【文章內(nèi)容簡介】 沿 的是 美國加州大學， 它 們都擁有世界一流的漫游技術(shù)研究室，研究室里配有許多虛擬現(xiàn)實技術(shù)的設(shè)備，包括功能強大的圖形工作站 、 頭盔顯示器、步行器 、 數(shù)據(jù)手套等。 日本學者 JeaJin Kim發(fā)表論文“虛擬現(xiàn)實機器人的模擬視覺任務(wù)”。主要研究 了如何模擬真實場景到機器人視覺。通過紅綠偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)立體的視覺效果，研究雙目鏡頭和眼球運動實現(xiàn)視角的移動、旋轉(zhuǎn)等變換。 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 2 我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)一直在發(fā)展過程中 ，清華 大學 、 浙江大學、武漢大學 、 中國科技 大學、浙大、西南交通大學等許多大學 和科研院所 都已開展虛擬場景漫游技術(shù)的研究，在三維圖形算法 、 視景技術(shù)、建模方法等方面都取得了重要成果 ]1[ 。中國科技大學運用VR技術(shù)，開發(fā)了幾何光學設(shè)計實驗平臺，它是全國第一套基于 VR的教學軟件。它用計算機制作的虛擬智能儀 器代替價格昂貴、操作復雜、容易損壞、維修困難的實驗儀器。 清華大學羅元博士發(fā)表論文“ 城市道路交通流智能化模擬虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究 ”。該文系統(tǒng)的研究了如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬城市道路交通流，模擬車輛在虛擬環(huán)境中的運動， 提出了基于目的地相互位置判斷的車輛路徑算法 。并且在 北京市海淀區(qū)五道口地區(qū)進行了 實際 驗證和應(yīng)用 。 研究內(nèi)容 通過 AutoCAD軟件進行平面圖矢量化、利用 Photoshop對貼圖進行處理、使用 3dmax建立三維模型， Unity3D進行場景集成烘焙和系統(tǒng)開發(fā)。最終 生成 web文件，放到網(wǎng)上。 論文結(jié)構(gòu) 第一章 緒論。對論文做整體的介紹，包含課題的提出機研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本文的研究工作和創(chuàng)新性。 第二章 虛擬校園漫游系統(tǒng)總體設(shè)計。本章主要闡述系統(tǒng)設(shè)計要求、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和各功能模塊的實現(xiàn)效果。 第三章 數(shù)據(jù)收集與整理。本章主要闡述系統(tǒng)需要收集的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)處理方法。包括 AutoCAD平面圖處理、地形處理、貼圖紋理處理等。 第四章 三維模型的建立。本章闡述了建模的要求，然后對三種建模方式 進行介紹和選擇。分別介紹墻體、屋頂、建筑物、地形的建模方法和如何進行紋理貼圖。介紹了樹木的建模方法和種植方法。 第五章 三維場景的集成。本章主要介紹如何將模型導入到 Unity3D引擎中。通過Unity3D添加燈光、天空盒、粒子系統(tǒng)、動態(tài)時鐘等，對場景進行烘焙處理。 第六章 虛擬場景功能實現(xiàn)。本章主要從算法的角度重點的講述了三維虛擬校園互動三維場景系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。 第七章 結(jié)論與展望。對所做工作進行總結(jié)，指出其中不足，展望下一步研究方向。 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 3 第 2 章 數(shù)據(jù)收集與整理 數(shù)據(jù)處理工具概述 收集各類數(shù)據(jù)是構(gòu)建系統(tǒng)的第一步。收集合理足夠的數(shù)據(jù)可為后期制作提供較大的便利；數(shù)據(jù)的處理是為了進一步符合制作需要，兩者在漫游系統(tǒng)構(gòu)建中占據(jù)較高的地位。 Photoshop 概述 Photoshop 是 Adobe 公司推出的圖像處理軟件。可以利用顯卡的圖形處理能力加速對高清格式視頻的編解碼和播放。 Photoshop 是應(yīng)用領(lǐng)域涉及圖像、圖形、文字 、視頻、出版圖像制作、廣告創(chuàng)意，圖像輸入與輸出與一體的圖形圖像處理軟件，深受廣大平面設(shè)計人員和電腦美術(shù)愛好者的喜愛。 AutoCAD 概述 AutoCAD（ Auto Computer Aided Design）是 Autodesk 公司于 1982 年開發(fā)的自動 計算機輔 助設(shè)計 軟件， 一般用于 二維繪圖、設(shè)計文檔 、 詳細繪制和基本 三維設(shè)計 。 AutoCAD擁 有良好的 用戶界面 ， 可以利用 交互菜單或命令行方式進行各種操作。非計算機專業(yè) 人員也能 根據(jù) 它的多文檔設(shè)計環(huán)境很快地學會使用。在不斷實踐過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，提高工作效率。 AutoCAD 具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種 操作系統(tǒng) 支持的 微型計算機 和工作站上運行。廣泛應(yīng)用于土木建筑、 裝飾裝潢 、城市規(guī)劃、園林設(shè)計、電子電路、機械設(shè)計、服裝鞋帽、航空航天、輕工化工等諸多領(lǐng)域。 3dMax 概述 3DSMAX 全稱 3D StudioMAX，是 由 Autodesk 公司開發(fā)的三維 建模、渲染、動畫制作軟件，是 PC 機上全球使用人數(shù)最多的三維設(shè)計軟件之一。廣泛應(yīng)于 廣告 、 影視 、 工業(yè)設(shè)計 、 建筑設(shè)計 、 三維動畫 、 多媒體制作 、 游戲 、 輔助教學 以及 工程 可視化等領(lǐng)域 ]2[ 。 三維場景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 這次研究的虛擬校園漫游系統(tǒng)是以華北水利水電大學校園為基礎(chǔ)設(shè)計的。華北水利水電大學（簡稱 “華水 ”）坐落于 黃河 之濱的河南省省會 鄭州市 ，是 水利部 與 河南省 人民政府共建，以河南省管理為主的高校。學校具有博士學位授予權(quán)，是河南省重 點建設(shè)骨干高校、全國首批碩士學位授予高校、 中西部高?；A(chǔ)能力建設(shè)工程 高校、教育部第二批 “卓越工程師教育培養(yǎng)計劃 ”高校、河南省唯一具有碩士研究生單獨招考資 格的高校和華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 4 唯一承擔國家 “少數(shù)民族高層次骨干人才計劃 ”高校。主要地物 包括教學院系、行政管理、生活服務(wù)等區(qū)域， 另外還有道路設(shè)施 和花草樹木 等外觀景物。 采集的校園實際場景包括地形，建筑物，外觀景物，整個場景的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖 21所示。 虛 擬 校 園地 形 建 筑 物 景 觀 小 品生 活 區(qū) 教 學 區(qū) 辦 公 區(qū) 綠 化 道 路平 面 地 形 曲 面 地 形食 堂 宿 舍 實 驗 樓 教 學 樓 圖 書 館 圖 21 場 景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)據(jù)收集與整理 數(shù)據(jù)的收集基本是收集與學院相關(guān)的基本資料，包括華北水利水電大學平面圖，其中包涵了道路、運動場、主體建筑物分布等信息。由于龍子湖校區(qū)還處于建設(shè)當中，很多建筑物并沒有實際建成，所以需要收集校區(qū)沙盤模型。根據(jù)沙盤模型完成該部分模型的制作。 （ 1）場景數(shù)據(jù) 收集和整理的場景數(shù)據(jù)包括： 1） 華北水利水電大學平面圖，包括了道路、運動場、主體建筑物分布等信息； 2） 華北水利水電大學平面 CAD 圖。 3） 校園地形信息。校 區(qū)有一塊人工湖，需要獲取人工湖區(qū)域的等高線。 4） 校園沙盤模型。由于該校區(qū)還處于建設(shè)階段，部分建筑物還沒有建設(shè)完成。該部分建筑需要結(jié)合校園沙盤模型和校區(qū)規(guī)劃圖進行建模。如圖 22 所示。 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 5 圖 22 校園沙盤模型 5） 紋理貼圖。主要用于建筑物貼圖、地形貼圖和植物貼圖。此部分用數(shù)碼相機在校園里進行實景拍攝。為了后續(xù)處理方便，盡可能的拍攝正視圖。在拍攝玻璃等材質(zhì)的時候，要注意反光及倒影。窗戶、門、欄桿、花草樹木 等校園元素 大多相同或類似，拍攝時拍攝同一類型的即可， 采集的原始 圖片仍需要進一步的處理。 6） 室內(nèi)全 景圖片。通過數(shù)碼相機獲取室內(nèi)特定區(qū)域的全景圖片。 （ 2）屬性數(shù)據(jù) 屬性信息包括主體建筑物的位置信息、各院系的基本介紹、各院系門戶網(wǎng)站信息、標注信息等。屬性信息的獲取途徑是在學校的門戶網(wǎng)站，通過 XML 存儲于系統(tǒng)中，最終發(fā)布到 Web 端，可以供管理員對信息進行更改查詢。 平面圖 CAD 數(shù)據(jù)處理 學院平面圖較為復雜，中間既涵蓋現(xiàn)有建筑布置等，還保留了原校建筑信息。這需要從中析出現(xiàn)在建筑的平面位置，以及道路、綠化等，以方便后期模型整合。 （ 1）數(shù) 據(jù)分離 根據(jù)華北水利水電大學平面圖，通過 AutoCAD 軟件單獨對圖形的建筑物、道路、綠化等地物進行矢量化，以便后期模型整合。分離出的公共實驗樓和水利學院樓分別如圖 23 和圖 24 所示。 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 6 圖 23 公共實驗樓 圖 24 水利學院樓 （ 2）道路和植被的處理 道路和植被是通過 3dMax 軟件對閉合樣條線進行 “擠出 ”操作完成的。這就要求通過AutoCAD 在進行數(shù)據(jù)分離時，單塊兒植被的輪廓線必須閉合并且線段必須連續(xù)。 （ 3）人工湖區(qū)域地形的處理 人工湖區(qū)域地形存在高低起伏，需要通過等高線進行拉伸。 為了保證起伏地形與平面地形的無縫結(jié)合，繪制的等高線的最外層線必須與地形的邊界完全重合。 紋理貼圖處理 貼圖紋理的好壞，直接決定了所建模型的真實感、系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性流暢性和用戶體驗是否良好。這就需要對拍攝的建筑物照片進行大量的處理。在保證素材顯示質(zhì)量的同時，盡量縮小圖片分辨率，以節(jié)省內(nèi)存；校正前期數(shù)據(jù)采集中存在的拍攝角度傾斜問題；美化處理拍攝時的曝光度和對遮擋的障礙物進行剔除。 收集的紋理貼圖主要包括建筑物貼圖 (建筑物墻面、建筑物頂部磚瓦 )、 植物貼圖 (各種樹木、草地 )、 地形貼圖 (硬化路地面、柏油路地面、人工湖水面 )和 室內(nèi)全景照片。 紋理貼圖的處理包括圖片的傾斜校正、障礙物遮擋剔除、圖片曝光度和分辨率處理、圖片 α通道設(shè)置四個方面。 （ 1）圖片的傾斜校正 收集貼圖的方式是通過數(shù)碼相機在校園內(nèi)拍攝完成。大多數(shù)情況下拍攝照片是站立在地面上拍攝的，由于建筑物比較高，所以需要將相機設(shè)置成仰視狀態(tài)。這樣拍攝出來的照片是經(jīng)過中心投影的，會造成圖片內(nèi)容傾斜形變。需要發(fā)生形變的圖像進行正面處理后，才能作為紋理貼圖使用。 通過 PhotoShop 的 “扭曲 ”功能可以 將圖片進行傾斜校正處理。首先裁剪出需要進行處理的區(qū)域。使用移動工具將圖像拖拽圖像編輯窗口中。 選擇 扭曲命令，將鼠標移至左華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 7 上角的控制點上，按住左鍵拖拽，即可調(diào)整圖像形狀。處理前后的圖片如圖 25 和圖 26. 圖 25 傾斜處理前 圖 26 傾斜處理后 （ 2）障礙物遮擋剔除 很多建筑物周圍會有一些樹木或建筑物，這會導致照片中會有障礙物遮擋。 通過 PhotoShop 的 “仿制圖章工具 ”可以對圖片的某些障礙物進行剔除。處理前后的圖片如圖 27 和圖 28. 圖 27 遮擋處理前 圖 28 遮擋處理后 （ 3）圖片曝光度和分辨率處理 由于拍照用的相機的像素比較高，拍攝出來的圖片的分辨率很大。如果直接用于建筑物貼圖，總體場景模型就會變得很大。在渲染的過程中會消耗更多的內(nèi)存資源，系統(tǒng)運行時容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，直接影響用戶對系統(tǒng)的體驗。所以在不顯著減低模型精度的前提下盡量縮小照片的分辨率和模型貼圖的尺寸，要保證數(shù)據(jù)的正常傳輸以及場景運行的流暢。 （ 4）設(shè)置圖片 α通道 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 8 由 于樹木模型的結(jié)構(gòu)比較復雜，每一棵樹都有很多枝干和樹葉，每一棵真實的三維樹模型都會有幾千個三角形面。而校園場景需要建立大量的植物模型，如果所有的樹木模型都使用真實的三維模型，則整個校園場景模型將變得非常龐大。系統(tǒng)運行時將占據(jù)大量的內(nèi)存資源，直接影響用戶對系統(tǒng)的體驗。所以，對于場景中的樹木模型，應(yīng)該以“十字樹 ”模型為主，部分區(qū)域可以適當?shù)奶砑由倭康恼鎸崢淠灸Ｐ?。在?gòu)建 “十字樹 ”模型時，需要對采集的樹木貼圖進行 α通道設(shè)置。 需要將樹木貼圖的樹木部分保留，調(diào)節(jié)周圍邊緣區(qū)域的透明度使邊緣區(qū)域不可見。這里使用的方法是通 道摳圖。 通道摳圖是非常高效及常用的摳圖方法。大致的過程：用通道摳圖主要要摳出較為復雜的部分，其它部分可以用鋼筆工具來完成，因為鋼筆摳出的邊緣要圓滑很多。先進入通道面板，我們選擇一個樹木與背景對比較大的通道復制一份。然后用調(diào)色工具把背景調(diào)白，再反相。用黑色畫筆擦掉以外的部分即可得到選區(qū)，后面只要把選區(qū)部分復制到新的圖層，再用鋼筆勾出樹木部分即可。處理前后的圖片如圖 29 和圖 210. 圖 29 處理前 圖 210 處理后 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 虛擬校園漫游系統(tǒng)總體設(shè)計 虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計要求 該課題旨在開發(fā)校園的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，讓用戶能夠通過計算機對校園環(huán)境進行瀏覽，對校園信息進行查詢。因此，本系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下需求： （ 1）真實性。在進行三維場景漫游時，系統(tǒng)應(yīng)該盡可能的接近校園原貌，然用戶能夠從各個角度瀏覽校園，產(chǎn)生比較真實的視覺效果，達到身臨其境的感覺。 （ 2）交互性。 在進行三維場景漫游時，用戶可以通過鼠標鍵盤的等外接設(shè)備控制場景的上下左右移動和旋轉(zhuǎn)等操作。能夠進行自主瀏覽。 （ 3）穩(wěn)定性。用戶進行操作時，要保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定流暢的運行。 （ 4）可移植性。系統(tǒng)應(yīng)具備良好的擴展性和可移植性，以便支持多種操作平臺。 （ 5）友好性。系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的友好性，界面友好簡單。能夠讓各個層次水平的人對系統(tǒng)進行操作。 系統(tǒng)架構(gòu)流程圖 為了保證系統(tǒng)能夠滿足上述要求，能夠穩(wěn)定流暢的運行。在采集數(shù)據(jù)時，需要采集豬狗的可用的 數(shù)據(jù)。嚴格篩選數(shù)據(jù)處理、模型處理工具。對場景進行烘焙渲染，保證系統(tǒng)的美觀真實性。系統(tǒng)建設(shè)主要流程如圖 31所示： 圖 31 系統(tǒng)建設(shè)流程 華北水利水電大學畢業(yè)設(shè)計 10 功能模塊 在設(shè)計系統(tǒng)功能模塊時，參考了哈爾濱工業(yè)大學、清華大學等虛擬校園實際案例，選取里面可以實現(xiàn)的功能。在此基礎(chǔ)上，添加了虛擬現(xiàn)實中常用的功能。最終，結(jié)合自身能力水平，設(shè)計出了如圖 32 所示的系統(tǒng)功能模塊圖。 圖 32