【正文】 品等對(duì)象，構(gòu)建成一個(gè)集音樂(lè)與用戶交互的三維校園互動(dòng)系統(tǒng)。 系統(tǒng)功能分析 三維校園漫游系統(tǒng)可分為虛擬場(chǎng)景漫游和導(dǎo)航圖兩大功能模塊。常用的空間剖分算法有 ： 八叉樹(shù)均勻空間分割法、 BSP 樹(shù)和 kd樹(shù)等 [8]。 最簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法是對(duì)空間中任意兩個(gè)多面體進(jìn)行相交檢測(cè)。這種方法制作簡(jiǎn)單，并且不需要運(yùn)行程序的支持。如果 該 投影區(qū)域只占屏幕的一個(gè)像素，那么，計(jì)算機(jī)在繪制時(shí)，就要把多個(gè)紋理象素繪制在屏幕上的一個(gè)像素內(nèi)。在三維校園漫游系統(tǒng)中，由于實(shí)時(shí)性的要求，圖形的繪制速度要求不低于每秒 15 幀。 地理環(huán)境問(wèn)題 梧州學(xué)院地處梧州市郊區(qū)的丘陵地帶，地形相對(duì)比較復(fù)雜、高低不平，這給地形建模帶來(lái)很大的困難。其中涉及到計(jì)算機(jī)硬 件問(wèn)題、地理環(huán)境問(wèn)題、走樣 (Aliasing)問(wèn)題、 碰撞檢測(cè)問(wèn)題、模型數(shù)據(jù)量問(wèn)、 billboard 物體問(wèn)題等。 梧州學(xué)院前身是原廣西大學(xué)梧州分校，創(chuàng)立于 1985 年。 現(xiàn)在 流行的網(wǎng)絡(luò)游戲，實(shí)質(zhì)上也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種簡(jiǎn)單應(yīng)用。日本奈良尖端技術(shù)研究生院大學(xué)教授千原國(guó)宏領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于 2020 年開(kāi)發(fā)出一種嗅覺(jué)模擬器，只要把虛擬空間里的水果拉到鼻尖上一聞，裝置就會(huì)在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在嗅覺(jué)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)突破。麻省理工學(xué)院 (MIT)是研究人工智能、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及動(dòng)畫(huà)的先鋒，這些技術(shù)都是 VR 技術(shù)的基礎(chǔ)， 1985年 M1T 成立了媒體實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。我國(guó)在 20 世紀(jì) 80 年代末開(kāi)始進(jìn)行研究， 目前還處于初級(jí)階段。 6 互動(dòng)娛樂(lè)領(lǐng)域作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，它在虛擬現(xiàn)實(shí)的帶領(lǐng)下正高速的發(fā)展。 虛擬現(xiàn)實(shí) 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。這里，虛擬環(huán)境處理器是 VR 系統(tǒng)的心臟，完成虛擬世界的產(chǎn)生和處理功能。 （ Immersion） 沉浸感 又稱臨場(chǎng)感，它是指用戶作為主角存在于 利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維立體模擬環(huán)境中 所 感 覺(jué) 到的真實(shí)程度。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所應(yīng)用的 對(duì)象不同，其作用可表現(xiàn)為不同的形式，例如將某種概念設(shè)計(jì)或構(gòu)思可視化和可操作化，實(shí)現(xiàn)逼真的遙控現(xiàn)場(chǎng)效果，達(dá)到任意復(fù)雜環(huán)境下的廉價(jià)模擬訓(xùn)練目的等。 VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模 擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。對(duì)系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)、需求分析和功能分析，制定和選擇一個(gè)較好的系統(tǒng)方案，從而達(dá)到一個(gè)合理的優(yōu)化系統(tǒng)。因此，三維場(chǎng)景模型的建造是整個(gè) 三維漫游 系統(tǒng)的基礎(chǔ) ， 三維場(chǎng)景模型質(zhì)量 的 高低直接關(guān)系到漫游系統(tǒng)的成敗。它利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)事物細(xì)節(jié)“以假亂真”的描述能力和身臨其境的表現(xiàn)魅力來(lái)展示新產(chǎn)品、設(shè)計(jì)規(guī)劃、以及進(jìn)行空間管理等，能取得很好效果。 本文以三維校園漫游系統(tǒng)為核心展開(kāi)，論述了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的目標(biāo)和功能的實(shí)現(xiàn)，并重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)分析與設(shè) 計(jì)、 3DS MAX 三維建模、紋理映射和地圖引擎制作的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維校園的虛擬漫游和智能導(dǎo)航功能。它為校園規(guī)劃建設(shè)、游客觀光導(dǎo)航、學(xué)校對(duì)外宣 傳等方面提供了一個(gè)智能化的平臺(tái)，為廣大系統(tǒng)用戶提供了極大的便利。三維展示是虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要應(yīng)用。三維漫游系統(tǒng)是基于三維場(chǎng)景模型的活動(dòng)。 第 三 章是系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段。 3 第一章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念 虛擬現(xiàn)實(shí) (簡(jiǎn)稱 VR)， 又稱靈境技術(shù) ， 是以交互性、沉浸性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面 ， 是迅速發(fā)展的一項(xiàng)綜合性計(jì)算機(jī)圖形交互技術(shù) [1]。 從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過(guò)給用戶同時(shí)提供諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作。 但 由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感 器 技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限 于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等幾種 ，其他的感官功能還有待于相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 。 一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心 的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺(jué)系統(tǒng)、以語(yǔ)音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。他們制定了戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演示廳計(jì) 劃、防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、綜合戰(zhàn)役計(jì)劃及虛擬座艙等應(yīng)用環(huán)境，并在核武器試驗(yàn)及許多局部戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行了應(yīng)用 [3]。中央廣播電視大學(xué)，將網(wǎng)絡(luò)學(xué)院具體的實(shí)際功能整合到基于 Inter 的類游戲圖形引 擎中，作為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。 現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已獲得長(zhǎng)足的發(fā)展 。 Loma lAnda 大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的 David Warner 博士和他的研究小組成功地將計(jì)算機(jī)圖形及 VR 的設(shè)備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的問(wèn)題，首創(chuàng)了 VR 兒科治療法。京都的先進(jìn)電子通信研究所 (ATR)正在開(kāi)發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來(lái)識(shí)別手勢(shì)和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入；富士通實(shí)驗(yàn)室有限公司正在研究虛擬生物與 VR 環(huán)境的相互作用，他們還在研究虛擬現(xiàn)實(shí)中的手勢(shì)識(shí)別，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識(shí)別姿勢(shì)，也可以識(shí)別表示詞的信號(hào)語(yǔ)言。 近 年 來(lái) ， 我國(guó)在 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 方向 的 發(fā)展極為迅速，被廣泛的應(yīng)用在城市規(guī)劃、教育培訓(xùn)、文物保護(hù)、醫(yī)療、房地產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)、勘探測(cè)繪、生產(chǎn)制造、軍事航天等數(shù)十個(gè)重要的行業(yè)，全世界的目光都聚焦于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國(guó)的蓬勃發(fā)展。當(dāng)前， 國(guó)內(nèi) 許多高校都已經(jīng)建立起 自己的虛擬校園展示平臺(tái)，并 取得了很好的宣傳效果。在場(chǎng)景的制作及優(yōu)化階段，必須讓三維場(chǎng)景在漫游系統(tǒng)中反復(fù)驗(yàn)證，不斷找出場(chǎng)景所存在的漏洞，并及時(shí)改正直到驗(yàn)證滿意為止。其中模型場(chǎng)景的優(yōu)化紋理映射技術(shù)在第三章和第四章會(huì)有詳細(xì)的介紹。這種“閃爍”現(xiàn)象一般發(fā)生在圖像處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候。然而，當(dāng)景物表面在屏幕上的投影區(qū)域較小時(shí)，就可能有多個(gè)紋理象素被映射到 該 很小的投影區(qū)域內(nèi)。例如采用MipMap 技術(shù)，這種技術(shù)還需要系統(tǒng)運(yùn)行程序的支持 ； 第二種是對(duì)紋理圖像做靈活的處理，來(lái)達(dá)到抑制反走樣的目的。碰撞檢測(cè)主要是指對(duì)于 虛擬空間中的任意兩個(gè)不可刺穿的物體不能存在于相同位置的空間區(qū)域 [6]?？臻g剖分法是將虛擬空間進(jìn)行均勻剖分 ， 然后在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)只對(duì)同一劃分中的物體進(jìn)行碰撞檢測(cè) ， 從而排除不相交的空間節(jié)點(diǎn) ， 減少檢測(cè)次數(shù) ，提高碰撞檢測(cè)效率。 ，讓使用者有 身臨其境之感；導(dǎo)航程序讓使用者了解自己現(xiàn)身在何處以及該如何快速前往目的地。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 構(gòu)建三維校園電子地圖引擎需要按照以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)： ：獲取校園的相關(guān)建筑數(shù)據(jù)以及地理環(huán)境信息； ：從獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)中提取有用信息，建立信息數(shù)據(jù)庫(kù)； ：建立校園場(chǎng)景中的建筑模型、場(chǎng)景小品模型、天空環(huán)境模型和地形模型等； ：使用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入、三維場(chǎng)景的漫游、導(dǎo)航功能。在三維 漫游系統(tǒng)幾何 建模中， 幾何模型 對(duì)象的所 包含 的 信息 內(nèi)容 主要有 以下幾點(diǎn) ： 17 幾何 物體 形狀可以用點(diǎn)、直線或多邊形圖形、曲線、曲面方程等等方法來(lái)表示。為了定量地描述物體的位置及位置的變化，需要在參考系上建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系（ coordinate system）來(lái)確定坐標(biāo)位置。例如，樓房的模型與實(shí)際樓房在外形尺寸、外表紋理等方面的差異要控制在一個(gè)可以接受的范圍之內(nèi)。第二步是對(duì)子模型建模，同樣可以對(duì)子系統(tǒng) 進(jìn)行 進(jìn)一步分解，分析子模型由哪幾個(gè)部件組成。這就是相似性原理，它是建模的基礎(chǔ)。 圖 42 基礎(chǔ)模型場(chǎng)景庫(kù)建造流程 19 模型制作 三維場(chǎng)景要求對(duì)模型的模型數(shù)、面片數(shù)、頂點(diǎn)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，要求做成的模型美觀、逼真，做到“既源于現(xiàn)實(shí)而又超越現(xiàn)實(shí)”，讓 人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。 20 首先需要先看清楚 CAD 圖紙，了解 該 圖紙的結(jié)構(gòu)。 層分好后就可以根據(jù)調(diào)繪的結(jié)果進(jìn)行三維立體建模 ， 在建模的過(guò)程中應(yīng)遵循先主體后細(xì)節(jié)的原則進(jìn)行。注意到 體育館的主體是一個(gè)近似長(zhǎng)方體的形狀的整體，在主體 的東、南、北面 各有一個(gè)突起，作為 體育 館的東、 南、北 門(mén)。 步驟一，根據(jù) CAD 底圖將其轉(zhuǎn)化為立體模型。 圖 45 體育館一、二層模型 22 經(jīng)過(guò)擠出后的樣條線屬性變?yōu)?三維模型，運(yùn)用同樣的方法制作出三到六層的外圍主體模型，最 后 得到的效果如圖 46 所示。 這樣就能充分利用 計(jì)算機(jī)硬件的 有限內(nèi)存。按照前面做的需求分析，重要性程度不同的建筑物的建模的要求是隨著重要性的遞減而下降的； 正在建造或未建造的建筑的紋理數(shù)據(jù)提取比已經(jīng)建造好的建筑紋理數(shù)據(jù)提取來(lái)得困難。下面以校園主干道的建造為例來(lái)說(shuō)明建造道路的一般過(guò)程。 第一步，建造馬路路面 ， 這部分只 需 要按照實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)建 模 。 第三步，對(duì)馬路進(jìn)行修飾。如果不是特別需要，一般對(duì)這些裝飾物的建模不要求完全符合實(shí)際的尺寸，也不一定按照實(shí)際的位置來(lái)擺放。體現(xiàn)在場(chǎng)景里的樹(shù)種多，樹(shù)的高度配合恰當(dāng)，灌木起到了點(diǎn)綴的作用。第四，灌木的種類也要放多點(diǎn)，一般灌木不能高過(guò)樹(shù)的三分之一。另一種是用面加貼圖的方式建立花園燈，運(yùn)用 3DS MAX 建立這種花園燈的方法就相對(duì)簡(jiǎn)單很多，只要?jiǎng)?chuàng)建適當(dāng)?shù)拿嫫?，上面賦予 不 透明紋理貼圖 就可以建立出真實(shí)的花園燈 。 可見(jiàn)性判定和消隱技術(shù) 消隱是指在計(jì)算機(jī)繪制立體圖形時(shí)，只顯示透視關(guān)系中能夠看得見(jiàn)的部分，不顯示被遮擋的線段或平面，從而使繪制的圖形符合透視關(guān)系并具有立體感的繪圖方法 [9]。 當(dāng)物體越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，物體變得越來(lái)越模糊，人們不再能看 清該物 體上的許多細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。如果把每個(gè)燈都放入內(nèi)存，將造成極大地浪費(fèi)。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，28 存在著大量不規(guī)則的物體，例如 墻壁、 樹(shù)木、花草、柵欄、廣告牌、路燈、雕塑等。利用投影紋理映射技術(shù)可以將紋理圖像直接投影到三維模型的幾何表面來(lái)獲取模型表面的紋理坐標(biāo)。所謂融合技術(shù) (blending)指通過(guò)指定源和目的地顏色值相結(jié)合的融合函數(shù)，最后的效果使部分場(chǎng)景表現(xiàn)為29 半透明。在實(shí)現(xiàn)中，轉(zhuǎn)動(dòng)方式要符合以下條件 ： 在 XOY 平面上隨 BillBoard 著視點(diǎn)的位置變化繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，四邊形始終平行于 Z 軸，并始終朝向視點(diǎn)。這種技術(shù)遠(yuǎn)看效果好，但它近看效果不好，容易看出破綻。一般情況下，基元的大小都比較小一些，可以取 64*64，或 128*128，在進(jìn)行紋理設(shè)置的時(shí)候可以將紋理的大小設(shè) 置成 20*20，這樣即可以滿足紋理拼接的需要。貼圖烘焙技術(shù)是在平時(shí)做虛擬現(xiàn)實(shí)的時(shí)候經(jīng)常用到，也就是將模型在場(chǎng)景中的光影效果渲染到物體的表面，作為一張貼圖貼到物體上，這樣就比一張貼圖效果要好的多。烘焙的意義所在就在于，實(shí)際的燈光刪除，模型仍然有強(qiáng)烈的光感和體感。 第二步 ： 為讓模型更具有厚重感和體量感，對(duì)模型進(jìn)行光能傳遞計(jì)算，使模型上的光感更細(xì)膩，更真實(shí)。由于在烘焙前需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲染，所以貼圖烘焙 技術(shù)對(duì)于靜 幀來(lái)講意義不大，這種技術(shù)主要應(yīng)用于游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)里面。對(duì)于這種有著大量重復(fù)的紋理，可以采用紋理的拼接技術(shù)。它的缺點(diǎn)是，如繞著 BillBoard 的面快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以看出這個(gè)面在轉(zhuǎn)動(dòng)，從高空看效果也不好。 第一種方法是公告牌 (BillBoard)技術(shù)。借助專業(yè)建模軟件，對(duì)復(fù)雜模型表面進(jìn)行紋理映射，不但 可以提高模型的真實(shí)感，而且降低了模型的復(fù)雜度。進(jìn)一步講，紋理還可以用來(lái)模擬許多難以制作的光照效果，如聚光燈、陰影燈等光照效果。但考慮到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存對(duì)大規(guī)模場(chǎng)景來(lái)說(shuō)相對(duì)缺乏，而計(jì)算則是計(jì)算機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)。反之，如果一個(gè)物體離視點(diǎn)比較近，或者物體比較大，就必須用較精確的 LOD 模型來(lái)繪制。這些圖像有的可能超出屏幕，或部分超出屏幕，這就要進(jìn)行可見(jiàn)性判定和裁剪。圖像的生成速度主要取決于圖形處理的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，特別是硬件加速器的圖形處理能力，以及圖形生成所采用的各種加速技術(shù)。大的路燈是大型照明燈，高達(dá) 10 米左右；小的路燈是草坪邊的花園燈，只有 3米左右。第二，如果不是在大馬路邊，樹(shù)不要種得整整齊齊，要靈巧的擺放，使其盡量看起來(lái)自然。 學(xué)校的綠化一般都是簡(jiǎn)潔明快的，主要是一 些 純綠色的小草， 可以 在多邊 形物體 表面上 直接貼上處理好的草坪的紋理 來(lái)實(shí)現(xiàn) 。一般來(lái)說(shuō)，越重要的建筑周?chē)男揎椌驮阶屑?xì)，越逼真。 第二步，建造馬路邊上的花壇。這三部分分別是馬路路面、花壇 (包括花壇上的樹(shù)木、路燈、花園燈 、灌木、草地 )、其他 (包括宣傳廣告牌 、垃圾桶 等 )。 道路的建造是地形建造的延續(xù)，地形建造只是把各種諸如馬路、橋梁、綠地24 等地形大體位置描出來(lái)。建筑模型具有豐富的細(xì)節(jié)，主要從建模的細(xì)致程度來(lái)體現(xiàn)。 23 圖 48 體育館模型 至此， 就完成 了 體育館的三維 簡(jiǎn)體 模型的建立。給其增加一個(gè)擠出修改器，擠出高度為 10米，得到體育館一、二層的主體。將調(diào)查到的樓房的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。然后，查看建筑物的尺寸數(shù)據(jù)，這主要通過(guò)看建筑物的 CAD 圖或其他設(shè)計(jì)圖紙。 AutoCAD 提供數(shù)據(jù)的分層管理功能，可以將數(shù)據(jù)根據(jù)屬性進(jìn)行細(xì)致準(zhǔn)確的分層。如圖 43 所示，校區(qū)可分為 7 塊重點(diǎn)區(qū)域，分別是： 1 主教學(xué)樓； 2實(shí)驗(yàn)樓區(qū)； 3 學(xué)生生活區(qū)； 4 校園綠化帶； 5 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)； 6 圖書(shū)館；