【導(dǎo)讀】虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園中的具體應(yīng)用。人獲得身臨其境的感受。還可以在此基礎(chǔ)上建立三維虛擬大學(xué)，提供。相應(yīng)的網(wǎng)上教育等，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。游系統(tǒng)所涉及的技術(shù)問題進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。本文以深圳大學(xué)為。物多方面的接觸與深入了解。然而，很多領(lǐng)域的發(fā)展受到了很多條件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一經(jīng)問世，人們就對(duì)它產(chǎn)生了濃厚的興趣。因此，有關(guān)人士認(rèn)為：20世紀(jì)80年代是個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代，具有非常重要的作用，是校園信息化平臺(tái)建設(shè)的重要組成部分。校園生活；有利于樹立學(xué)校形象、提高學(xué)校知名度，吸引更多生源；近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)在美國(guó)航空航天和軍事領(lǐng)域。美國(guó)已初步建成了一些洲際范圍的分布式虛擬環(huán)境，并將。主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真和建筑仿真等。的某些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。防科工委都已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。GIS查詢分析功能。結(jié)合建立深圳大學(xué)虛擬校園的實(shí)際情況，考慮目

　　

【正文】 Color 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渡，這就形成了顏色梯度，使得天空看起來更為真實(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： (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。 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 45 (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)行建基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 46 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)如圖 13所示。 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) 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 47 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 Material域，可以設(shè)定材料的顏色，該顏色為單一的顏色。通過 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 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 48 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)可以用來編組各種幾何造型，并將其作為一個(gè)整體造型來看待。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 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?、大小的目的? 圖書館北館的場(chǎng)景建設(shè)方法如下： （ 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)空間方基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 49 位的不同而拼湊而成的。可以從圖書館的第一層起，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。 4）利用 Transform節(jié)點(diǎn)對(duì)幾何造型進(jìn)行大小以及空間上的變換，將幾何造型有層次的拼合起來。 5）利用 Appearance節(jié)點(diǎn)對(duì)幾何造型的外觀進(jìn)行編輯，使之形象更為逼真。 （ 2）圖書館周邊環(huán)境 圖書館周邊環(huán)境大體上有綠化帶、樹木以及道路所構(gòu)成。建設(shè)方法如下： 1）道路。利用 Box節(jié)點(diǎn)，生成大小不同的立方體，利用 Transform疊加起來，形成不同層次的路面，用 TextureTransform節(jié)點(diǎn)進(jìn)行紋理的映射。 2）綠化。利用 Box節(jié)點(diǎn)，生成立方體覆蓋于地面之上，利用TextureTransform節(jié)點(diǎn)映射綠地圖片。 3）樹木。首先需要一張 png格式的樹木圖片，圖片只保留樹木的基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 50 形象，此操作可通過 photshop摳圖實(shí)現(xiàn)。利用 IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)，將圖片豎直于世界坐標(biāo)系中。利用 Billboard節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)將該造型包含進(jìn)去。這樣生成的樹木就會(huì)始終正面面向觀眾。此方法避免了構(gòu)造復(fù)雜的樹木造型，且真實(shí)感較強(qiáng)。 將上述構(gòu)建的對(duì)象有機(jī)地結(jié)合起來，就構(gòu)建出圖書館了，如圖 14所示。 圖 14 圖書北館運(yùn)行效果圖 其他建筑物的構(gòu)建方法與圖書北館的構(gòu)建方法大致相同，此處不再一一累述?，F(xiàn)在展示其余幾個(gè)標(biāo)志性建筑物的運(yùn)行效果圖。 運(yùn)行效果圖如圖 15所示。 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 51 圖 15 圖書館南館運(yùn)行效果圖 運(yùn)行效果如 圖 16 所示。 圖 16 科技樓運(yùn)行效果圖 運(yùn)行效果如圖 17所示。 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 52 圖 17 原平體育館運(yùn)行效果圖 樹木的設(shè)計(jì) 在 虛擬場(chǎng)景中，樹木的添加極大地改善了場(chǎng)景的逼真程度和真實(shí)感，場(chǎng)景中的綠色樹木越多，視覺感觀效果越好。虛擬校園系統(tǒng)中一些景觀植物的設(shè)計(jì)，制作樹木場(chǎng)景最為復(fù)雜。主要是因?yàn)闃淠颈旧斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)開銷增大。所以，樹木作為自然場(chǎng)景的重要構(gòu)成因素，一直是虛擬環(huán)境中非常重要的研究對(duì)象。如果將樹分解成大量的小段，每一段用基本幾何體來近似，這樣得到的樹木場(chǎng)景模型的多邊形數(shù)將達(dá)到一個(gè)極高的數(shù)量級(jí)，這顯然是不可取的，而且對(duì)于實(shí)時(shí)響應(yīng)要求也是不合理的。所以，想通過詳細(xì)建模的方法來表示大量的樹木是很難的。利用紋理映射來實(shí)現(xiàn) 樹木的簡(jiǎn)單表示是可取的捷徑。有幾種表示方法：粒子分形法和利用紋理來表示的方法、十字交叉法和公告牌 (Billboard)法等。下面主要介紹本系統(tǒng)用到的公告牌 (Billboard)法。 公告牌技術(shù)（ Billboard）是采用多邊形面模擬，當(dāng)視點(diǎn)改變時(shí)，基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 53 此多邊形會(huì)繞指定的軸旋轉(zhuǎn)從而保證始終面向著視點(diǎn)。只要時(shí)刻保持二維紋理樹林圖像的法線矢量指向觀察者，就可以形成非常真實(shí)的三維景觀，從不同的角度觀察均可獲得樹木的較為完整的圖像。在 X3D中， Billboard節(jié)點(diǎn)提供了這一功能。通過設(shè)定 Billboard中axisOfRotation域，可以規(guī)定樹木的旋轉(zhuǎn)軸。 以下是利用 Billboard技術(shù)構(gòu)建的樹木，不論如何改變視角，樹木始終正面朝向?yàn)g覽者。如圖 1 19所示。 圖 18 樹木效果圖 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 54 圖 19 樹木效果圖 虛擬校園的整體拼合 要把不同的模型整合在一起，必須首先深刻了解坐標(biāo)系。在 X3D中，能創(chuàng)建任意數(shù)目的坐標(biāo)系。每個(gè)新坐標(biāo)系都是相對(duì)于另一個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)而定位的，稱為坐標(biāo)平移。當(dāng)一個(gè)新的坐標(biāo)系相對(duì)于另一個(gè)時(shí)，我們說新坐標(biāo)系是嵌入到父坐標(biāo)系中的子坐標(biāo)系。同樣地，父坐標(biāo)系也能嵌入到另一個(gè)坐標(biāo)系中等等。坐標(biāo)系的這種父子關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)坐標(biāo)系的家族樹。坐標(biāo)系樹中最上面的父坐標(biāo)系是 X3D文件中的根坐標(biāo)系。每個(gè) X3D文件都有一個(gè)根坐標(biāo)系。所有其他坐標(biāo)系，根據(jù)它們?cè)谧?標(biāo)系家族樹中的位置，直接或間接地是根坐標(biāo)系地后代。所以根坐標(biāo)系常常被稱為世界坐標(biāo)系 (World Coordinate System)。 造型總是創(chuàng)建于一個(gè)坐標(biāo)系中。如果使用 Transform節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建另一個(gè)坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中創(chuàng)建的任何造型都是被放置在新坐標(biāo)系的原點(diǎn)上。如果 Transform節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)原點(diǎn)是由父坐標(biāo)系的原點(diǎn)平移而得，在 Transform節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系中的任何造型將坐標(biāo)系一起平移，相對(duì)于父坐標(biāo)系來說是平移過的。 由于整個(gè)校園場(chǎng)景中的各個(gè)物體是通過相對(duì)位置關(guān)系組織起來的，因此需要確定某一個(gè)物體作為基 準(zhǔn)和參照來確定其它物體的位置。本系統(tǒng)以學(xué)校正門作為參考標(biāo)準(zhǔn)。拼合方法如下： ，利用一個(gè) Box 節(jié)點(diǎn)來作為學(xué)院的整體地表，更改其參數(shù)，使得它的大小和學(xué)校的總面積相同。 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 55 ，通過電子地圖（如百度地圖）測(cè)量其他建筑距參照點(diǎn)的距離，根據(jù)比例，用 Transform節(jié)點(diǎn)改變實(shí)體位置。 Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，將創(chuàng)建好的各實(shí)體整合到校園中確定的位置上，最終完成虛擬校園的整體建設(shè)。 拼合時(shí)，單獨(dú)建立一個(gè) X3D文件，用于拼合各實(shí)體。在本系統(tǒng)中，以 。運(yùn)行 ，系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖 20所示。 圖 20 系統(tǒng)運(yùn)行截圖 系統(tǒng)的測(cè)試與優(yōu)化 軟件測(cè)試的目標(biāo)，就是為了更快、更早地將軟件產(chǎn)品或軟件系統(tǒng)中所存在的各種問題找出來，并促進(jìn)開發(fā)各類人員盡快地解決問題，最終及時(shí)地向客戶提供一個(gè)高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品，使軟件系統(tǒng)更好地滿足用戶的需求，同時(shí)滿足軟件組織自身的要求。 基于 X3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 56 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境 為了讓本系統(tǒng)能夠在較普通的機(jī)器上順利的運(yùn)行，系統(tǒng)測(cè)試所選用的計(jì)算機(jī)為中等配置，具體的配置如下： 處理器： Intel(R) Core(TM) i5 M430 @ 雙核 內(nèi)存： 4GB 硬盤空間： 500GB 顯卡： 512MB獨(dú)立顯存 網(wǎng)卡： 集成 10/100/1000以太網(wǎng)卡 操作系統(tǒng)： Windows 7 SP1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議： TCP/IP 瀏覽器： Inter Explorer 以上 插件： BS 測(cè)試結(jié)果與優(yōu)化 測(cè)試的主要內(nèi)容為本系統(tǒng)的瀏覽效果。本系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果表明本系統(tǒng)基本能正常且良好的運(yùn)行，用戶能以不同的視點(diǎn)從不同的角度進(jìn)行瀏覽。 但是測(cè)試過程中主要出現(xiàn)了以下兩個(gè)方