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Scientific Journal of Information Engineering June 2013, Volume 3, Issue 3, PP.50-55

Design of 3D Virtual Campus Roaming System Hongyan Yang, Zhuo Shi, Yanru Zhong# College of Computer science and engineer, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China #

Email: rosezhong@guet.edu.cn

Abstract With the growing sophistication of virtual reality technology, 3D virtual campus roaming system as effective platform for school propaganda outside, the campus planning and management decision will provide a strongly support. Taking the campus of Guilin University of Electronic Technology as prototype, combing with the software of 3Ds Max and using VR-Platorm development platform connections with the backend database and virtual building and live Imaging shooting, a real-time roaming system of virtual campus has been designed and implemented. In this paper, the main aim is to explore a new idea for digital campus construction. Keywords: Virtual Reality; VR-Platform; Digital Campus

三维虚拟校园漫游系统设计* 杨宏艳,史卓,钟艳如 桂林电子科技大学 计算机科学与工程学院,广西 桂林 541004 摘 要:随着虚拟技术的日益成熟,三维虚拟校园漫游系统作为学校对外宣传的有效平台是数字化校园建设的核心。以桂 林电子科技大学东校区为例,结合三维仿真技术 3DS max 实现了虚拟校园的三维模型。运用 VR-Platorm 开发引擎,结合 SQL Server 数据库连接设计并实现了三维虚拟校园漫游系统。实现了自主漫游、按目的地自动生成漫游路径、定位鸟瞰 等功能。实验结果表明:经过改进的场景优化技术,系统在普通 PC 机上运行稳定、流畅、高效。 关键词:虚拟现实;VR-Platform;数字校园

引言 20 世纪 80 年代美国人 Jaron Lanier 首次正式提出了虚拟现实[1](Virtual Reality)概念。自此,这种利用计 算机模拟虚拟世界,提供用户身临其境的视觉、听觉、触觉的感官模拟技术,因其具有感知性、沉浸性、 交互性和构想性的特点,如今已广泛应用于城市规划、文物保护、交通模拟、虚拟现实游戏及远程教育等 领域。“虚拟校园”是随因特网、虚拟现实技术、网络虚拟小区等的发展而产生,是基于现实校园对三维 景观和教学环境数字化模拟的产物。数字化校园虚拟漫游系统是数字校园建设计划的核心平台。当前浙大 率先开发展示了虚拟校园之后,国内众多高校如清华、南京大学、北航、香港中文大学等高等院校纷纷建 立自己的虚拟校园[2-3] 。 通常,三维虚拟校园开发的主要方法是用 ArcGis,SuperMap 和其它具有三维功能的软件进行二次开 发。但这些方法明显的缺点是对开发者的编程水平要求较高,建模代码太长,开发系统不能独立于运行环 境。考虑到以上情况,本文选择 VR-Platform 为开发环境,提出了一种简单实现虚拟校园的方法。这种方法 一方面能利用专业的建模工具 3DS MAX 软件很快实现三维场景模型的建立。另一方面,通过运用 VRP 引 擎高效的模块化的编程能力,能够进行实时渲染和交互控制,减少了建模时间加速了系统开发的进程。另 *

本文受国家自然科学基金(NO.50865003)和广西科学制造系统和先进制造技术开放基金资助(No.K090014)以及新世纪广西 高等教育教改工程项目(No. 2011JGB048)“以工程应用能力为导向的数字媒体技术人才培养模式的探索与实践”基金资助。 - 50 http://www.sjie.org


外,它通过封装发布,能够构建独立于开发环境运行的三维虚拟校园系统。

1

系统设计 桂林电子科技大学分为东、西校区和尧山校区。其中东校区占地 580 亩,其中主教学楼包括十栋主教学

楼和食堂、学生宿舍和体育馆、运动场。三维虚拟校园系统交互设计,主要包括视图操作(平移、旋转、 渲染、光照、雾化、视点变换)、三维漫游(绕点漫游、沿路径漫游、自由漫游)及漫游控制等功能。用 户可以在系统中通过行走,鸟瞰以及选择不同的摄像机视图来多视角观看校园景观。

1.1

开发平台 本系统采用深圳中视典数字科技有限公司独立开发的一款三维虚拟现实平台仿真平台--VR-Plaform。它

提供了三种二次开发方式包括 activeX 插件、脚本方式、c++码源 sdk。该软件特点是可支持多个 MAX 版本 的安装与使用,支持 3dsmax 的高级渲染器,及多种烘焙方式。由于其烘焙后的物体纹理非常清晰,数据量 却小得多,非常利于网络实时传输。因此,考虑到本项目的实际需求,我们选择 VRP sdk 作为游戏引擎来 驱动场景交互。

1.2

总的技术路线 虚拟校园系统主要包括两个部分(整个系统设计流程图见图 1): A. 3D 场景建模; B. 系统交互设计与实现。 素 材 采 集 数 码 相 机 / Googl earth

漫游楼宇介绍

校园景观建模 建 模 : Auto CAD/ 3DS Max/

场 景 模 型 优 化

模型纹理贴图

光照渲染

MAYA

实 拍

V R P 交 互 漫 游 设 计

定位鸟瞰

自动路径漫游

系 统 发 布

自主漫游

实体烘焙 图 1 系统交互平台的总体构建

2 2.1

3D 场景建模关键技术 素材采集与处理 校园场景的二维平面图是建立三维场景模型的基础与依据。因此制作一个准确的场景平面图将会对我

们建立一个场景模型比例正确、大小适中的虚拟校园产生重要作用。制作过程如下: (1) 依据校园平面分布图确定校园大概轮廓,各建筑物、街道、花园分布位置与大小比例,然后通过 Google Earth 卫星影像截图,确定各个建筑物具体的俯视图分布与形状大小,这样就可以绘制出较为精确的 校园平面分布图。 (2) 运用 Auto CAD“直线工具”等勾勒出校园建筑的大致分布区域,然后用同样的方法导入 Google Earth 卫星影像截图,进行更加细致的描绘。将如图 2 所示的虚拟校园建模底图保存为.dwg 格式,然后导入 3DS MAX 中,作为三维虚拟校园建模的底图。 - 51 http://www.sjie.org


2.2

三维模型的创建 学校大部分建筑模型都可用基本几何体通过修改、变形后完成。如果发现建筑物模型是不规则的,这

就需要运用 3Ds MAX 为我们提供的强大修改工具。常用的修改器有 extrude 挤压;lathe 旋转等;建筑物的 模型是不规则的。例如突起、棱角或倾斜等。楼宇模型创建过程中的步骤如下: (1) 对学校各功能区建筑进行建模。楼群的制作可以分为教学区(包括办公楼、教学楼、实验楼等)和 生活区(包括学生宿舍楼、食堂等)。 (2) 对校园内主干道进行建模。这里采用的是环境反衬法,即通过底图空出道路,而在周围附加上草 坪、建筑等模型,这样不仅大大减少了道路建模的工作量。 (3) 对树木、路灯、人物等进行建模。对于树木场景模型,因其树木本身结构复杂,制作时间长,系统 开销增大,所以,我们采用 Billboard 多边形(广告牌技术)利用简单的纹理映射几何绘制手段替代复杂的 几何绘图,仅牺牲了少量的模型真实性,却极大减小模型建模难度和绘制时间。

2.3

纹理贴图 纹理映射是真实感图像制作的一个重要部分,利用它可以不用增加模型的复杂程度就能突出表现对象

的细节,它比基本材质更精确更真实。通常对于大部分的教学楼,其纹理素材是现场拍摄而来。纹理及模 型映射,例如对于整栋楼的窗户和阳台,可以挑选一个正面、平视视角进行拍摄,然后在 photoshop 中进行 调色、仿制图章等命令进行处理。纹理照片以正方形排列为宜,一般像素为 2n,如 128×128、256×256;因 为如果你的纹理大小为 982*618,你要将它应用到 400×400 的物体上,MAX 中要是依照比例就会使纹理变 形[4]。因此对于这些面添加 UVW MAP 修改器,可以修改贴图的重复值、贴图的投影方式,保证相邻两个 面的贴图吻合。如果你想要进行更精确的贴图操作的话可以用“UnwrapUVW”配合“UVWmaping”。

2.4

场景优化 考虑到机器运行负荷及效率,从以下几个方面对场景进行优化。包括:(1)减少模型的面数;对于一些

看不见的面删除,合并同类材质物体。近景树木采用插件生成,远景使用立体交叉平面的视觉树的方法;(2) 压缩模型贴图;(3)利用多边形来创建草坪;(4)减少光源的使用;在渲染动画时候关闭阴影等方法。

2.5

烘焙 烘焙指的是将 MAX 中物体的照明和阴影效果保存到贴图中的过程。因为在虚拟场景中,视角每变化一

度,计算机就要进行大量的计算来算出物体的光影效果。这样势必大大增加了对电脑内存、显卡、处理器 的负荷。 利用 3Ds max 的 render TO texture 功能,烘焙(Tbakeer)出高真实感、高精度的光照贴图减少了电脑系统处 理的工作量,然后通过 Vrp-for-Max 导出插件,将模型与烘焙贴图导出至 VRP 编辑器中。然后在 VRP 中进行 后期调整和编辑(包括贴图色彩的修正、树木的设定、透明贴图设定,动画贴图设定,碰撞的设定,相机的 设定等等)。

3 3.1

虚拟校园 VRP 交互与数据库设计 虚拟校园交互平台功能模块设计 虚拟校园的核心是交互平台设计。根据系统架构,将虚拟校园互动平台分为如下图 2 所示 6 个模块。各

功能模块之间的交互是相辅相成的,主要依靠 Building Blocks 脚本模块化合可视化流程图式脚本,通过创建 按钮热区及对热区设置交互事件来实现。交互平台的各功能模块在虚拟校园系统中的功能主要体现在以下 四个方面: (1)三维场景展示与导航;用户可以选择校园内感兴趣的景点,通过鼠标和键盘以及本系统的功能按钮 - 52 http://www.sjie.org


进行三维漫游。可以改变视点,通过键盘控制漫游高度和漫游方向(前进、后退、左移、右移),同时也 可以按任意角度(通过调节左转、右转、仰视、俯视)进行浏览,还可以控制漫游的速度,以达到最佳观 测效果。通过浏览工具的放大、缩小、移动和旋转等操作全面展示校园三维全景。 (2)数据管理及查询;校园中各重要建筑及景点都关联了相应的属性信息,充分利用了超级链接,能快 速显示被点击物体的多媒体信息,具有双向查询功能。 (3)线路定制飞行;用户可以以第一视角方式,按照预设的固定参观路线和漫游时间在校园三维环境进 行飞行,使得用户能够不依靠面板也能完整地游历校园。 (4)属性查询;快速准确的对建筑物进行检索、查询和定位;系统能让访问者通过点击建筑物关联属性 来了解大学的概况、发展历史、学科设置等情况,从而多方位了解校园的历史沿革发展。

用户界面模块

用户

人机互动模块

建筑物信息查询

查询

数据库模块

虚拟校园交互平台

自由漫游模块

当前位置和 目标位置

校园信息 数据库

自动路径查询

系统封装模块

调用导航功能

其他模块

图 1 系统交互平台的总体构建

3.2

图 2 数据库信息查询

数据库连接 虚拟校园的交互设计过程主要是数据库链接的实现。首先捕获用户点击对象的名称;然后根据对象名

称在 sql 数据库中查找相应信息;将信息在屏幕输出。数据库信息查询流程如图 3 所示[6]: 采用 SQL 数据库连接,需要编写必要的函数接口: g_open_db();//初始化数据 g_close_db();//关闭数据库 Info/name,$ GETVALUE//设置数据标注的脚本支持,对应一条脚本函数 g_show_db_viewer, //弹出属性窗口 g_hide_db_viewer, //隐藏属性窗口 g_fill_obj_props_by_str_id,//设置对象,填充 list g_fill_null , //清空 list

设置数据库的链接的关键代码如下: GetModuleFileName(GetModuleHandle('DbProxy.dll'),@filename,255); //得到 demo 的路径 workdir := filename; workdir := ExtractFilePath(pchar(workdir)); DataModule1 := TDataModule1.Create(Nil); DataModule1.ADOConnection1.Close; DataModule1.ADOConnection1.ConnectionString := 'Provider=SQLOLEDB.1;Password=slei;User ID=sa;Initial Catalog=building;Data Source=localhost'; - 53 http://www.sjie.org


DataModule1.ADOConnection1.Open; result := 0 ; end;

另外,在使用 VRP 中的脚本编辑器编写相应的脚本函数,并进行初始化设置,可以设置为距离触发式 或点击触发式[6-8]。实现数据库信息随时更新。可以在用户交互式漫游时通过点击虚拟校园场景中出现的建 筑提供数据支持。

3.3

VRP 虚拟漫游 在三维场景中漫游需要创建相机动画,因此,在场景中设置了行走相机、旋转相机和飞行相机以实现用

户自由漫游、绕点漫游和空中鸟瞰整个校园。对于真实场景模拟需要设置物理碰撞,对不能穿越的对象进行 碰撞检测。另外在与周围环境交互过程中,需要添加天空盒、太阳光晕、背景音乐使整个场景跟逼真。最后 通过 VRP 编辑器的打包功能,保存设置编程成可执行的.exe 文件,生成虚拟漫游系统(参见图 3、图 4)。

图 3 虚拟漫游系统校园全景 1

图 4 虚拟漫游系统封面

4

结语 随着虚拟现实技术的日益成熟,虚拟校园将增添丰富的内容,教育部在一系列相关的文件中,多次涉

及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园的地位和作用,认为其由浅至深有三个应用层面,分别适应学校不同程 - 54 http://www.sjie.org


度的需求: ①虚拟我们的校园环境供游客浏览。 ②基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化虚拟校园。 ③以学员为中心,加入一系列人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台一部分,如网上 虚拟课堂、虚拟实验室、虚拟社团等。 基于全景图像的虚拟现实界面应用到校园网网页设计中,可以改变传统的单纯基于文本和图形的用户 界面设计,使得通过计算机网络查询和访问校园信息更加方便。基于数字化校园漫游系统不仅是学校对外 宣传的有效平台、为学生了解学校的窗口,而且是数字化校园的重要组成部分,必将成为数字校园的主要 表现形式,为校园规划及管理决策提供有力支持。

REFERENCES [1] 余莉, 王乘. 基于虚拟现实技术的校园数字三维仿真系统[J]. 计算机仿真, 2004, 21(4): 98-101 [2] 龚建华, 林珲, 谭倩. 虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验[J]. 测绘学报, 2002, 31(1): 39-43 [3] 杨键, 耿卫东,潘云鹤, 等. 基于图像的虚拟景观漫游[J]. 计算机辅助设计与图形学报, 2001, 13(3): 229-235 [4] 陈敏, 陈道礼, 魏国前. 虚拟现实技术在校园漫游系统中的应用[J]. 武汉科技大学学报, 2006, 29(4): 407-409 [5] 陈勇, 马纯永, 陈戈. 基 VC/OpenGL 的虚拟海大校园导航系统[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2007, 19(2): 263-267 [6] 陈昊, 洪景新, 陈辉煌. 基于 MultiGen 和 Vega 的场景仿真系统技术[J]. 厦门大学学报, 2005, 44(3): 352-354 [7] 黄小刚, 李伟程. 山西师大主校区三维虚拟校园的建设研究[J]. 山西师范大学学报: 自然科学版, 2008, 22(2): 33-36 [8] 陈涛, 田海晏. 三维校园虚拟现实研究[J]. 北京石油化工学院学报, 2010, 18(2): 45-49

【作者简介】 杨宏艳(1972-),女,汉,讲师,硕

钟艳如(1965-),女,汉,教授,研究方向为新一代 GPS

士,研究方向为教育技术虚拟现实,三

理论及应用,知识工程。 Email: rosezhong@guet.edu.cn

维造型与动画技术。 Email: yhy.gl@126.com

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Design of 3d virtual campus roaming system