【正文】 07),2007[20]靳敏, 郁宇. 虛擬現(xiàn)實在學(xué)校建設(shè)中的應(yīng)用. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), : 2527.[21]李敏. 基于OpenGL的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)：[碩士論文].山東大學(xué), [22] 李建偉, 吳學(xué)偉, 苗前軍, 王金良. 虛擬現(xiàn)實演示系統(tǒng)的開發(fā). 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2006, 34(3):9394.36 / 36。4. 優(yōu)化代碼及模型的構(gòu)建，降低系統(tǒng)對計算機(jī)資源的占用，提高系統(tǒng)的渲染速度。2. 需要開發(fā)更多特殊效果，如動態(tài)水流、雨/霧天氣效果等。 進(jìn)一步的工作雖然本系統(tǒng)實現(xiàn)了虛擬校園的漫游功能，但由于水平與時間上的限制，離完善仍有不少差距。2. 基于X3D技術(shù)，綜合運(yùn)用多種方法，完成了虛擬校園場景的設(shè)計與建設(shè)。本系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行測試，運(yùn)行結(jié)果基本達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。 總結(jié)通過不斷研究摸索，充分發(fā)揮多種創(chuàng)作工具的優(yōu)點，以深圳大學(xué)為對象的虛擬校園漫游系統(tǒng)基本完成。本文在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上討論了虛擬校園的設(shè)計與實現(xiàn)。圖23 當(dāng)VisibilityLimit設(shè)定成50時效果圖經(jīng)過優(yōu)化以后，再次測試時，畫面顯示的效果有了明顯的提高，雖然加載仍有延遲，但是相對未優(yōu)化時有很大的改觀。圖21 當(dāng)VisibilityLimit設(shè)定成40時效果圖當(dāng)VisibilityLimit設(shè)定成45時，較遠(yuǎn)的景物科技樓（圖片左上角）無法全部顯示，如圖22所示。因此應(yīng)該在效果和速度間取得平衡。以下是使用后三種方法優(yōu)化前后系統(tǒng)的加載速度及流暢程度的結(jié)果對比，如表1所示。空間的細(xì)節(jié)層次原理是通過空間距離的遠(yuǎn)近來展現(xiàn)空間造型的各個細(xì)節(jié)。在X3D中，可通過NavigationInfo（視點導(dǎo)航）節(jié)點中的visibilityLimit閾值實現(xiàn)。4．?dāng)z像機(jī)的合理設(shè)置。對于相同造型的節(jié)點，第一次使用時用 DEF 屬性命名，以后就可以使用 USE 屬性引用這個命名的節(jié)點。虛擬校園中有些表面的紋理細(xì)節(jié)差別較小，如不同路段的路面紋理，柵欄紋理等，采用子紋理進(jìn)行處理，既避免了明顯的雷同，又可以節(jié)省內(nèi)存[23]。對于建筑物，由于其外觀多為方形，因此，盡量采用簡單的立方體模型，在一些細(xì)節(jié)的地方則可以利用新的立方體重疊在上面，這樣就不需要對原有的立方體進(jìn)行分割，從而減少面數(shù)[22]。優(yōu)化的時候遵循了“速度優(yōu)先，兼顧細(xì)節(jié)”的原則，在保證速度的前提下，再盡可能地滿足細(xì)節(jié)需要。但是測試過程中主要出現(xiàn)了以下兩個方面的問題：一是機(jī)器配置不高，造成了部分場景加載顯示時有點延遲；二是當(dāng)攝像機(jī)出現(xiàn)在場景對象較多的地方時，運(yùn)行不夠流暢。 系統(tǒng)測試環(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)測試所選用的計算機(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：Internet Explorer 以上插件：BS 測試結(jié)果與優(yōu)化測試的主要內(nèi)容為本系統(tǒng)的瀏覽效果。系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖20所示。拼合時，單獨建立一個X3D文件，用于拼合各實體。，通過電子地圖（如百度地圖）測量其他建筑距參照點的距離，根據(jù)比例，用Transform節(jié)點改變實體位置。本系統(tǒng)以學(xué)校正門作為參考標(biāo)準(zhǔn)。如果Transform節(jié)點的坐標(biāo)原點是由父坐標(biāo)系的原點平移而得，在Transform節(jié)點的坐標(biāo)系中的任何造型將坐標(biāo)系一起平移，相對于父坐標(biāo)系來說是平移過的。造型總是創(chuàng)建于一個坐標(biāo)系中。所有其他坐標(biāo)系，根據(jù)它們在坐標(biāo)系家族樹中的位置，直接或間接地是根坐標(biāo)系地后代。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。同樣地，父坐標(biāo)系也能嵌入到另一個坐標(biāo)系中等等。每個新坐標(biāo)系都是相對于另一個坐標(biāo)系的原點而定位的，稱為坐標(biāo)平移。圖18 樹木效果圖圖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。以下是利用Billboard技術(shù)構(gòu)建的樹木，不論如何改變視角，樹木始終正面朝向瀏覽者。在X3D中，Billboard節(jié)點提供了這一功能。公告牌技術(shù)（Billboard）是采用多邊形面模擬，當(dāng)視點改變時，此多邊形會繞指定的軸旋轉(zhuǎn)從而保證始終面向著視點。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。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。所以，樹木作為自然場景的重要構(gòu)成因素，一直是虛擬環(huán)境中非常重要的研究對象。虛擬校園系統(tǒng)中一些景觀植物的設(shè)計，制作樹木場景最為復(fù)雜。圖16 科技樓運(yùn)行效果圖 運(yùn)行效果如圖17所示。 運(yùn)行效果圖如圖15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。此方法避免了構(gòu)造復(fù)雜的樹木造型，且真實感較強(qiáng)。利用Billboard節(jié)點節(jié)點將該造型包含進(jìn)去。首先需要一張png格式的樹木圖片，圖片只保留樹木的形象，此操作可通過photshop摳圖實現(xiàn)。利用Box節(jié)點，生成立方體覆蓋于地面之上，利用TextureTransform節(jié)點映射綠地圖片。利用Box節(jié)點，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)點進(jìn)行紋理的映射。（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。4）利用Transform節(jié)點對幾何造型進(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。2）利用Group節(jié)點，對幾何造型進(jìn)行編組、組合，生成更為復(fù)雜的幾何造型?？梢詮膱D書館的第一層起，逐層往上添加造型。通過translation（方位）域值、rotation（旋轉(zhuǎn)）域值、scale（規(guī)模）域值，可以達(dá)到改變造型位置、大小的目的。（8）Transform節(jié)點。把Group節(jié)點中所包含全部節(jié)點視為一個整體，當(dāng)作一個完整的空間造型來對待。（7）Group節(jié)點。該節(jié)點可以在世界坐標(biāo)系之下創(chuàng)建一個局部坐標(biāo)系，選定一個旋轉(zhuǎn)軸后，這個節(jié)點下的子節(jié)點所構(gòu)成的虛擬對象的正面會永遠(yuǎn)自動地面對觀眾。該節(jié)點是一個三維立體幾何造型節(jié)點，表示一個由一組頂點構(gòu)建成的一系列平面多邊形形成的3D立體造型。Cylinder 節(jié)點的主要屬性有 height(高度)、radius(半徑)以及是否包含頂面(top)、側(cè)面(side)和底面(bottom)等。（4）Cylinder節(jié)點。該節(jié)點的作用是生成立方體。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。通過Material域，可以設(shè)定材料的顏色，該顏色為單一的顏色。該節(jié)點用來定義物體的外觀屬性，通常為Shape節(jié)點的子節(jié)點。該節(jié)點包含兩個子節(jié)點，分別為Appearance（外觀）節(jié)點與Geometry（幾何造型）節(jié)點。圖13 圖書館建筑設(shè)計層次結(jié)構(gòu)圖書館北館場景建設(shè)主要用到了以下的X3D節(jié)點：（1）Shape造型節(jié)點。圖書館建筑場景設(shè)計層次結(jié)構(gòu)如圖13所示。1. 圖書館北館圖書館北館場景設(shè)計由圖書館設(shè)計和布局圖書館周圍環(huán)境設(shè)計組成，創(chuàng)建逼真的虛擬現(xiàn)實三維立體場景，包括建筑物的設(shè)計、綠化帶場景設(shè)計及人行道設(shè)計等。其實現(xiàn)方法是：將校內(nèi)每個建筑各個面的紋理數(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，分別對每個面進(jìn)行紋理映射。由于校內(nèi)的建筑物特別多，如果要一一進(jìn)行建模，會花費大量的時間，而且影響了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。2．建筑物的紋理映射建筑物并不是一個空白的面，一般的建筑物上都有窗戶，貼有各式各樣的瓷磚。(3)對于較復(fù)雜的模型采用新拆分，使之簡單化，然后再進(jìn)行建模。由于建筑物數(shù)目眾多，為了較好地實現(xiàn)對樓群建的建模任務(wù)，可以根據(jù)實際情況確定其設(shè)計原則[21]：(1)由于本系統(tǒng)虛擬的是一個實際存在的校園，為了取得較真實的效果，現(xiàn)實存在的建筑在虛擬環(huán)境中盡量都進(jìn)行建模。在虛擬校園漫游系統(tǒng)中，從真實感和渲染效率兩個方面出發(fā)，本系統(tǒng)選用了方法一生成天空。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。3．球形方法球形方法繪制的天空較天空盒優(yōu)點更多，霧化效果可以繪制得更加均勻。(2)頂圖的四邊必須與前后左右圖的上邊相連。首先生成一個足夠大的立方體，通過在立方體盒子的5個不同面上貼上表現(xiàn)天氣效果的不同的天空紋理來達(dá)到逼真的模擬效果。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。X3D瀏覽器就是在這些空間角所指位置進(jìn)行著色的。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。根據(jù)用戶所需要的真實程度，可以采用多種方法來實現(xiàn)[21]：1．用一種接近天空的淡藍(lán)色來作為背景。地面綠化帶丘陵 道路 圖11 地面設(shè)計層次結(jié)構(gòu)圖12是深圳大學(xué)地面設(shè)計的運(yùn)行效果圖。對于丘陵、山脈等起伏不平的地形，可以使用ElevationGrid節(jié)點進(jìn)行創(chuàng)建。對于不同紋理的地形，如綠地、土地等，可疊加在整個校園地面上。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，且對系統(tǒng)資源的消耗要小得多。如果在可視化過程中對地形的生成只是視覺上的要求，而非真實世界的再現(xiàn)，則可以采用模擬地形。三維真實感地形的繪制一直是國內(nèi)外圖形學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點，其可視化程度高、實用方便、可實時生成的優(yōu)點已成為圖形工作者的共識。地形對象模型是虛擬校園模型系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是布置地物對象模型的依據(jù)。鑒于虛擬校園系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，本文選取幾個有代表性的幾個場景進(jìn)行詳細(xì)敘述。（4）透明貼圖普通的貼圖文件都是矩形的，這對處理非規(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彌補(bǔ)這一缺陷，在制造花叢、樹木、雕像等不規(guī)則模型時，如果直接造三維模型來模仿這些景物，既不神似又花功夫，利用透明貼圖的這一優(yōu)點，可達(dá)到逼真建模的效果。但是在實際操作中，會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。通常使用到的是“亮度/對比度”與”色彩平衡”對話框命令。（2）調(diào)整色調(diào)受拍攝數(shù)碼照片的時間、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)。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，應(yīng)盡量爭取獲得純景物的圖片，但在實際操作中難以避免會出現(xiàn)人或車輛等的遮擋，這時就需要對照片進(jìn)行雜景處理。由于受拍攝時的天氣及周圍環(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。此外可以利用虛擬地球軟件（如谷歌地球）進(jìn)行輔助性的測量。為保證虛擬校園系統(tǒng)的真實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．對于各對象實體的在虛擬校園中的位置，先確定一個原點，如學(xué)校的正門，然后通過電子地圖（如百度地圖）上的測距功能，測量對象實體到原點的距離。通過上述三個步驟，即可完成虛擬校園漫游系統(tǒng)的建設(shè)。根據(jù)具體場景模型的類型和復(fù)雜情況采取適當(dāng)?shù)慕７椒ǎ罱K得到了校園中各個實體的場景文件（*.x3d）。這些信息可通過實地考察以及結(jié)合電子地圖（如百度地圖）、虛擬地球軟件（如谷歌地球）獲得。校園場景 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 圖10 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)實現(xiàn)的軟硬件環(huán)境開發(fā)本系統(tǒng)的硬件環(huán)境為：處理器：Intel(R) Core(TM) i5 M430 雙核內(nèi)存：2GBx2 雙通道顯卡：ATI Mobility Radeon HD 5145 (512 MB)圖片拍攝設(shè)備：SONY DSCT300，Ipad4開發(fā)本系統(tǒng)的軟件環(huán)境為：操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 7 旗艦版 Service Pack 1 (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 第四章 虛擬校園場景設(shè)計與實現(xiàn)虛擬校園場景的建設(shè)是整個虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，虛擬校園場景的建設(shè)可以分成分三步[2]：第一步，想要建立一個真實的虛擬校園，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物體的長度、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)。圖9 虛擬校園總體規(guī)劃效果圖層次結(jié)構(gòu)就是按照物體的類別進(jìn)行劃分，同一類物體作為一個集合，而在每一個集合里又可以再細(xì)分，比如：整個場景可以由建筑物、道路、樹木等組成，而建筑物又分為教學(xué)樓、宿舍、圖書館等，如圖10所示。