【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 我國(guó) VR 技術(shù) 的 研究起步較晚，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家 還有 有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國(guó)家 相關(guān) 部門(mén)和科學(xué)家們的高度重視，并根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，制定了開(kāi)展 VR 技術(shù)的研究計(jì)劃。九五規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把 VR 列入 研究項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)院校，已積極投入到 這一領(lǐng)域的研究工作。 北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行 VR 研究、最有權(quán)威的單位之一，著重研究虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺(jué)接口方面開(kāi)發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及實(shí)現(xiàn)方法；實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán) 境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境、用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)等。 浙江大學(xué) CADamp。CG 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出 一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，還研制出 在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算8 法；哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出人的高級(jí)行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動(dòng)的合成等技術(shù)問(wèn)題；清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場(chǎng)感的方面進(jìn)行了研究；西安交通大學(xué)信息工程研究所對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù) —— 立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究，提出 一種基 于 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼新方案，以獲得 較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度。 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。 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。 本課題的研究背景及意義 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息管理的數(shù)字化和實(shí)物模型的虛擬化已成為當(dāng)今世界非常重要的技術(shù)應(yīng) 用領(lǐng)域。信息化時(shí)代的到來(lái)，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。 當(dāng) 前 ，各個(gè) 高校 都 在大力宣傳 校園建設(shè) 和 推廣數(shù)字化校園理念 ， 但是， 僅靠傳統(tǒng)的學(xué)校網(wǎng)站、論壇（ BBS）等是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 一個(gè)高校怎么才能擴(kuò)大自己的知名度 ， 給 人們以更加直觀的方法去了解學(xué)校 自身 的 真實(shí) 景觀 。 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。 它具有校園對(duì)外宣傳的功能 ， 給普通用戶搭建一個(gè)了解校園的良 好平臺(tái) ， 使用戶可以全面直觀地了解校園 ， 對(duì)校園的各種景觀建筑的屬性進(jìn)行查詢。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。 梧州學(xué)院前身是原廣西大學(xué)梧州分校，創(chuàng)立于 1985 年。 2020 年 2 月經(jīng)教育部批準(zhǔn)，在原廣西大學(xué)梧州分校的基礎(chǔ) 上 建立梧州學(xué)院，是一所多科性的地方全日制普通高等本科院校。 作為廣西的 10 幾所本科院校之一 ， 梧州學(xué)院 在其 26 年的建校 歷程中，得到了社會(huì)各界的廣泛 認(rèn)可 。虛擬校園的開(kāi)發(fā)建設(shè)正是將學(xué)院 26 年的 發(fā)展 歷史 呈現(xiàn)于世人面前，讓外界人士 了解 校容校貌 。 同時(shí)對(duì)學(xué)校的外宣、招生、校容校貌的展示起到 強(qiáng)有力的輔助 性作用 ，為 信息化、 數(shù)字化校園工 程建設(shè)打下基礎(chǔ) 。 本系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)有助于 開(kāi)展 校園 虛擬場(chǎng)景的導(dǎo)航與展示，也可用于校園建設(shè)的規(guī)劃 管理 ， 另外對(duì) 有關(guān)三維建模、場(chǎng)景漫游、 人機(jī) 交互、虛擬小區(qū)、虛擬城市 等方面 的 進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)也起到初步的示范作用 。 9 第二章 技術(shù)難題及解決方法 在三維場(chǎng)景 的建造過(guò)程中，比較大的問(wèn)題往往出現(xiàn)在場(chǎng)景的制作階段和最后的場(chǎng)景優(yōu)化階段。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。下面介紹利用 3DS Max 建模軟件在梧州學(xué)院三維場(chǎng)景過(guò)程中遇到的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題和解決方法。 計(jì)算機(jī)硬件問(wèn)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 。由于系統(tǒng)面向的用戶是廣大的基礎(chǔ)用戶，計(jì)算機(jī)硬件配置并不高，為 達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于 15 幀 /秒，最好高于 30 幀 /秒。這給系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)提出一個(gè)考驗(yàn)：在不影響系統(tǒng)畫(huà)質(zhì)的情況下怎樣才能讓系統(tǒng)在硬件配置不高的計(jì)算機(jī)上順暢運(yùn)行。例如本人用于開(kāi)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(chǎng)景在計(jì)算機(jī)上演示的流不流暢，與場(chǎng)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，才不會(huì)導(dǎo)致后期模型在演示時(shí)出現(xiàn)卡、頓現(xiàn)象。為此，本系統(tǒng)使用的主要的解決方法有：做簡(jiǎn)模、模型場(chǎng)景的優(yōu)化、合理分布模型的密度、刪除看不見(jiàn)的面、用紋理映射技術(shù)表現(xiàn)復(fù)雜造型等 。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。 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。為了解決 該 問(wèn)題， 將 水平高度差不大的校園面積規(guī)劃為同一高度，這就可以根據(jù)實(shí)際情況將學(xué)院校區(qū)面積分為三個(gè)高度平面，如表 21所示 。 表 21 校園的三個(gè)高度平面 水平高度 包含的校園面積 0 米 體育館、綜合教學(xué)大樓（包括大草坪）、一棟、行政樓、校 門(mén)、教室宿舍區(qū) 5 米 A1A4 宿舍區(qū)、 A10 宿舍、實(shí)驗(yàn)樓區(qū)、桃花島部分、舊食堂、籃球場(chǎng)、 綜合樓 10 米 足球場(chǎng)、風(fēng)雨球場(chǎng)、新食堂、 A5A9 宿舍區(qū)、環(huán)山大道 18 米 圖書(shū)館 由此，校園的地理環(huán)境就可以確定下來(lái)。 走樣 (Aliasing)問(wèn)題 在光柵圖形顯示器上繪制非水平且非垂直的直線或多邊形邊界時(shí) ， 或多或少會(huì)呈現(xiàn)鋸齒狀或臺(tái)階狀外觀。這是因?yàn)橹本€、多邊形、色彩邊界等是連續(xù)的 ， 而光柵則是由離散的點(diǎn)組成 ， 在光柵顯示設(shè)備上表現(xiàn)直線、多邊形等 ， 必須在離散位置采樣。由于采樣不充分重建后造成的信息失真 ， 就叫走樣 (aliasing)[5]。 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，所謂“走樣現(xiàn)象”指的是， 計(jì)算機(jī) 在 實(shí)時(shí)繪制圖像時(shí)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屏幕某些區(qū)域不斷“閃爍”的現(xiàn)象。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。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。這就意味著圖形處于不斷的“運(yùn)動(dòng)”狀態(tài)中。因此，抑制走樣問(wèn)題就成 為 漫游系統(tǒng)的重要內(nèi)容。 從圖形顯示的效果來(lái)看，圖形走樣大體可以分為：紋理走樣、幾何模型走樣。下面針對(duì)這兩種情況分別加以分析，并提出可行的解決辦法。 11 紋理走樣 紋理映射通常涉及到將一幅紋理的象素映射到不同大小的景物表面上。當(dāng)各屏幕像素中的可見(jiàn)曲面區(qū) 域與紋理象素大小相匹配時(shí)，它們之間形成一對(duì)一的映射。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)。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)。當(dāng)計(jì)算機(jī)繪制的圖像是靜止的時(shí)候，計(jì)算機(jī)在 該 像素點(diǎn)內(nèi)只繪制多個(gè)紋理象素的其中一個(gè)，不會(huì)發(fā)生走樣現(xiàn)象。問(wèn)題是，當(dāng)繪制的圖像是處于“運(yùn)動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)在 該 像素點(diǎn)內(nèi)不斷更替多個(gè)紋理象素，就發(fā)生走樣現(xiàn)象。 例如，將一黑白方格的圖案映射到一景物表面，當(dāng)景物離視點(diǎn)很遠(yuǎn)并使景物在 屏幕上的投影只覆蓋一個(gè)像素時(shí)，則計(jì)算機(jī)在繪制 該 像素時(shí)， 該 像素的顏色將完全是黑或完全是白色。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的閃爍變形現(xiàn)象。 對(duì)紋理走樣的對(duì)策，主要有兩種方法。第一種是采用反走樣技術(shù)。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。這種方法制作簡(jiǎn)單，并且不需要運(yùn)行程序的支持。 幾何模型走樣 模型走樣是相對(duì)于模型的紋理走樣來(lái)說(shuō)的，它是指因模型的多邊形有問(wèn)題而引起的走樣 。 一般來(lái)說(shuō)，模型的多邊形引起走樣主要由下面兩種情況。第 一種情況是模型中存在著凹多邊形；第二種是模型中的多邊形存在著“面與面相交重疊”的問(wèn)題。針對(duì)這兩種情況，常用的解決方法有： “三角化”處理； 。 碰撞檢測(cè)問(wèn)題 隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 碰撞檢測(cè)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、 三維漫游、場(chǎng)景仿真 等研究領(lǐng)域的重要組成部分。進(jìn)行精確的碰撞檢測(cè) ， 對(duì)于提高虛擬環(huán)境的沉浸感有著至關(guān)重要的作用 ， 而虛擬環(huán)境自身的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性對(duì)碰撞檢測(cè)提出更高的要求。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]。 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)。如果對(duì)構(gòu)成物體的基本幾何元素進(jìn)行碰撞檢測(cè) ， 那么復(fù)雜度將達(dá)到 O(n2)， 顯然很難滿足碰撞檢12 測(cè)的實(shí)時(shí)性要求。因此 ， 減少相交測(cè)試的對(duì)象數(shù)目 ， 提高算法的實(shí)時(shí)性成為碰撞檢測(cè)的核心問(wèn)題 [7]。目前主要的碰撞檢測(cè)算法有 3類(lèi) ： 包圍盒層次法 [8]、 空間剖分法和距離向量法。 層次包圍盒法是碰撞檢測(cè)中普遍使用的一種方法?；舅枷胧?： 用體積略大而幾何特征簡(jiǎn)單的包圍盒來(lái)近似地描述復(fù)雜的集合對(duì)象 ， 通過(guò)構(gòu)造樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)來(lái)逼近對(duì)象的幾何模型 ， 進(jìn)行測(cè)試時(shí)只對(duì)包圍盒重疊的部分進(jìn)行進(jìn)一步相 交測(cè)試 ，從而可以大大減少參與檢測(cè)的包圍盒數(shù)目。主要的包圍盒算法有 ： 軸向包圍盒 ( AABB )、包圍球 ( Sphere)、方向包圍盒 (OBB)、離散方向多面體 (KDop)、固定方向凸包 (FDH)?？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。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]。 模型 數(shù)據(jù)量問(wèn)題 建造大規(guī)模場(chǎng)景，就必然要求盡量減少內(nèi)存的消耗來(lái)提高漫游速度。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(jiàn)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) 。 13 第 三 章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 問(wèn)題描述 設(shè)計(jì)一個(gè)三維校園漫游程序，為用戶提供校園三維實(shí)景的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)仿真并提供基礎(chǔ)的導(dǎo)航程序。 ，包含全校所有重點(diǎn)建筑。對(duì)各個(gè)建筑進(jìn)行三維仿真建模，最大程度還原原有的實(shí)際景觀。 ，其中包括流水、行車(chē)、太陽(yáng)、天空、霧效等。 ，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)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。該系統(tǒng)根據(jù)梧州學(xué)院的各個(gè)場(chǎng)所、建筑和景點(diǎn)而設(shè)計(jì)，它的建立方便用戶了解梧州學(xué)院里的各個(gè)場(chǎng)所和景點(diǎn)以及學(xué)校的一些相關(guān)信息。通過(guò)該系統(tǒng)，用戶不但可以有選擇性地對(duì)學(xué)校的景點(diǎn)和場(chǎng)所進(jìn)行走訪和參觀，還可以查詢了解學(xué)校各種不同的具體路線，更重要的是通過(guò)該系統(tǒng)可以讓用戶迷路情況下找到想前往目的地 ，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程 如圖 31 所示 。 圖 31 系統(tǒng) 流程圖 14 ：用 戶可以隨意選擇校園中的景點(diǎn)和參觀路線，開(kāi)啟或關(guān)閉音樂(lè)，并通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)來(lái)漫步并且改變視點(diǎn)； ：提供常用的三維操作，包括三維放大、三維縮小、三維平移和三維環(huán)游等功能，通過(guò)三維地圖的操作可以直觀的將校園環(huán)境展現(xiàn)給用戶； ：該模塊包括查詢定位和周邊查詢，通過(guò)定位功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園具體地物在地圖上的定位 ，通過(guò)對(duì)周邊建筑場(chǎng)景的查詢 可以可以讓用戶迷路情況下找到想前往目的地； ，如碰撞檢測(cè)機(jī)能，杜絕 “穿墻而過(guò)”這類(lèi)違背現(xiàn)實(shí)情況 的 發(fā)生 ； ，比如 霧效、太陽(yáng)光暈 等 ； ，簡(jiǎn)單介紹各棟建筑的功能、場(chǎng)地信息。給不了解學(xué)校的來(lái)訪者或用戶提供方便。 信息需求分析 由于校園面積比較大且地形、建筑復(fù)雜多樣，所以給校園建筑模型的比例數(shù)據(jù)、貼圖數(shù)據(jù)、布局位置等數(shù)據(jù)的采集帶來(lái)較大的困難。向?qū)W院相關(guān)部門(mén)索取資料和自己的就地取材后，得到以下材料： CAD 地形圖； ； 、復(fù)雜地形基本幾何數(shù)據(jù)； ； 、植被基本綠化數(shù)據(jù)； 、樹(shù)木、植被、文字等紋理 (可以 用數(shù)碼相機(jī)采集然后用圖像處理軟件進(jìn)行處理 )。 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。 系統(tǒng)總