【文章內(nèi)容簡介】 原國宏領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于 2020 年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果拉到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在嗅覺研究領(lǐng)域的一項突破。 我國 VR 技術(shù) 的 研究起步較晚，與國外發(fā)達國家 還有 有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國家 相關(guān) 部門和科學(xué)家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定了開展 VR 技術(shù)的研究計劃。九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把 VR 列入 研究項目。國內(nèi)一些重點院校，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)計算機系是國內(nèi)最早進行 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)實中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán) 境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。 浙江大學(xué) CADamp。CG 國家重點實驗室開發(fā)出 一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(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行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術(shù)問題；清華大學(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究；西安交通大學(xué)信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關(guān)鍵技術(shù) —— 立體顯示技術(shù)進行了研究，提出 一種基 于 JPEG 標(biāo)準壓縮編碼新方案，以獲得 較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度。 近 年 來 ， 我國在 虛擬現(xiàn)實技術(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、醫(yī)療、房地產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)、勘探測繪、生產(chǎn)制造、軍事航天等數(shù)十個重要的行業(yè)，全世界的目光都聚焦于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中國的蓬勃發(fā)展。 現(xiàn)在 流行的網(wǎng)絡(luò)游戲，實質(zhì)上也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一種簡單應(yīng)用。 本課題的研究背景及意義 隨著計算機技術(shù)，特別是計算機圖形學(xué)、三維仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，信息管理的數(shù)字化和實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。 當(dāng) 前 ，各個 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）等是遠遠不夠的。 一個高校怎么才能擴大自己的知名度 ， 給 人們以更加直觀的方法去了解學(xué)校 自身 的 真實 景觀 。 三維校園漫游是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字校園中的具體應(yīng)用 ， 它 運用計算機圖形學(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，并實現(xiàn)漫游、人機交互等功能。 它具有校園對外宣傳的功能 ， 給普通用戶搭建一個了解校園的良 好平臺 ， 使用戶可以全面直觀地了解校園 ， 對校園的各種景觀建筑的屬性進行查詢。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，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，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，得到了社會各界的廣泛 認可 。虛擬校園的開發(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 。 同時對學(xué)校的外宣、招生、校容校貌的展示起到 強有力的輔助 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)的研究與實現(xiàn)有助于 開展 校園 虛擬場景的導(dǎo)航與展示，也可用于校園建設(shè)的規(guī)劃 管理 ， 另外對 有關(guān)三維建模、場景漫游、 人機 交互、虛擬小區(qū)、虛擬城市 等方面 的 進一步研究實現(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 在三維場景 的建造過程中，比較大的問題往往出現(xiàn)在場景的制作階段和最后的場景優(yōu)化階段。在場景的制作及優(yōu)化階段，必須讓三維場景在漫游系統(tǒng)中反復(fù)驗證，不斷找出場景所存在的漏洞，并及時改正直到驗證滿意為止。其中涉及到計算機硬 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。下面介紹利用 3DS Max 建模軟件在梧州學(xué)院三維場景過程中遇到的幾個關(guān)鍵問題和解決方法。 計算機硬件問題 本項目設(shè)計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)校的情況下能對校園景觀進行了解 。由于系統(tǒng)面向的用戶是廣大的基礎(chǔ)用戶，計算機硬件配置并不高，為 達到實時的目的，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)的開發(fā)與實現(xiàn)提出一個考驗：在不影響系統(tǒng)畫質(zhì)的情況下怎樣才能讓系統(tǒng)在硬件配置不高的計算機上順暢運行。例如本人用于開發(fā)的計算機平臺硬件配置如圖 21所示： 圖 21 計算機硬件配置 一個場景在計算機上演示的流不流暢，與場景中的模型個數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三個方面的數(shù)據(jù)量系系相關(guān)，用戶只有在前期處理好這三個方面的數(shù)據(jù)10 量，才不會導(dǎo)致后期模型在演示時出現(xiàn)卡、頓現(xiàn)象。為此，本系統(tǒng)使用的主要的解決方法有：做簡模、模型場景的優(yōu)化、合理分布模型的密度、刪除看不見的面、用紋理映射技術(shù)表現(xiàn)復(fù)雜造型等 。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有詳細的介紹。 地理環(huán)境問題 梧州學(xué)院地處梧州市郊區(qū)的丘陵地帶，地形相對比較復(fù)雜、高低不平，這給地形建模帶來很大的困難。為了解決 該 問題， 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)實際情況將學(xué)院校區(qū)面積分為三個高度平面，如表 21所示 。 表 21 校園的三個高度平面 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、教室宿舍區(qū) 5 米 A1A4 宿舍區(qū)、 A10 宿舍、實驗樓區(qū)、桃花島部分、舊食堂、籃球場、 綜合樓 10 米 足球場、風(fēng)雨球場、新食堂、 A5A9 宿舍區(qū)、環(huán)山大道 18 米 圖書館 由此，校園的地理環(huán)境就可以確定下來。 走樣 (Aliasing)問題 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 ， 或多或少會呈現(xiàn)鋸齒狀或臺階狀外觀。這是因為直線、多邊形、色彩邊界等是連續(xù)的 ， 而光柵則是由離散的點組成 ， 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)實系統(tǒng)中，所謂“走樣現(xiàn)象”指的是， 計算機 在 實時繪制圖像時出現(xiàn)的計算機屏幕某些區(qū)域不斷“閃爍”的現(xiàn)象。這種“閃爍”現(xiàn)象一般發(fā)生在圖像處于運動狀態(tài)的時候。在三維校園漫游系統(tǒng)中，由于實時性的要求，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“運動”狀態(tài)中。因此，抑制走樣問題就成 為 漫游系統(tǒng)的重要內(nèi)容。 從圖形顯示的效果來看，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曲面區(qū) 域與紋理象素大小相匹配時，它們之間形成一對一的映射。然而，當(dāng)景物表面在屏幕上的投影區(qū)域較小時，就可能有多個紋理象素被映射到 該 很小的投影區(qū)域內(nèi)。如果 該 投影區(qū)域只占屏幕的一個像素，那么，計算機在繪制時，就要把多個紋理象素繪制在屏幕上的一個像素內(nèi)。當(dāng)計算機繪制的圖像是靜止的時候，計算機在 該 像素點內(nèi)只繪制多個紋理象素的其中一個，不會發(fā)生走樣現(xiàn)象。問題是，當(dāng)繪制的圖像是處于“運動”狀態(tài)時，計算機就會在 該 像素點內(nèi)不斷更替多個紋理象素，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)景物離視點很遠并使景物在 屏幕上的投影只覆蓋一個像素時，則計算機在繪制 該 像素時， 該 像素的顏色將完全是黑或完全是白色。當(dāng)物體運動時，將會產(chǎn)生嚴重的閃爍變形現(xiàn)象。 對紋理走樣的對策，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)運行程序的支持 ； 第二種是對紋理圖像做靈活的處理，來達到抑制反走樣的目的。這種方法制作簡單，并且不需要運行程序的支持。 幾何模型走樣 模型走樣是相對于模型的紋理走樣來說的，它是指因模型的多邊形有問題而引起的走樣 。 一般來說，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”的問題。針對這兩種情況，常用的解決方法有： “三角化”處理； 。 碰撞檢測問題 隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 碰撞檢測已經(jīng)成為計算機動畫、 三維漫游、場景仿真 等研究領(lǐng)域的重要組成部分。進行精確的碰撞檢測 ， 對于提高虛擬環(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)雜性和實時性對碰撞檢測提出更高的要求。碰撞檢測主要是指對于 虛擬空間中的任意兩個不可刺穿的物體不能存在于相同位置的空間區(qū)域 [6]。 最簡單的檢測方法是對空間中任意兩個多面體進行相交檢測。如果對構(gòu)成物體的基本幾何元素進行碰撞檢測 ， 那么復(fù)雜度將達到 O(n2)， 顯然很難滿足碰撞檢12 測的實時性要求。因此 ， 減少相交測試的對象數(shù)目 ， 提高算法的實時性成為碰撞檢測的核心問題 [7]。目前主要的碰撞檢測算法有 3類 ： 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中普遍使用的一種方法?；舅枷胧?： 用體積略大而幾何特征簡單的包圍盒來近似地描述復(fù)雜的集合對象 ， 通過構(gòu)造樹狀層次結(jié)構(gòu)來逼近對象的幾何模型 ， 進行測試時只對包圍盒重疊的部分進行進一步相 交測試 ，從而可以大大減少參與檢測的包圍盒數(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行均勻剖分 ， 然后在進行檢測時只對同一劃分中的物體進行碰撞檢測 ， 從而排除不相交的空間節(jié)點 ， 減少檢測次數(shù) ，提高碰撞檢測效率。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]。 模型 數(shù)據(jù)量問題 建造大規(guī)模場景，就必然要求盡量減少內(nèi)存的消耗來提高漫游速度。減少內(nèi)存消耗 的方法在會在 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) 、 多細節(jié)層次 (Levels Of Detail)技術(shù) 、實例技術(shù)和紋理映射 技術(shù) 。 13 第 三 章 系統(tǒng)分析與設(shè)計 問題描述 設(shè)計一個三維校園漫游程序，為用戶提供校園三維實景的視覺、聽覺仿真并提供基礎(chǔ)的導(dǎo)航程序。 ，包含全校所有重點建筑。對各個建筑進行三維仿真建模，最大程度還原原有的實際景觀。 ，其中包括流水、行車、太陽、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)院的各個場所、建筑和景點而設(shè)計，它的建立方便用戶了解梧州學(xué)院里的各個場所和景點以及學(xué)校的一些相關(guān)信息。通過該系統(tǒng)，用戶不但可以有選擇性地對學(xué)校的景點和場所進行走訪和參觀，還可以查詢了解學(xué)校各種不同的具體路線，更重要的是通過該系統(tǒng)可以讓用戶迷路情況下找到想前往目的地 ，整個系統(tǒng)的運行流程 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和參觀路線，開啟或關(guān)閉音樂，并通過鼠標(biāo)鍵盤來漫步并且改變視點； ：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，通過定位功能可以實現(xiàn)對校園具體地物在地圖上的定位 ，通過對周邊建筑場景的查詢 可以可以讓用戶迷路情況下找到想前往目的地； ，如碰撞檢測機能，杜絕 “穿墻而過”這類違背現(xiàn)實情況 的 發(fā)生 ； ，比如 霧效、太陽光暈 等 ； ，簡單介紹各棟建筑的功能、場地信息。給不了解學(xué)校的來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)的采集帶來較大的困難。向?qū)W院相關(guān)部門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)； 、樹木、植被、文字等紋理 (可以 用數(shù)碼相機采集然后用圖像處理軟件進行處理 )。 系統(tǒng)總體設(shè)計 構(gòu)建三維校園電子地圖引擎需要按照以下幾個關(guān)鍵步驟來進行開發(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； ：建立校園場景中的建筑模型、場景小品模型、天空環(huán)境模型和地形模型等； ：使用程序來實現(xiàn)模型導(dǎo)入、三維場景的漫游、導(dǎo)航功能。 系統(tǒng)總