【導(dǎo)讀】進(jìn)行研究工作所取得的成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集。體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文不包含任何其他。個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的

　　

【正文】 build 7601), 64bit 開發(fā)工具： X3DEdit， Notepad++ 運(yùn)行軟件： BS_Contact 圖像處理軟件： Photoshop CS5，可牛影像 校園場(chǎng)景 建筑物 地面 天空 其余 綠化 辦公樓 教學(xué)樓 圖書館 科技樓 …… 校門 路燈 …… 道路 樹木 深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 21 第四章 虛擬校園場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn) 虛擬校園場(chǎng)景的建設(shè)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，虛擬校園場(chǎng)景的建設(shè)可以分成分三步 [2]： 第一步，想要建立一個(gè)真實(shí)的虛擬校園，就必須要有校園中各建筑物各環(huán)境物體的分布圖和具體的平面圖，如果沒有這些圖形，也必須要知道學(xué)校的整體占地面積和每一個(gè)物體的長(zhǎng)度、寬度、高度以及在校園中所處的坐標(biāo)位置等這些基本的數(shù)據(jù)。還必須要掌握學(xué)校各部分的大概高度，最底點(diǎn)最高點(diǎn)等地形信息。這些信息可通過(guò)實(shí)地考察以及結(jié)合電子地圖（如百度地圖）、虛擬地球軟件（如谷歌地球）獲得。 第二步，對(duì)校園內(nèi)各單個(gè)實(shí)體對(duì)象分別單獨(dú)建模，虛擬校園中的 場(chǎng)景模型分為兩類：一類是以場(chǎng)為基礎(chǔ)，在空間上連續(xù)分布的景觀對(duì)象，如地形、天空等；另一類是以離散實(shí)體為特征，以獨(dú)立的個(gè)體而存在的地物對(duì)象，如建筑物、樹木、路燈等。根據(jù)具體場(chǎng)景模型的類型和復(fù)雜情況采取適當(dāng)?shù)慕７椒?，最終得到了校園中各個(gè)實(shí)體的場(chǎng)景文件（ *.x3d）。 第三步，各個(gè)單獨(dú)的實(shí)體場(chǎng)景構(gòu)建好了以后，再把這些場(chǎng)景整合成完整的虛擬校園場(chǎng)景，本系統(tǒng)中深圳大學(xué)的完整場(chǎng)景文件是 。 通過(guò)上述三個(gè)步驟，即可完成虛擬校園漫游系統(tǒng)的建設(shè)。 信息的收集與處理 本文使用的原始數(shù)據(jù)主要有辦公樓、 教學(xué)樓、圖書館、宿舍樓、體育館等建筑的平面圖 和通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍得的照片。為保證虛擬校園系統(tǒng)的真實(shí)顯示和空間分析的正確進(jìn)行，本體統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集方案如下： 1．對(duì)于各對(duì)象實(shí)體的在虛擬校園中的位置，先確定一個(gè)原點(diǎn)，如學(xué)校的正門，然后通過(guò)電子地圖（如百度地圖）上的測(cè)距功能，測(cè)量對(duì)象實(shí)體到原點(diǎn)的距離。 2．對(duì)于部分建筑物的高度，從總平面圖和收集到的數(shù)據(jù)中不能獲取的情況，自行測(cè)量出其中一層的高度，然后根據(jù)樓層數(shù)計(jì)算出總的高度。此外可以利用虛擬地球軟件（如谷歌地球）進(jìn)行輔助性的測(cè)量。 3．對(duì)于紋理數(shù)據(jù)主要采用自己拍攝的 方式。由于受拍攝時(shí)的天氣及周圍環(huán)境的影響， 拍出的照片通常不能直接使用，需要在亮度、色調(diào)上做出調(diào)校。另一方面，拍照取景時(shí)，可能會(huì)受拍攝角度限制、行人或樹木摻雜等因素的影響，照片常常需要進(jìn)行修復(fù)、剪裁等后期處理。處理用到的方法如下 [19][20]： （ 1）去除雜景處理 在數(shù)碼相機(jī)拍攝時(shí)，應(yīng)盡量爭(zhēng)取獲得純景物的圖片，但在實(shí)際操作中難以避免會(huì)出現(xiàn) 人或車輛等的遮擋，這時(shí)就需要對(duì)照片進(jìn)行雜景處理。在具體去除雜景處理時(shí)，借助的是 Photoshop 軟件平臺(tái)，通常采用選區(qū)拷貝方法和仿制圖章工具方法等，使能獲得所需的 圖 片。 深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 22 （ 2）調(diào)整色調(diào) 受拍攝數(shù)碼照片的時(shí)間、角度、光線等因素影響，很難保證每張照片都能保持有一致的色調(diào)。因此需要使用 Photoshop 對(duì)圖片在亮度、對(duì)比度、色彩平衡等方面進(jìn)行調(diào)校。通常使用到的是“亮度 /對(duì)比度”與”色彩平衡”對(duì)話框命令。 （ 3）拉伸變形處理 在拍攝高大的建筑物時(shí)，最理想的選擇站在離建筑物較遠(yuǎn)的視覺來(lái)進(jìn)行拍攝，因?yàn)檫@樣可以得到視角較好的照片。但是在實(shí)際操作中，會(huì)由于拍攝位置的限制，便只能得到由透視角度成像的照片，這樣的照片就不能夠直接用來(lái)制作貼圖，而需要進(jìn)行變形處理，將其調(diào)整為正視的角 度。在 Photoshop 中使用“編輯 變形 自由變換”命令對(duì)需拉伸變形的圖片進(jìn)行處理。 （ 4）透明貼圖 普通的貼圖文件都是矩形的，這對(duì)處理非規(guī)則模型的貼圖并不適用，因此網(wǎng)絡(luò)上通常使用透明貼圖形式來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，在制造花叢、樹木、雕像等不規(guī)則模型時(shí)，如果直接造三維模型來(lái)模仿這些景物，既不神似又花功夫，利用透明貼圖的這一優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到逼真建模的效果。 校園中單個(gè)實(shí)體的場(chǎng)景設(shè)計(jì) 有了足夠的數(shù)據(jù)信息及紋理圖片以后，就可以按照校園中各實(shí)體的類型進(jìn)行單個(gè)場(chǎng)景的建設(shè)了。鑒于虛擬校園系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，本文選取幾 個(gè)有代表性的幾個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)敘述。 地形及地面的設(shè)計(jì) 地形模型在虛擬環(huán)境中分量很大，它對(duì)漫游的真實(shí)性和系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性有重要影響。地形對(duì)象模型是虛擬校園模型系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是布置地物對(duì)象模型的依據(jù)。地形對(duì)象三維模型的建立是開發(fā)虛擬校園必不可少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其它虛擬系統(tǒng)同樣如此。 三維真實(shí)感地形的繪制一直是國(guó)內(nèi)外圖形學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，其可視化程度高、實(shí)用方便、可實(shí)時(shí)生成的優(yōu)點(diǎn)已成為圖形工作者的共識(shí)。三維地形模型也稱為數(shù)字地面模型(DigitalTerrain Model， DTM)，它是對(duì)地面特征 的一種數(shù)字表達(dá)，是虛擬地理環(huán)境研究中的重要組成部分 [21]。 如果在可視化過(guò)程中對(duì)地形的生成只是視覺上的要求，而非真實(shí)世界的再現(xiàn)，則可以采用模擬地形。由于本漫游系統(tǒng)是以深圳大學(xué)為對(duì)象進(jìn)行開發(fā)的，其校園地形數(shù)據(jù)不太復(fù)雜，故采用模擬地形法，即平面模擬地形。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，且對(duì)系統(tǒng)資源的消耗要小得多。 對(duì)于平面地形，可以使用 X3D 的 Box 節(jié)點(diǎn)，輸入地形長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)，并用 ImageTexture節(jié)點(diǎn)進(jìn)行貼圖。對(duì)于不同紋理的地形，如綠地、土地等，可疊加在整個(gè)校園地面上。對(duì)于曲折的、不方便用 Box 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的地形 ，如道路，可使用 Extrusion 節(jié)點(diǎn)。對(duì)于丘陵、山脈等起伏不平的地形，可以使用 ElevationGrid 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)建。 深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 23 圖 11 是深圳大學(xué)地面設(shè)計(jì)層次圖。 圖 11 地面設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu) 圖 12 是深圳大學(xué)地面設(shè)計(jì)的運(yùn)行效果圖。 圖 12 地面設(shè)計(jì)運(yùn)行效果圖 天空的設(shè)計(jì) 為了增加三維虛擬校園場(chǎng)景的真實(shí)感，需要為校園場(chǎng)景增加藍(lán)天自云效果的天空。根據(jù)用戶所需要的真實(shí)程度 ，可以采用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn) [21]： 1．用一種接近天空的淡藍(lán)色來(lái)作為背景。 在 X3D 的 Background 節(jié)點(diǎn)中，有兩個(gè)域值控制天空的顏色，分別是 skyColor 和 skyAngle。 skyColor 域指定立體空間背景天空的顏色，該域值由一系列紅、綠、藍(lán)顏色組合而成。 skyAngle 域指定空間背景上需要著色的位置的天空角。 X3D 瀏覽器就是在這些空間角所指位置進(jìn)行著色的。第一個(gè)天空顏色著色于天空背景的正上方，第二個(gè)天空顏色著色于第一個(gè)天空角所指定的位置，第三個(gè)天空顏色著色于第二個(gè)天空角所指定的位置，以此類推。這樣使天空角之間的顏色慢慢過(guò)渡，這就形成了顏色梯度，使得天空看起來(lái)更為真實(shí)。 2．天空盒方法 所謂天空盒就是用一矩形方盒作為天空的遠(yuǎn)景貼圖的載體。首先生成一個(gè)足夠大的立方體，通過(guò)在立方體盒子的 5 個(gè)不同面上貼上表現(xiàn)天氣效果的不同的天空紋理來(lái)達(dá)到逼真的模擬效果。用于天空背景的圖片有特殊要求，這些圖片必須滿足以下幾個(gè)條件： 地面 綠化帶 丘陵 道路 深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 24 (1)圖形尺寸必須為 2 的 N 次方。 (2)頂圖的四邊必須與前后左右圖的上邊相連。 (3)前后左右的四幅圖必須首尾相連。 3．球形方法 球形方法繪制的天空較天空盒優(yōu)點(diǎn)更多，霧化效果可以繪制得更加均 勻。球形模型實(shí)際就是一個(gè)半球面，一個(gè)圓頂形天空可以認(rèn)為是一個(gè)球面的一半，在一個(gè)球面上進(jìn)行紋理映射是比較復(fù)雜的，采用不同的映射方式會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題。例如，如果采用平面映射的方式，將在連接處出現(xiàn)紋理拉伸現(xiàn)象。如果采用球面映射，最大的問(wèn)題是在球面的極點(diǎn)產(chǎn)生紋理的聚集現(xiàn)象。 在虛擬校園漫游系統(tǒng)中，從真實(shí)感和渲染效率兩個(gè)方面出發(fā)，本系統(tǒng)選用了方法一生成天空。 建筑物的設(shè)計(jì) 1. 建筑物幾何模型的建立 建筑物是虛擬現(xiàn)實(shí)中的主要景觀，在虛擬校園系統(tǒng)中，三維建筑物的表示和建模是最為重要的內(nèi)容。由于建筑物數(shù)目眾 多，為了較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)樓群建的建模任務(wù)，可以根據(jù)實(shí)際情況確定其設(shè)計(jì)原則 [21]： (1)由于本系統(tǒng)虛擬的是一個(gè)實(shí)際存在的校園，為了取得較真實(shí)的效果，現(xiàn)實(shí)存在的建筑在虛擬環(huán)境中盡量都進(jìn)行建模。 (2)根據(jù)校內(nèi)建筑的外觀與結(jié)構(gòu)對(duì)建筑進(jìn)行分類，確定構(gòu)造模型，對(duì)外觀和結(jié)構(gòu)相同的建筑采用同一個(gè)構(gòu)造模型。 (3)對(duì)于較復(fù)雜的模型采用新拆分，使之簡(jiǎn)單化，然后再進(jìn)行建模。目前對(duì)建筑物的建模一般采用整體法，即畫一個(gè)立方體或長(zhǎng)方體，然后再對(duì)表面進(jìn)行紋理映射，構(gòu)造建筑物模型。 2．建筑物的紋理映射 建筑物并不是一個(gè)空白的面，一般的 建筑物上都有窗戶，貼有各式各樣的瓷磚。目前對(duì)于建筑物窗戶的建模一般采用線段來(lái)構(gòu)造，及描繪出窗口的大概框架，然后進(jìn)行渲染。由于校內(nèi)的建筑物特別多，如果要一一進(jìn)行建模，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，而且影響了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。所以，在本系統(tǒng)中對(duì)房屋表面的窗戶和花紋都采用紋理映射的方法進(jìn)行建模。其實(shí)現(xiàn)方法是：將校內(nèi)每個(gè)建筑各個(gè)面的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、加工、轉(zhuǎn)換成紋理映射要求的圖像格式，之后在畫面繪制的過(guò)程中，分別對(duì)每個(gè)面進(jìn)行紋理映射。 下面將介紹深圳大學(xué)一些標(biāo)志性建筑的構(gòu)建方法。 1. 圖書館北館 圖書館北館場(chǎng)景設(shè)計(jì)由圖書館設(shè)計(jì) 和布局圖書館周圍環(huán)境設(shè)計(jì)組成，創(chuàng)建逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體場(chǎng)景，包括建筑物的設(shè)計(jì)、綠化帶場(chǎng)景設(shè)計(jì)及人行道設(shè)計(jì)等。采用模塊化，組件化設(shè)計(jì)思想，層次清晰、結(jié)構(gòu)合理的 X3D圖書館場(chǎng)景設(shè)計(jì)。圖書館建筑場(chǎng)景設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)如深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 25 圖 13所示。 圖 13 圖書館建筑設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu) 圖書館北館場(chǎng)景建設(shè)主要用到了以下的 X3D節(jié)點(diǎn)： （ 1） Shape造型節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)是一切幾何造型的父節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)包含兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，分別為 Appearance（外觀）節(jié)點(diǎn)與 Geometry（幾何造型）節(jié)點(diǎn)。 （ 2） Appearance節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn) 用來(lái)定義物體的外觀屬性，通常為 Shape節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。Appearance節(jié)點(diǎn)指定幾何物體造型的外觀視覺效果，包含了 Material（外觀材料）節(jié)點(diǎn)、Texture（紋理印象）節(jié)點(diǎn)和 TextureTransform（紋理坐標(biāo)變換）節(jié)點(diǎn)。通過(guò) Material域，可以設(shè)定材料的顏色，該顏色為單一的顏色。通過(guò) texture域，可以對(duì)幾何造型進(jìn)行貼圖，使造型更為逼真。而 TextureTransform域，則可以定義貼圖的方式，比例等，已達(dá)到更好的貼圖效果。 （ 3） Box節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)的作用是生成立方體。通過(guò)調(diào)整該節(jié)點(diǎn) 的 size（尺寸）域的域值，可以改變立方體的長(zhǎng)、寬、高。 （ 4） Cylinder節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)的作用是生成圓柱體。 Cylinder 節(jié)點(diǎn)的主要屬性有 height(高度 )、 radius(半徑 )以及是否包含頂面 (top)、側(cè)面 (side)和底面 (bottom)等。 （ 5） IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)三維立體幾何造型節(jié)點(diǎn)，表示一個(gè)由一組頂點(diǎn)構(gòu)建成的一系列平面多邊形形成的 3D立體造型。 （ 6） Billboard節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可以在世界坐標(biāo)系之下創(chuàng)建一個(gè)局部坐標(biāo)系，選定一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn) 所構(gòu)成的虛擬對(duì)象的正面會(huì)永遠(yuǎn)自動(dòng)地面對(duì)觀眾。通過(guò)該節(jié)點(diǎn)axisOfRotation域，可以設(shè)定繞哪一個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。 （ 7） Group節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可以用來(lái)編組各種幾何造型，并將其作為一個(gè)整體造型來(lái)看待。把 Group節(jié)點(diǎn)中所包含全部節(jié)點(diǎn)視為一個(gè)整體，當(dāng)作一個(gè)完整的空間造型來(lái)對(duì)待。如果利用DEF（重定義節(jié)點(diǎn)）為 Group節(jié)點(diǎn)命名，則可使用 USE（重用節(jié)點(diǎn)）在相同的文件中重復(fù)使用這一節(jié)點(diǎn)，從而增強(qiáng)程序設(shè)計(jì)的可重用性和靈活性。 （ 8） Transform節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)能對(duì)幾何造型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放。通過(guò) translation（方位）域值、 rotation（旋轉(zhuǎn)）域值、 scale（規(guī)模）域值，可以達(dá)到改變?cè)煨臀恢谩⒋笮〉哪康摹? 圖書館北館的場(chǎng)景建設(shè)方法如下： 圖書館北館建筑場(chǎng)景設(shè)計(jì) 周邊環(huán)境 圖書館 樓梯底座 建筑主體 樓體附件 綠化草坪 樹木設(shè)計(jì) 道路設(shè)計(jì) 深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文 —— 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 26 （ 1）圖書館 圖書館的造型大體上可以看做是大小不同的立方體，根據(jù)空間方位的不同而拼湊而成的?？梢詮膱D書館的第一層起，逐層往上添加造型。方法如下： 1）利用 Box節(jié)點(diǎn)、 Cylinder節(jié)點(diǎn)，根據(jù)比例構(gòu)造出立方體圓柱體等造型，作為圖書館的部件。 2）利用 Group節(jié)點(diǎn)，對(duì)幾何造型進(jìn)行編組、組合，生成更為復(fù)雜的幾何造型。 3）充分利用 DEF節(jié)點(diǎn)和 USE節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)程序的可重用 性和靈活性。