【正文】 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。 第二步，建造馬路邊上的花壇。 學(xué)校的綠化一般都是簡潔明快的，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 來實(shí)現(xiàn) 。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。這些圖像有的可能超出屏幕，或部分超出屏幕，這就要進(jìn)行可見性判定和裁剪。但考慮到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存對(duì)大規(guī)模場景來說相對(duì)缺乏，而計(jì)算則是計(jì)算機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)。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。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。由于在烘焙前需要對(duì)場景進(jìn)行渲染，所以貼圖烘焙 技術(shù)對(duì)于靜 幀來講意義不大，這種技術(shù)主要應(yīng)用于游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)里面。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。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。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)。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獲取模型表面的紋理坐標(biāo)。如果把每個(gè)燈都放入內(nèi)存，將造成極大地浪費(fèi)。 可見性判定和消隱技術(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]。第四，灌木的種類也要放多點(diǎn)，一般灌木不能高過樹的三分之一。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)際的位置來擺放。 第一步，建造馬路路面 ， 這部分只 需 要按照實(shí)際數(shù)據(jù)來建 模 。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)提取來得困難。 圖 45 體育館一、二層模型 22 經(jīng)過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。注意到 體育館的主體是一個(gè)近似長方體的形狀的整體，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。 20 首先需要先看清楚 CAD 圖紙，了解 該 圖紙的結(jié)構(gòu)。這就是相似性原理，它是建模的基礎(chǔ)。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)。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表示。 ，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。碰撞檢測主要是指對(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]。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)。其中模型場景的優(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。當(dāng)前， 國內(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。京都的先進(jìn)電子通信研究所 (ATR)正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識(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)語言。 現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已獲得長足的發(fā)展 。他們制定了戰(zhàn)爭綜合演示廳計(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)爭中進(jìn)行了應(yīng)用 [3]。 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、聽覺、力覺、觸覺、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) 。 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]。三維漫游系統(tǒng)是基于三維場景模型的活動(dòng)。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。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。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)。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。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。 6 互動(dòng)娛樂領(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。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。 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)的一種簡單應(yīng)用。其中涉及到計(jì)算機(jī)硬 件問題、地理環(huán)境問題、走樣 (Aliasing)問題、 碰撞檢測問題、模型數(shù)據(jù)量問、 billboard 物體問題等。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。這種方法制作簡單，并且不需要運(yùn)行程序的支持。常用的空間剖分算法有 ： 八叉樹均勻空間分割法、 BSP 樹和 kd樹等 [8]。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖 32所示： 15 圖 32 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架 三維校園漫游引擎作為該系統(tǒng)的核心部分，它主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)將 3ds Max 建立的模型導(dǎo)入引擎，把所有模型組合成一個(gè)校園整體，導(dǎo)入音樂，加載天空、地形以及環(huán)境小品等對(duì)象，構(gòu)建成一個(gè)集音樂與用戶交互的三維校園互動(dòng)系統(tǒng)。坐標(biāo)位置建立場景中各個(gè)模型間的拓?fù)潢P(guān)系。第三步是綜合模型，子模型確立以后，可以根據(jù)系統(tǒng)概略18 模型的結(jié)構(gòu)把子模型綜合為原型的總體精確模型。收集 模型 屬性 信息來建造模型信息 庫，支持用戶在三維場景中查詢模型對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，并支持模型的 單體 顯示。在校園立體模型中 ， 最重要的應(yīng)該是建筑物，其次是校園道路 、 綠地 、 等等。導(dǎo)入的 CAD 底圖為 *.dwg 格式，在 3D max 中的可以看到是由帶有可編輯樣條線修改器（ Spline Editing）的樣條21 線組成的。建筑模型的精確性主要從 建筑物設(shè)計(jì)的 CAD 圖紙來體現(xiàn)。道路是很重要的建筑之一 ， 校園道路路面寬度 6米，路的旁邊是人行道，綠地等，連接著建筑。這一步的主要工作時(shí)向馬路添加進(jìn) 路燈 、 垃圾桶、宣傳標(biāo)語 、行人 等物體。另外，場景中還 可 適當(dāng) 地 放 入椅子、路燈等，增加 場景的真實(shí)感。因?yàn)樾@里的環(huán)境比較素凈典雅，所以一般都是將燈設(shè)置為淡白色 。另外，當(dāng)物體投影在屏幕上所覆蓋的區(qū)域比較小的時(shí)候，沒有必要用該物體細(xì)節(jié)描述非常復(fù)雜的模型去描述它。對(duì)于這些 只是用于 環(huán)境裝飾 的物體 ，并不是 要重點(diǎn)展示的 ，如果都用實(shí)體表示，所帶來的資源耗費(fèi)將是無法接受的。透明紋理的應(yīng)用，大致可以歸納為兩類。30 相對(duì)于前一種方法，它雖然省去 制作 上的麻煩，但是也增加了不少圖形繪制的負(fù)擔(dān) 。 下面主要介紹貼圖烘 焙的步驟： 第一步 ： 對(duì)整個(gè)場景設(shè)置 target direct light（模擬太陽）燈光和 skylight（模擬自然光）燈光來模擬實(shí)際的場景光線。比如項(xiàng)目要求表現(xiàn)夜景，那就要多設(shè)置一些有色彩感的 Omni light使其有夜景人工燈照射的感覺。 (b)渲染前 (b)渲染后 圖 54 交叉面技術(shù) 在現(xiàn)實(shí)世界中，面積極大的馬路路面的紋理都是一樣的，同樣的現(xiàn)象還存在于諸如天 空、水池、草地、廣場地面、建筑的墻面等。對(duì)于這類物體的處理比較麻煩，下面以樹木的透明紋理為例，介紹兩種解決方法。另外，采用紋理映射技術(shù)還可以使遠(yuǎn)方的周圍環(huán)境 (如高山、大海、森林等景物 )簡化為一幅紋理圖像。 所以 在繪制時(shí)，如果一個(gè)物體離視點(diǎn)比較遠(yuǎn)，或者 該 物體比較小，就可以用較粗 略 的 LOD 模型 來 繪制。計(jì)算機(jī)在生成三維場景時(shí)的計(jì)算量很大，三維圖形生成和顯示的實(shí)時(shí)性就成為產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)感覺的首要條件。 第一，樹種要多，不能老是一種樹，免得單調(diào)。 眾所周知，建筑物周圍還有很多修飾物，例如花壇、路燈等 ， 這些修飾物能起到襯托建筑物的作用。經(jīng)過對(duì)校園道路的仔細(xì)觀測研究 ， 發(fā)現(xiàn)這條路大體有三部分組成。一般還必須到建筑物的現(xiàn)場區(qū)勘測實(shí)際建筑的尺寸，確認(rèn) CAD 圖紙是否是最新的，并實(shí)地測量一些感興趣的數(shù)據(jù)。 (a) (b) (c) 圖 44 可編輯樣條線對(duì)象屬性 步驟二，轉(zhuǎn)到樣條線層級(jí)，選擇外圍主體的樣條線，對(duì)其進(jìn)行輪廓操作，這樣可以得到一對(duì)樣條線。這可以通過觀察建筑物的效果圖和到現(xiàn)場觀察來達(dá)到。梧州學(xué)院位于梧州市市郊的丘陵地帶，地形復(fù)雜且面積 相對(duì) 較小。目的和要求不同，模型建造的復(fù)雜度也必然不同。 對(duì)象需要說明的屬性信息不但包括與幾何形狀有關(guān)的信息，例如樓層的高度，還有一些與對(duì)象的幾何形狀無關(guān)的如對(duì)象的名字、對(duì)象的用途等等。地形建?？梢詫⑹占降?資料 如遙感影像 、航拍照片等 處理成 CAD 圖紙 ，然后可以運(yùn)用 CAD 圖紙中的 等高線進(jìn)行 Terrain 生成 CV 曲面。減少內(nèi)存消耗 的方法在會(huì)在 第五 章節(jié)介紹 現(xiàn)階段普遍使用 的四種方法，即可見性判定與消隱 技術(shù) 、 多細(xì)節(jié)層次 (Levels Of Detail)技術(shù) 、實(shí)例技術(shù)和紋理映射 技術(shù) 。 一般來說，模型的多邊形引起走樣主要由下面兩種情況。因此，抑制走樣問題就成 為 漫游系統(tǒng)的重要內(nèi)容。 計(jì)算機(jī)硬件問題 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的三維校園漫游系統(tǒng)是為校園參觀者或?qū)в握咛峁┑囊环N更為便捷的仿真可視化漫游，主要用于幫助不了解校園的參觀者或?qū)в握咴诓坏綄W(xué)校的情況下能對(duì)校園景觀進(jìn)行了解 。信息化時(shí)代的到來，使網(wǎng)絡(luò)虛擬展現(xiàn)有了很大的沖擊性，被廣泛應(yīng)用于房地產(chǎn)、醫(yī)療、教育、軍事航天等領(lǐng)域。從 90 年代初起，美國率先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個(gè)方面：虛擬戰(zhàn)場環(huán)境；進(jìn)行單兵模擬訓(xùn)練；實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)；進(jìn)行指揮員訓(xùn)練。從最初的文字 MUD 游戲，到二維游戲、三維游戲，再到網(wǎng)絡(luò)三維游戲，游戲在保持其實(shí)時(shí)性和交互性的同時(shí)，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加 強(qiáng)。而輸出設(shè)備是由 VR 系統(tǒng)把虛擬環(huán)境綜合產(chǎn)生的各種感官信息輸出給用戶，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的逼真感。這些 特性 使用戶 能夠真正進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)產(chǎn)生 的交互式三維虛擬環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行交流 。 第 四 章介紹場景三維模型的建造，文中對(duì)幾何建模、建模的要求、建模的原則進(jìn)行概要的敘述，并以體育館為例子對(duì)建模的流程和過程進(jìn)行詳細(xì)的描述。 在傳統(tǒng)的 表現(xiàn)方法 中，如果用戶想換個(gè)角度或是換個(gè)高度來觀察對(duì)象，那就會(huì)帶來很多的麻煩，有時(shí)也是難以實(shí)現(xiàn)的。 三維校園漫游系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)開發(fā)的三維校園視覺仿真漫游系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)一個(gè)重要或者標(biāo)志性建筑的時(shí)候， 設(shè)計(jì)者 還可以從上下左右各個(gè)不同的角度來觀察它的美觀性、合理性。 第 六 章為地圖引擎 、用戶界面的制作。 （ MultiSensory） 所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要表現(xiàn)在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境、單兵模擬訓(xùn)練與考核、多兵種聯(lián)合虛擬演習(xí)以及進(jìn)行指揮員的訓(xùn)練等。 80 年代， Jaron Lanier 提出了 “ 虛擬現(xiàn)實(shí) ” VR（ Virtual Reality）的觀點(diǎn) 。該公司生產(chǎn) 的 一系列的商業(yè) VR軟件包，都命名為 Superscape；Divison LTD 公司在開發(fā) VISION、 Pro Vision 和 su— pervision 系統(tǒng)／模塊化高速圖形引擎中，率先使用了 Tmnsputer 和 i860 技術(shù) [4]。 三維校園漫游是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字校園中的具體應(yīng)用 ， 它 運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)結(jié)合三維可視化 模型 在屏幕上顯示校園環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)漫游、人機(jī)交互等功能。例如本人用于開發(fā)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)硬件配置如圖 21所示： 圖 21 計(jì)算機(jī)硬件配置 一個(gè)場景在計(jì)算機(jī)上演示的流不流暢，與場景中的模型個(gè)數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三個(gè)方面的數(shù)據(jù)量系系相關(guān)，用戶只有在前期處理好這三個(gè)方面的數(shù)據(jù)10 量，才不