【文章內容簡介】 我們，找個教室還得一個班的人分開去找，找到后再電話聯(lián)系。 對于畢業(yè)生，他們隨時可以打開瀏覽器回憶美好的大學生活。 即使本校師生想了解其他學院，這也是一個很好的窗口 。 對于學校的招生宣傳， 網(wǎng)絡 宣傳現(xiàn)已成為非常有效的手段，率先建立三維虛擬校園，有助于提高學校 的形象 ，對大學的全國范圍招生有極大的幫助。 隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現(xiàn)實技術以其自身強大的教學優(yōu)勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育培訓領域廣泛應用并發(fā)揮其重要作用。 本文通過研究當前虛擬校園建設的關鍵技術，為虛擬校園建設提供了可行的技術方案。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 課題的 國內外研究現(xiàn)狀 虛擬現(xiàn)實的起源和發(fā)展 隨著計算機軟硬件水平的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在經歷了最初的高潮和隨之而來的低谷后，再一次迎來了新的春天。新興交互設備的不斷涌現(xiàn)和完善， PC 圖形加速卡性能的大幅度提高，使得虛擬現(xiàn)實的應用領域不斷擴展。 一般認為，研究目標明確的 VR 技術是從 60 年代開始形成的。但由于技術復雜、投資太大，除了少數(shù)軍工方面的研究之外，幾乎很少被大家注意。60 年代初，電影攝影師 Morton Heiling 構造了第一個多感知仿真環(huán)境的原型Sensorama Simulator，這是第一個 VR 視頻系統(tǒng)。 1965 年，在 IPIF 會議上，有 VR 先鋒 之稱的計算機圖形學的創(chuàng)始人 IvanSutherland 作了題為“ The Ultimate Display”的報告，提出了一項富有挑戰(zhàn) 性的計算機圖形學研究課題。他指出，人們可以把顯示屏當作一個窗口觀察一個虛擬世界，使觀察者有身臨其境的感覺。這一思想提出了虛擬現(xiàn)實概念的雛形。 1968 年，他使用兩個戴在眼睛上的陰極射線管（ CRT），研制了第一臺頭盔式顯示器 HMD。并發(fā)表了題為“ AHeadMounted 3D Display”的論文，對頭盔式三維顯示裝置的設計要求、構造原理進行了深入的討論，并繪出了這種裝置的設計原型，成為三維立體顯示技術的奠基性成果。 1971 年， Frederick Brooks 研制了具有力反饋的原型系統(tǒng) GropeⅡ用戶通過 操縱一個實際的機械手，來控制屏幕中的圖形機械手去“抓取”一個立體圖像表示的物體，而且人手能夠感覺到它的重量。 1975 年， Myron Kruege 提出“人工現(xiàn)實”（ Artificial Reality）的思想，展示了稱之為 Video Place 的“并非存在的一種概念化環(huán)境”。 VR 研究的進展從 60 年代到 80 年代中期是十分緩慢的。直到 80 年代后期， VR 技術才得以加速發(fā)展。 1985 年，美國航空航天管理局 NASA 的 Scott Fisher 等研制了著名的 VIEW—— 一種“數(shù)據(jù)手套”（ Data Glove）。 NASA科 學家又繼續(xù)制成第一套 VR 系統(tǒng)，由一臺 DEC PDP1140 主機、一個圖形系統(tǒng)及圖形計算機和一個 Polhmus 非接觸式跟蹤儀組成。在 1985 年， Scott Fisher 加入了此項研究工作，他在模擬中又增加了一種新的傳感手套。 Fisher第 1章 緒論 5 用 VIVED 系統(tǒng)作實驗。 1986 年終研制成功了第一套基于 HMD 及數(shù)據(jù)手套VR 系統(tǒng) VIEW（ Virtual Interactive Environment Workstation）。這是世界上第一個較為完整的多用途、多感知的 VR 系統(tǒng)，使用了頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、語言識別與跟蹤技 術等，并應用于空間技術、科學數(shù)據(jù)可視化、遠程操作等領域，被公認為當前 VR 技術的發(fā)源地。 1987 年，美國 Scientific American發(fā)表論文，報道了一種稱為 Data Glove 的虛擬手控器。該論文引起了公眾的極大興趣。 1989 年， VPL 公司的創(chuàng)始人之一 Jaron Lanier，創(chuàng)造了“ Virtual Reality”（虛擬現(xiàn)實）這一名詞。從此， Data Glove 和“ Virtual Reality”便引起新聞界極大的關注和豐富的想象。 VR 第一次展出是在 1990 年第 17 屆國際圖形學會議上，圖形學專家 們報道了近年來輸入輸出設備技術以及聲、像等多媒體技術的進展，使得交互技術從二維輸入向三維甚至多維的方向過渡，使三維交互取得了突破性進展。隨著新的輸入設備研制成功和微型視頻設備投入使用，再加上工作站提供了更加強有力的圖形處理能力，從而為構成“虛擬現(xiàn)實”的交互環(huán)境提供了可能。由于學術界、工業(yè)界以及新聞界對 VR 技術的巨大興趣，美國 NSF（自然科學基金會）于 1992 年 3 月 23 至 24 日在北卡羅萊納大學主持召開了一次國際研討會，與會代表有來自美國和加拿大的 18 位專家學者，計算機圖形學之父、 VR 技術的創(chuàng)始人之一 Ivan Sutherland 也出席了會議。會議對 VR 的定義及研究方向提出了詳細建議，奠定了 VR 作為獨立研究方向的地位，討論并提出了 VR 研究的主要研究方向。 20 世紀 90 年代中期以后迅速發(fā)展的計算機軟、硬件系統(tǒng)使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，越來越多新穎、實用的輸入輸出設備相繼進入市場，美國波音公司利用虛擬現(xiàn)實技術設計波音 777的成功使得全世界對虛擬現(xiàn)實的廣闊發(fā)展前景充滿了憧憬和興趣。 本課題的 國外 研究現(xiàn)狀 美國是虛擬現(xiàn)實技術的創(chuàng)始地，其虛擬現(xiàn)實技術的研究水平處于世界各國的前列。目 前美國在虛擬現(xiàn)實領域的研究工作主要有：系統(tǒng)對用戶需求的識別和感知、系統(tǒng)和用戶交互的圖形界面、數(shù)據(jù)處理和控制的后臺軟件以及 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn)硬件四個方面。 美國宇航局是美國虛擬現(xiàn)實技術研究機構中的佼佼者，他們的成果主要有：完善了 HMD，將 VPL 的數(shù)據(jù)手套工程化，完成了對哈勃太空望遠鏡的仿真，建立了空間站虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)，建立了航空、衛(wèi)星維護虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)，建立了可供全國使用的虛擬現(xiàn)實教育系統(tǒng)；正致力于“虛擬行星探索”的試驗計劃，這一項目如果研究成功能使“虛擬探索者”利用虛擬環(huán)境來考察遙遠的行星。除此之外， SRI 研究中心也在致力于虛擬現(xiàn)實的研究。該中心建立了“視覺感知計劃”，將現(xiàn)有 VR 技術的進一步發(fā)展作為研究對象。 SRI 目前已經進行的研究有： 利用 VR 技術模擬軍用飛機和車輛駕駛的訓練，試圖通過仿真來減少飛行事故；利用遙控技術仿真外科手術。 除了科研機構以外，美國的很多大學也進行了虛擬現(xiàn)實技術的研究，其中北卡羅來納大學的計算機系是最早最著名的進行虛擬現(xiàn)實技術研究的大學。他們主要致力于防真系統(tǒng)的研究，包括虛擬建模、建筑仿真、航空駕駛防真、外科手術仿真等；在顯示技術的研究上也取得了一定的成果，開發(fā)“像素飛機”并行處理系 統(tǒng)來幫助用戶在復雜視景中建立實時動態(tài)的顯示。 Loma Linda 大學醫(yī)學中心的 David Warner 博士和他的團隊成功地將計算機圖形及虛擬現(xiàn)實的設備用于探討神經疾病問題，并首創(chuàng)了虛擬現(xiàn)實兒科治療法。麻省理工學院（ MIT）一直以來都是研究人工智能、機器人和計算機圖形學和動畫的先鋒，為虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展打下了堅實的基礎。 日本虛擬現(xiàn)實技術的研究和開發(fā)水平目前處于世界的領先位置，其研究的水平僅僅次于美國。日本在虛擬現(xiàn)實技術領域的研究重點是建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實知識庫。日本在利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)游戲方面也做了很多研究 ，但是對于硬件設備的研究還不深入，其使用的大部分虛擬現(xiàn)實硬件都是從美國進口的。 日本虛擬現(xiàn)實的研究機構也可以分為兩類，一類是以東京大學為中心的高等學校，另一類則是幾家以通信業(yè)務為主的公司。東京大學有三個研究所都在進行著虛擬現(xiàn)實技術的研究，而且研究的方向各不相同。其中高級科學研究中心主要進行遠程控制方面的研究，最近正在進行系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)第 1章 緒論 7 中，用戶通過控制一個模擬人手的隨動機械人手臂來控制遠程攝像系統(tǒng)。而原島研究室則主要開展了人類面都表情特征的提取、三維結構的判定和三維形狀的表示、動態(tài)圖像的提取 3 項研究。廣瀨 研究室則把研究的重點放到了虛擬現(xiàn)實的可視化問題上。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)來克服當前顯示和交互作用技術的局限性。該研究所目前在虛擬現(xiàn)實技術方面的研究成果有以下幾項：飛行仿真器統(tǒng)、人體測量和模型隨動、用 HIMD 在建筑群中漫游、一個類似 CAVE 的系統(tǒng)。 除了東京大學以外，東京技術學院和筑波建筑工程機械學院也對虛擬現(xiàn)實技術進行了研究。東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為 SPINAR（ Space Interface Device for Artificial Reality） 的系統(tǒng)。筑波大學工程機械學院主要對力反饋顯示方法進行了一些研究并開發(fā)了九自由度的觸覺輸入器，開發(fā)了虛擬行走原型系統(tǒng)，步行者只要腳上穿上全方向的滑動裝置，就可以自動的交替邁動左腳和右腳。 日本一些公司和機構已經對虛擬現(xiàn)實技術在通信方面的應用做了很多研究。 NEC 公司計算機和通信分部中的系統(tǒng)研究實驗室開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，讓操作者都使用 “ 代用手 ” 去處理三維 CAD 中的形體模型，該系統(tǒng)通過 VPL 公司的數(shù)據(jù)手套把對模型的處理與操作者手的運動聯(lián)系起來。富士通實驗室有限公司正在研究的虛擬生物與 VR 環(huán)境的相互作用、虛擬現(xiàn)實 中的手勢識別并且開發(fā)了一套神經網(wǎng)絡姿勢識別系統(tǒng)用來識別姿勢和表示詞的信號語言 。 本課題的 國內 研究現(xiàn)狀 和美國等發(fā)達國家相比，我國虛擬現(xiàn)實技術還有一定的差距，但已引起國防、教育、科技等部門以及一些研究人員的高度重視。目前，根據(jù)我國的具體國情，制定了一些開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術研究的方案和計劃，虛擬現(xiàn)實技術已經被列入了九五規(guī)劃、國家自然科學基金會、國家高技術研究發(fā)展計劃等機構和計劃的研究項目。 目前國內的虛擬現(xiàn)實研究主要集中在一些重點高校和科研機構，他們的研究都取得了一定的成績。還有很多普通的高校也已經著手 開始這方面的研 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 究工作。 北京航空航天大學計算機系是國內最早進行研究、最有權威的單位之一，他們首先進行了一些基礎知識方面的研究，并著重研究了虛擬環(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)出了部分硬件，并提出了有關算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境，提供用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實現(xiàn)與有關單位的遠程連接。 中國海洋大學基于 VC/OpenGL 創(chuàng)建了一個方便直觀的 信息查詢導航系統(tǒng)，具有基本的自主漫游和按固定路徑漫游的功能，可按目的地自動地生成漫游路徑、定位鳥瞰圖、漫游中途經的樓宇和景點介紹等。 浙江大學 CADamp。CG 國家重點實驗室的研究重心是基于桌面的立體顯示技術。采用了層面迭加的繪制技術和預消隱技術開發(fā)了桌面虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)了立體視覺和交互工具，具有很強的立體感和真實感。另外，他們還研制出了快速漫游算法和遞進網(wǎng)格的快速生成算法，為漫游提供了風好的解決方案。 香港中文大學虛擬校園采用客戶機 /服務器結構，應用 Java 和 VRML97開發(fā)工具，基于 HTTP 協(xié)議 ，用戶可進行 3 維空間漫游探索、點坐標量測和地物屬性的查詢、地物的增加或刪除等操作，并可基于 3 維化身和文本對話實現(xiàn)在網(wǎng)絡的共享虛擬空間中與其他在線用戶的交流和互動 。 東北大學虛擬校園漫游系統(tǒng)是基于 Vega 來進行開發(fā)的，系統(tǒng)的構建主要包括了建模技術和引擎設計兩個主要部分，設計和實現(xiàn)了以控制視點的方式進行漫游的方法，提出了基于 Vega 的離散式碰撞檢測的算法，設計和實現(xiàn)利用粒子系統(tǒng)完成雨雪、噴泉的建模。 另外，電子科技大學、上海交通大學、西北工業(yè)大學、長沙國防科技大學、華東船舶工業(yè)學院、安徽大學等高等學校也在嘗試進 行虛擬現(xiàn)實的研究，有些學校已經有了一些研究成果。 第 2章 工具介紹 9 第 2 章 工具介紹 本次畢業(yè)設計 主要 運用了 SketchUp 進行 燕山大學西校區(qū)的場景建模，利用 Unity3D 游戲引擎 進行渲染和驅動，并使用 Javascript 在 Unity3D 中進行腳本 編程，實現(xiàn)了燕山大學西校區(qū)虛擬校園 的展示。同時還是用了Photoshop CS6 圖像處理軟件對拍攝的實地圖像進行處理 ，生成適用于SketchUp 并且方便使用的 紋理圖片 。 場景建模工具 SketchUp SketchUp 軟件介紹 SketchUp（又稱 Trimble SketchUp），是一個被廣泛應用于建筑，土木，機械設計，電影以及視頻游戲設計的 3D 建模應用程序，官方提供免費版本和專業(yè)版本。 SketchUp 最初是由 Boulder， Colorado 在 1999 年共同創(chuàng)立的公司 @Last Software 開發(fā)的。 SketchUp 初次亮相于 2021 年 8 月，作為一款通用的專注于 3D 內容創(chuàng)作的工具，正如它的標語“ 3D for everyone”，并被設想為一款這樣的軟件“一個簡潔優(yōu)雅的界面模擬真實的自由的筆和紙的感覺，讓設計專業(yè)人士以他們想要的方式去繪制他們想要的東西 ，而且學習使用它將是簡