【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 細(xì)節(jié)圖21 虛擬山商建模層次Fig 21 Modeling arrangement of Virual ShanShang 信息查詢與管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了讓訪問者更加準(zhǔn)確、真實(shí)、全面地感受山東工商學(xué)院的校園風(fēng)光，系統(tǒng)對(duì)主要建筑和景觀進(jìn)行文字描述和介紹，并且支持信息的添加、編輯與修改。訪問者通過漫游子系統(tǒng)“走”到主要建筑物前，系統(tǒng)自動(dòng)顯示該建筑的名字，訪問者也可以通過按鈕激活該建筑的詳細(xì)文字描述，并且可以通過查詢子系統(tǒng)快速查詢與定位感興趣的建筑物。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將各建筑的固定的、不需要改變的信息直接使用Virtools處理，而將需要經(jīng)常修改的信息存放于SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫中，并使用Virtools對(duì)其進(jìn)行訪問、將信息顯示給訪問者以及保存信息的修改。 虛擬多媒體教室子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)虛擬多媒體教室子系統(tǒng)是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上利用多媒體和三維仿真技術(shù)構(gòu)造的學(xué)習(xí)環(huán)境，使得身處不同物理位置的教師和學(xué)生可以更方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流，消除了地域的限制。利用實(shí)時(shí)通信功能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教室中所能進(jìn)行的大多數(shù)教學(xué)活動(dòng)，并可以利用異步通信功能實(shí)現(xiàn)前所未有的教學(xué)活動(dòng)，如異步輔導(dǎo)與答疑、異步講座等等。在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)造虛擬大學(xué)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。在該系統(tǒng)中主要分為虛擬多媒體教室的建模和多媒體播放、控制功能的實(shí)現(xiàn)兩部分，訪問者進(jìn)入多媒體教室可以自主進(jìn)行資源瀏覽、視頻點(diǎn)播、課件播放等操作。 虛擬山商系統(tǒng)軟硬件環(huán)境軟件環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows 2003 Server+SP1WEB Server: IIS 數(shù)據(jù)庫環(huán)境：Microsoft SQL Server 2000+SP4開發(fā)環(huán)境：Virtools + 3Ds max8 + Photoshop CS3 + Adobe Audition + Visual Studio 2008硬件環(huán)境考慮到“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)規(guī)模較大，作品數(shù)量多，為了支持訪問者通過Web方式對(duì)該系統(tǒng)的快速訪問，服務(wù)器硬件環(huán)境采用了較高的配置，主要性能參數(shù)列表如下：整機(jī)：SunGraph 600A專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)工作站CPU：雙核雙CPU P4 內(nèi)存：4GB顯卡：獨(dú)立顯卡，512MB顯存硬盤：7TB光纖存儲(chǔ)陣列+400G本機(jī)串口硬盤網(wǎng)絡(luò)帶寬：100MB/s 本章小結(jié)本章主要介紹了“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)、整體結(jié)構(gòu)；介紹了虛擬漫游子系統(tǒng)、信息查詢與管理子系統(tǒng)以及虛擬多媒體教室子系統(tǒng)的主要功能以及服務(wù)器軟硬件平臺(tái)構(gòu)建；給出了漫游子系統(tǒng)的建模原理圖。第3章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的三維建模設(shè)計(jì)與開發(fā)三維虛擬校園系統(tǒng)的主要工作之一是運(yùn)用三維場(chǎng)景建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)中生成逼真的、等同于現(xiàn)實(shí)世界又稍有不同的虛擬世界。人的信息感知主要來源于視覺，虛擬世界的逼真程度直接影響整個(gè)虛擬校園的沉浸感和真實(shí)感以及最終的可用性。因此，三維場(chǎng)景模型構(gòu)造在整個(gè)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是虛擬校園系統(tǒng)開發(fā)的首要工作。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的開發(fā)過程中，同樣是首先建立整個(gè)系統(tǒng)的三維模型，然后再依次加入信息查詢與管理、在線遠(yuǎn)程教學(xué)以及各種特效。 三維建模理論基礎(chǔ)整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)中，所有復(fù)雜地形、樓房、桌椅、電燈、電腦、窗簾、書本、汽車、行人、植物、聲音文字甚至垃圾桶等虛擬物體均采用3Ds max 8進(jìn)行建模。虛擬校園中，大多數(shù)場(chǎng)景都是動(dòng)態(tài)渲染的，需要較多的資源和帶寬，用戶在3D空間中漫游時(shí)，所有3D網(wǎng)格對(duì)象都會(huì)以至少每秒30次的速度渲染到屏幕上。這就意味著用戶計(jì)算機(jī)的CPU和圖形處理器必須不斷地變換虛擬場(chǎng)景，并實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行渲染，這反過來就會(huì)限制模型所能包含的多邊形或面的數(shù)量。多邊形細(xì)節(jié)層級(jí)高的模型看起來也許更出色，但其在用戶計(jì)算機(jī)上的渲染速度會(huì)非常慢，從而使它的意義接近于零。因此，模型質(zhì)量在很大程度上決定了作品的質(zhì)量和運(yùn)行效率。 坐標(biāo)系在虛擬校園的所有物體建模時(shí)，都以物體本身為參照物設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，且均以正前方為+z軸，正上方為+y軸，正右方為+x軸，這樣的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方便物體的控制，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等等三維變換。整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)擁有一個(gè)全局坐標(biāo)系，所有物體的位置和方向等信息都以全局坐標(biāo)系為參考，便于計(jì)算各角色之間的距離。模型導(dǎo)入Virtools環(huán)境以后，仍使用建模時(shí)定義的自身坐標(biāo)系。常用的坐標(biāo)系有：世界坐標(biāo)系：建立了描述其他坐標(biāo)系所需要的參考框架，用來描述其他坐標(biāo)系的信息，如每個(gè)物體的位置和方向、攝像機(jī)的位置和方向、每一點(diǎn)的地形是什么、各物體的運(yùn)動(dòng)描述等等。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，世界坐標(biāo)系以東大門為坐標(biāo)原點(diǎn)O、上方為+y軸、北方為+x軸、西方為+z軸。其他所有模型的位置以及空間關(guān)系描述均使用此坐標(biāo)系。例如，第一教學(xué)樓的坐標(biāo)為（－20,0,－320），第二教學(xué)樓的坐標(biāo)為（－18,0,460），二者之間直線距離為158，度量單位均為“米”。物體坐標(biāo)系：也稱模型坐標(biāo)系或身體坐標(biāo)系，是與特定物體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，可以描述模型中物體的坐標(biāo)信息和自身運(yùn)動(dòng)情況，如向左轉(zhuǎn)、向前走等等。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，對(duì)于不同的樓體以及其他對(duì)象模型均設(shè)計(jì)了物體坐標(biāo)系，以底平面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O、上方為+y軸、正前方為+z軸、正右方為+x軸。這樣，各模型自身的不同組成部分之間的位置和空間關(guān)系可以直接使用物體坐標(biāo)系描述，減少了計(jì)算量，提高了速度。另外，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)使用自身的物體坐標(biāo)系作為參照系，簡(jiǎn)化了處理過程。例如，第二教學(xué)樓2413辦公室門口相對(duì)于第二教學(xué)樓的物體坐標(biāo)系的坐標(biāo)可以描述為（－9,2）；虛擬場(chǎng)景中行人及車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)前進(jìn)2米的含義是沿其+z軸方向前進(jìn)2米，向右旋轉(zhuǎn)30度的含義是以其+y軸為旋轉(zhuǎn)軸向右旋轉(zhuǎn)30度。攝像機(jī)坐標(biāo)系：和觀察者密切相關(guān)的坐標(biāo)系，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，攝像機(jī)在原點(diǎn)，x軸向右，z軸向前，y軸向上，在該坐標(biāo)系中，需要確定多個(gè)物體之間的遮擋問題，即哪些物體應(yīng)該顯示出來；在虛擬校園漫游時(shí)，大量用到了攝像機(jī)坐標(biāo)系。當(dāng)訪問者漫游或者切換視點(diǎn)與視角時(shí)，屏幕所顯示的內(nèi)容均應(yīng)為當(dāng)前視點(diǎn)與視角所確定的場(chǎng)景，并且不會(huì)顯示被遮擋的物體，這屬于可見性檢測(cè)的內(nèi)容。例如，訪問者進(jìn)入某房間后不能看到其他房間的物體。慣性坐標(biāo)系：其原點(diǎn)與物體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，而坐標(biāo)軸與世界坐標(biāo)系的軸平行，因此，從物體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到慣性坐標(biāo)系只需要旋轉(zhuǎn)，從慣性坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系只需要平移，它簡(jiǎn)化了物體坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[36,37,3941,43,44,46]。系統(tǒng)中經(jīng)常涉及坐標(biāo)變換，常用的有[36]：平移：物體在場(chǎng)景內(nèi)移動(dòng)（前進(jìn)、后退）時(shí)，涉及到平移變換，其變換矩陣為 (31)例如，物體前進(jìn)5米的平移變換矩陣中值為5，后退時(shí)其值為－5，其他兩個(gè)值均為0。在虛擬漫游系統(tǒng)中，很少用到向左和向右的平移，若需要此種動(dòng)作，一般也是轉(zhuǎn)換為“先左轉(zhuǎn)再前進(jìn)或后退”或“先右轉(zhuǎn)再前進(jìn)或后退”的動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)：復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)可以分解為沿x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)的組合，沿x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)角度的變換矩陣分別為 (32)在虛擬校園漫游中，用的最多的是沿y軸的旋轉(zhuǎn)，例如人、門的旋轉(zhuǎn)，很少用到沿其他軸的旋轉(zhuǎn)，一般旋轉(zhuǎn)更少。比例變換：在物體縮放時(shí)需要用到比例變換，其變換矩陣為 (33)透視變換：視點(diǎn)在x軸、y軸、z軸上的透視變換矩陣分為別 (34) 幾何建模法幾何建模法是充分利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)行虛擬環(huán)境的建模和繪制。首先對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行抽象，用多邊形構(gòu)造虛擬景觀(包括地形、建筑、實(shí)體、樹木等)的三維幾何建模，并建立虛擬環(huán)境中的光照和材質(zhì)模型，然后進(jìn)行紋理映射及控制參數(shù)設(shè)定，利用計(jì)算機(jī)由模型實(shí)現(xiàn)多邊形處理、著色、消隱、光照以及投影等一系列繪制過程，產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，在輸出設(shè)備上實(shí)時(shí)渲染繪制視景畫面，從而完成對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的漫游和交互。幾何建模法實(shí)現(xiàn)的虛擬場(chǎng)景大多具有精確對(duì)應(yīng)的幾何模型，得到的場(chǎng)景顯得比較細(xì)膩、逼真，同時(shí)便于用戶與虛擬場(chǎng)景中虛擬對(duì)象的交互，以及對(duì)虛擬對(duì)象的深度信息進(jìn)行直接獲取。即使在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，只要有相關(guān)的建筑圖紙，按照對(duì)應(yīng)比例與尺寸，一樣能夠完成場(chǎng)景的構(gòu)建與漫游，即能夠?qū)崿F(xiàn)虛物實(shí)化。幾何建模法應(yīng)用時(shí)間較長，技術(shù)路線比較成熟，國內(nèi)外都研發(fā)了許多建模工具及控制集成軟件，這些都使得幾何建模法目前實(shí)際應(yīng)用比較廣泛。但在場(chǎng)景模型比較復(fù)雜的情況下，幾何建模技術(shù)也存在一些不足：一是對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)建模太過煩瑣，工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；二是當(dāng)場(chǎng)景模型復(fù)雜時(shí)，實(shí)時(shí)顯示的計(jì)算量較大，而使用戶與虛擬場(chǎng)景無法實(shí)時(shí)交互，用戶對(duì)場(chǎng)景中虛擬對(duì)象的操作也無法得到實(shí)時(shí)的反饋，場(chǎng)景難以達(dá)到完全逼真；三是場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染繪制對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件要求較高。這將使場(chǎng)景的復(fù)雜性因硬件的處理能力而受到限制，對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的建模難以實(shí)現(xiàn)。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，樓體建模大量使用了幾何建模法，例如教學(xué)樓、辦公樓、宿舍樓、餐廳、商業(yè)中心等等。而對(duì)于樹木，則僅對(duì)道路兩旁較近的采用幾何建模法進(jìn)行了精細(xì)建模，遠(yuǎn)處的樹木則使用了下面將要講到的貼圖技術(shù)進(jìn)行粗略建模。 貼圖貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理，通過貼圖可以增加模型的質(zhì)感，完善模型的造型，使其更接近于真實(shí)；另外，在建模過程中，不可能對(duì)所有物體、角色進(jìn)行精細(xì)、準(zhǔn)確地建模，這樣不僅需要很大的工作量，且不利于控制，更主要是占用更多的資源從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并且當(dāng)遠(yuǎn)距離觀察時(shí)，并不需要顯示虛擬環(huán)境的太多細(xì)節(jié)。因此，對(duì)于比如教學(xué)樓、宿舍樓的墻面、門、窗戶及其它次要景物建模時(shí)，可以配以適當(dāng)?shù)馁N圖。通過在模型的隱蔽區(qū)域中完成漂亮的接縫，可以使展開UV紋理坐標(biāo)的過程更加容易。但此技術(shù)對(duì)于移動(dòng)物體效果不好，并且不能用于表面復(fù)雜度較高的物體，物體復(fù)雜度越高，面平面所表現(xiàn)出的方向個(gè)數(shù)越大，該技術(shù)的可用性越低。另外，貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理，利用貼圖可以不用增加模型的復(fù)雜程度就可突出表現(xiàn)對(duì)象細(xì)節(jié)，并且可以創(chuàng)建反射，折射，凹凸，鏤空等多種效果，從而更加接近于真實(shí)情況[1718,27,4748,5254]。常用的貼圖有：2D Maps二維貼圖：二維平面圖像，用于環(huán)境貼圖創(chuàng)建場(chǎng)景背景或映射在幾何體表面。最常用也是最簡(jiǎn)單的二維貼圖是Bitmap，其它二維貼圖都是由程序生成的。2D貼圖包括Bitmap（位圖）、Checker（方格）、Combustion、Gradient（漸變）、Gradient Ramp（漸變度）、Swirl（漩渦）、Tiles（平鋪）。3D Maps三維貼圖：是程序生成的三維模板，如Wood木頭，在賦予對(duì)象的內(nèi)部同樣有紋理。被賦予這種材質(zhì)的物體切面紋理與外部紋理是相匹配的。它們都是由同一程序生成。三維貼圖不需要貼圖坐標(biāo)。 Compositors復(fù)合貼圖：以一定的方式混合其它顏色和貼圖，包括Composite（合成）、Mask（遮罩）、Mix（混合）、RGB Multiply（RGB倍增）等等。Color Modifier顏色修改器：改變材質(zhì)像素的顏色，具體有Output、RGB Tint（RGB染色）、Vertex Color。Other Map其它貼圖：是用于特殊效果的貼圖，如反射、折射。另外，如果賦予物體的材質(zhì)中包含任何一種二維貼圖時(shí)，物體就必須具有貼圖坐標(biāo)。這個(gè)坐標(biāo)就是確定二維的貼圖以何種方式映射在物體上。它不同于場(chǎng)景中的XYZ坐標(biāo)系，而使用的是UV或UVW坐標(biāo)系。每個(gè)物體自身屬性中都有Generate Mapping Coordiantes生成貼圖坐標(biāo)。此選項(xiàng)可使物體在渲染效果中看到貼圖?？梢酝ㄟ^UVW Map修改器為物體調(diào)整二維貼圖坐標(biāo)。不同的對(duì)象要選擇不同的貼圖投影方式。在UVW MAP修改器的參數(shù)卷欄中可以選擇以下幾種坐標(biāo)。Planar平面：平面映射方式，貼圖從一個(gè)平面被投下，這種貼圖方式在物體只需要一個(gè)面有貼圖時(shí)使用。Cylindrical柱面：柱面坐標(biāo)，貼圖是投射在一個(gè)柱面上，環(huán)繞在圓柱的側(cè)面。這種坐標(biāo)在物體造型近似柱體時(shí)非常有用。在缺省狀態(tài)下柱面坐標(biāo)系會(huì)處理頂面與底面的貼圖如圖646所示。只有在選擇了Cap選項(xiàng)后才會(huì)在頂面與底面分別以平面式進(jìn)行投景。Spherical球面：貼圖坐標(biāo)以球面方式環(huán)繞在物體表面，這種方式用于造型類似球體的物體。Box立方體：立方體坐標(biāo)是將貼圖分別投射在六個(gè)面上，每個(gè)面是一個(gè)平面貼圖。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，較多地使用了貼圖技術(shù)來配合幾何建模法進(jìn)行快速建模。如樓體的外側(cè)表面、樓內(nèi)房間的墻壁、大片的草地以及樹木等，都采用簡(jiǎn)單幾何體和貼圖相結(jié)合的建模方法。在樓體外側(cè)表面和樓內(nèi)房間的墻壁建模時(shí)采用平面貼圖，樹木則采用了球面貼圖，對(duì)于大面積的草地，為了呈現(xiàn)其起伏效果，則采用了不規(guī)則平面的貼圖技術(shù)?？傊?，靈活、正確的使用貼圖技術(shù)，不僅可以大幅度提高開發(fā)效率，更可以使得場(chǎng)景模型接近于真實(shí)情況，如下圖所示為利用貼圖技術(shù)制作的草地：圖31 利用貼圖設(shè)計(jì)的五教門前的草地Fig31 grassland in front of 5th teaching building 運(yùn)動(dòng)建模在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，物體的特性還涉及到位置改變、碰撞、捕獲、縮放和表面變形等，僅僅建立靜態(tài)的三維幾何體對(duì)虛擬場(chǎng)景是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對(duì)象位置的變化包括對(duì)象的移動(dòng)（前進(jìn)、后退、向上、向下等等）、旋轉(zhuǎn)（左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）和縮放。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，不僅要涉及到絕對(duì)的坐標(biāo)系統(tǒng)，還要涉及到每一個(gè)對(duì)象相對(duì)的坐標(biāo)系統(tǒng)，需要確定各種三維對(duì)象的相對(duì)位置和絕對(duì)位置。這涉及到給每個(gè)對(duì)象“捆綁”一個(gè)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系被稱為對(duì)象坐標(biāo)系，捆綁的坐標(biāo)系與對(duì)象一起移動(dòng)。因而，在對(duì)象坐標(biāo)系中對(duì)象頂點(diǎn)的位置和方向保持不變。為了方便三維對(duì)象的操作，對(duì)象坐標(biāo)系在三維對(duì)象建立時(shí)就必須指定。物體的運(yùn)動(dòng)建模主要有幾種方法：關(guān)鍵幀方法采用關(guān)鍵幀方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模主要利用插值技術(shù)，即只需要定義物體在起始幀、關(guān)鍵幀、結(jié)束幀處的位置、旋轉(zhuǎn)角度以及其它屬性，而相鄰關(guān)鍵幀之間的過渡動(dòng)作完全由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并插值。這種建模方式是比較傳統(tǒng)的，在早期的動(dòng)畫中使用較多?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)的建模方法正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是設(shè)置虛擬人、魚及其他動(dòng)物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的有效方法。正向