組織結構、紋理映射、實例化、LOD層次細節模型、可見性裁剪等技術方法對場景進行優化。

　　實體建筑是虛擬場景中的主體部分，也是最重要的場景內容。對實體建筑進行建模與優化的一般步驟是：

　　(1)獲得建模數據。建筑外觀與幾何形狀等要求準確的數據，在沒有建筑圖紙的情況下主要根據實地拍攝的照片使用3DS MAX進行 建模。

　(2)確定模型的層次結構，由于系統使用的建模工具不具備像Multigen建模工具的樹狀層次結構來管理場景模型”，所以在模型建好后，通過導入到 Virtools中進行層次設置。如先按主體分組，再在每個主體中分墻體、門、窗等。直到底層分解到基本圖元結構。

　　(3)去除冗余多邊形。描述實體模型表面的數據經常存在冗余現象，這里的冗余多邊形主要是指在實體外部觀察模型時不可見的部分。例如，樓體的底面、內墻面及樓層之間的連接面等。由于場景瀏覽時它們處于不可見的位置，去除它們并不影響實體的視覺效果，而消除這些冗余多邊形則可以在很大程度上降低場景的復雜度。這里只考了建模時模型的可見性裁剪，對校園進行實時漫游時需根據Virtools的SDK實現非基本 圖元層次的視見體裁減和 遮擋剔除 ，這樣可充分利用GPU的性能實時繪制復雜校園的室外場景。

　　(4)使用紋理映射。對于門、窗、欄桿等每棟建筑都具有且數量較大的細節部分，一般采取紋理映射的方法，在對應位置的多邊形表面上“貼制”紋理圖片，用來代替詳細的模型。這樣處理可以減少模型的多邊形數目和復雜程度，提高圖像繪制速度和顯示速度。只要視點不過于靠近建筑物，紋理映射并不會降低場景的逼真度。

　　(5)使用 LOD技術對幾何模型和場景進行簡化。校園漫游系統 中對 LOD的定義是利 用 3DSMax和 Virtools來完成 的 。使用3DSMax~作不同精度的模型，在Xrmools中設置調用范圍。采用LOD模型后，可以實現只在漫游視點接近場景對象時，載入精細模型，其他情形下則可以用低分辨率模型進行替換。

　　此外，外部景觀在漫游場景中也是不可缺少的重要部分，美觀、適當的外部景觀能極大的增強場景的真實感和逼真度。在本系統的虛擬校園巾，外部景觀主要包括：草地、樹木、花叢、路燈、涼亭、雕塑、花壇等。為了營造校園場景的真實氛圍，在場景構建后期還增加了人群與汽車等實體。

　　天空及遠景模型的構建也是場景中的重要內容。具體做法是在校 區地 形的邊緣構造 一個四周閉合 、由若干四邊形面組成的“圍墻”，通過在“圍墻”面上映射相應的紋理，來實現該方向上遠景的模擬。而對天空的模擬，如圖4所示，采用加蓋_個半球籠罩整個地形，在其內表面上映射相應的天氣效果紋理來實現。這樣，當視點在由地形、邊界立面、項面組成的內空間中移動時，加上適當的光照效果，可以使人感到遠景、天空所產生的強烈的縱深感。為了加強動態效果，還可以采用紋理變換的方法來實現動態移動的天空云彩。

　　場景實體模型的構建是按照場景層次結構的劃分來進行的，各層次實體景觀構建完后需要進行組合集成，最終形成虛擬場景的整體。本系統構建的虛擬校園的場景模型先按照小區域分別集成，然后將各小區域場景集成到地形模型上，可參照圖2所示校園平面圖進行位置的布局 。

　　2．3 場景地形的分塊調度管理

　　本系統構建的校園場景較大，這里采用分塊調度管理技術 。先將整個地形分割成若干多邊 形數較少的小單元地形并存成不同的地形模型文件，再以外部引用的方式分別調用(包括地形上的地物)，重新構成一個完成的地形模型。這樣可以根據視點所看到的區域，動態地選擇小單元地形模型進行調用，不需要調用整個地形模型，能有效地提高系統的吞吐量和場景繪制的實時性。

　　3 虛擬校園漫游功能的設計與實現

　　如圖5所示，本系統包括漫游模塊、3D地圖模塊及衛星地圖模式。其中三維漫游主要包括固定路徑漫游、自由導航漫游 、定點漫游、場景導入和編輯等主要功能。 3D地圖模式和衛星地圖模式則提供用戶 以地圖拖拉導航的方式形象直觀地進行校園漫游。

　　3．1 虛擬漫游人機交互控 制

　　人機交互一直都是虛擬現實系統研究中的重要內容。漫游系統中的實時交互性主要表現在兩個方面：一是用戶對場景中的實體對象能進行某些操作，并且實體對象能：征即以某種形式的變化反饋給用戶，響應用戶的操作 ；二是當用戶的位置與視點改變時，漫游引擎要能夠立即調度場景數據庫實時生成新的視點畫面，并顯示給用 戶 。

人的行走是日常生活中最普遍的行為，而在漫游系統中它也是最主要的行為。用來控制虛擬環境中視點位置的改變就是漫游系統中的主要交互方式。對視點控制交互方式的設計，主要考慮到方便性問題，即如何提供給用戶一種 自然方便 的觀察環境的方式。視點控制要能夠模擬行人在虛擬環境中觀察場景，在必要時還能以定點方位的方式瀏覽場景。在本系統中視點用虛擬相機來表示，所以對視點的控制實質足對相機進行設置與控制。通過對相機采用不同的控制方式可以實現不同的漫游方式。在校區漫游系統中，對相機使用以下控制方式：

　　(1)相機的靜態控制。相機本身具有位置和旋轉角度屬性。當進入漫游系統時，根據需要義初始設置的默認視點繪制場景，用戶可通過預設的視點切換校園場景。

　　(2)相機按固定路徑進行漫游。按下響應控制鍵，將按照設定好的路徑 對整個校園進行瀏覽。如圖 6所示為自由導航模式下的校園全景。

　　(3)自由漫游。以第一人稱視角 進行漫游 。

　　(4)定點漫游。點擊相應建筑物名稱即傳送到對應建筑物。

　　3．2 導航圖控制

　　如圖6左上角所示的導航圖是漫游系統中普遍使用的向導工具，一般使用二維地圖表示。與三維場景的視圖相比，二維地圖的優勢在于它可以提供更加廣闊的視野空間，使漫游者很容易從總體上把握當前所處的位置及周邊環境狀況。系統采用首先將三維場景渲染成一張二維平面地圖，然后利用虛擬相機實現地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點的同步運動。

　　4 結束語

　　本文在研究基于多邊形的虛擬漫游實時優化等關鍵技術的基礎上，以華北電力大學保定二校區為仿真實例，使用3DSMAX、Virtools中BuildingBlock及SDK工具設計并實現了～個具有基本漫游功能及簡單場景設置的實時虛擬校園漫游系統。針對本系統實時性及逼真性進一步改進的考慮，今后的工作包括：地形匹配問題；基于遮擋裁剪技 術的高效場景優化問題；基于網絡漫游的實時性問題。另外，系統功能的進一步完善也是今后的工作。通過功能完 善使之還具備實 時通訊、個人信息管理、信息交流、官方信息發布等功能，甚至能為網絡教學提供三維虛擬平臺。