1、1三维数字校园建设的关键技术研究摘要：虚拟现实技术作为信息科学的一门新兴学科正日益成为当前研究的热点，将虚拟现实技术应用到数字校园的建设，能把学校建设成面向校园和社会的一个超越时间和空间的虚拟数字大学。本文在分析研究虚拟现实技术及相关理论的基础上，通过三维建模、场景优化、虚拟现实技术等技术，融合面向对象编程技术以 Visual C+和 Open Inventor 为开发工具设计实现了三维数字校园，并对相关技术进行了讨论。 关键词：数字校园； 虚拟现实； 三维建模； Open Inventor 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 “数字校园”作为“数字地球”在校园区域的具
2、体应用，就是利用先进的信息化手段和工具，将校园信息按地理坐标组织构建一个数字空间，使得人们犹如现实一样不仅可以实时浏览校园基本信息，还可以对校园三维景观进行放大、缩小、查询分析和校园漫游。目前，国内数字校园的信息化建设已经过了长时间的发展，数字校园的构建及发布已成为可能。本文着眼于将当前较为成熟的三维建模技术、虚拟现实及相关技术整合在一起，构建出一个具有人机交互、查询功能的数字校园系统，这对最终实现校园教育过程的全面信息化有实际意义。 2 系统的结构设计思想（功能描述） 2数字校园系统的构建与其所要建设的内容息息相关。它是以虚拟现实技术为核心，综合利用先进高效的数据采集技术、三维模型重建技术和
3、计算机可视化技术而实现的。为了实现系统三维动态可视化及实时浏览的特点，本系统主要设计了数据载入、实时浏览、属性信息查询和多媒体控制四大功能模块：（1）数据载入模块根据建筑、道路、辅助设施逐层级完成场景数据文件的读取；（2）实时浏览主要功能是通过鼠标键盘等外部设备的输入，用户可控制调节浏览的速度、视点位置、观察视角，实现多方位角度的观察；（3）属性信息查询模块提供了场景中三维实体对象的属性信息查询以满足用户信息查询的需要；（4）多媒体控制模块主要是通过语音介绍功能增强用户在系统环境中漫游时的体验感和沉浸感。 3 系统的实现 3.1 平台的选择 Open Inventor 是一种交互式的和面向对象
4、的三维图形软件开发包，该系统为用户提供了大量便利的三维图形元素、组件以及对象操作的方法 阎锋欣，侯增选，张定华，等.Open Inventor 程序设计从入门到精通.北京:清华大学出版社，2007，可以完成基本三维对象的显示、选择与交互等功能，还能够完美支持三维音效、三维纹理和多处理器并行渲染技术，正逐渐成为三维图形应用程序开发的标准。鉴于以上优势，本文在对校园场景详细分析的基础上，采用 Open Inventor 技术进行海量三维模型数据的高效管理和先进的三维动态展示及强大的计算功能之间的交互，这是开发数字校园漫游系统建设的最优选择。 33.2 数据准备 本文中使用的素材主要来源于校园的实地
5、数据，包括图纸资料、实地勘探采集数据、纹理照片数据。其中图纸资料主要包括校园的平面图，部分建筑物的三视图（主视图、俯视图、左视图） ，校园规划设计图等图纸资料；实地勘探采集数据主要是利用全站仪、三维激光扫描仪、摄影测量等测量技术获取高精度实地数据；而纹理素材直接关系到后续三维场景模型的逼真度效果，因此本文利用已有照片或直接通过数码相机对校园对象取景拍摄获得。 3.3 三维模型构建 欧洲实验摄影测量组织 OEEPE 在 1994 年的调查表明，90%以上的用户对建筑物数据感兴趣，70%以上的对交通网络和植被数据感兴趣，30%以上的对公用与电信设施数据感兴趣 朱庆，李宗华.三维城市建模的若干工程问
6、题探讨:第四届海峡两岸 GIS 发展研讨会暨中国 GIS 协会第十届年会. 中国云南，2006，200204。因此本文将建筑物作为数字校园建模最重要的对象，再根据地物在校园中的实际地理位置坐标、大小、朝向和纹理结构等建立可构成虚拟校园环境的 3 维地物对象库。校园中建筑物对象主要通过几何建模的方法构建三维模型，对于规则建筑根据建筑的结构特征和建模精度要求选用基于 3Ds Max 的人机交互式建模、基于近景摄影测量的建模，对于结构复杂的建筑使用三维激光扫描技术采集三维数据，再利用基于点云的建模技术构建三维模型。整个建模流程如图 1 所示。 4图 1 建模流程图 类似于邮政桶、路灯等规则物体的建模
7、主要采用公告板（billboard）技术，即将一副带有 alpha 通道的贴图映射到一个平面上，用户浏览过程中根据视线的方向不断旋转调整平面的角度，保证该平面的法向量始终与观察者的视点向量成 180角。而树木、花草等重复出现的不规则物体，本文利用一种改进的建模方式 Doubleboard 技术，采用两个同样大小互相垂直的平面为建模基础，再在这两块薄面片上分别映射相同的具有 alpha 通道的纹理贴图。这种技术保证用户在远处的时候，无论从什么角度都可以看到相同的树木图像，且模型的复杂度和文件大小没有明显增加。两种方法中纹理图像大小调整的原则均是数据量不宜过大，同时不能过于失真，最好通过场景调试确
8、定 施育等.VRML2.0使用速成.北京：清华大学出版社，1998。 为了逼真地表现整个校园的环境，需以校园场景为中心添加逼真的大地和天空以及远处的建筑物等背景图。分析整个校园环境分布后发现校园主干道在整个校园中起到基线的作用，本文以学校校园总体图为底图利用 SketchUp 勾勒出校园的主干道，再以此为基础根据各对象空间相对位置关系将场景组织到一起的，为数字校园系统添加如同自然界的天空球体和地面。 3.4 纹理映射 纹理作为物体表面的细节，可直观改变场景中对象的表达效果。对于距离观察者较远区域及用户不能交互操作的对象物体，可以用纹理表达取代复杂的几何模型 Sander Pedro V., G
9、u Xianfeng, Gortler 5Steven J., et al. Silhouette Clipping: Proceedings of SIGGRAPH 2000, ACM, 327334，这种技术很好地平衡了场景的真实感和实时性。对于建筑顶部可以利用航空正射影像或高分辨率航片提取建筑物顶部信息，没有航空正射影像的，可以采用相近纹理代替；如果某些地方不易获取，则通过获取局部，再通过图像处理软件进行拼接。考虑到拍摄的原始图像存在图像倾斜、变形、色调不一致等问题，需对这些像片进行预处理和正射纠正。本文主要通过 Photoshop 专业图像处理软件对采集的图像进行处理。图 2 是校园某
10、建筑纹理贴图前后对比图，左侧模型为白模，右侧模型是使用了铁锈、墙砖纹理图片后的效果图。 图 2 使用纹理映射前后的效果图 4 系统分析 该系统实现了校园三维景观的可视化仿真，是基于现实校园的三维虚拟环境，与传统的二维校园图形相比更加直观、生动、逼真。在漫游过程中，鉴于灵活性和实用性的特点，重点实现了校园场景三维模型的创建、纹理映射等优化操作，并通过键盘鼠标控制，实现前后左右的平移、视点变换、俯仰以及角度旋转等动作。图 3、图 4 分别为视点在竖直面、水平面内不同角度观察到的场景效果。 图 3 俯仰效果演示 图 4 水平面旋转效果图 65 结束语 本系统实现了数字校园的构建，研究了数字校园中模型
11、构建的主要流程和优化，大范围场景可视化技术以及三维场景的集成浏览等问题。随着虚拟现实技术与虚拟地理环境学科的逐渐成熟，三维数字校园还需要增添更加丰富的内容，系统的功能将会进一步得到完善。通过现代化手段，三维数字校园系统还可以实现学校教学、科研、管理等活动的全过程，从而达到提高教学质量、科研水平和管理水平的目的。 1 阎锋欣，侯增选，张定华，等.Open Inventor 程序设计从入门到精通.北京:清华大学出版社，2007 2 朱庆，李宗华.三维城市建模的若干工程问题探讨:第四届海峡两岸 GIS 发展研讨会暨中国 GIS 协会第十届年会. 中国云南，2006，200204 3 施育等.VRML2.0 使用速成.北京：清华大学出版社，1998 4 Sander Pedro V., Gu Xianfeng, Gortler Steven J., et al. Silhouette Clipping: Proceedings of SIGGRAPH 2000, ACM, 327334
