西科大臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)設計實現(xiàn)

西科大臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)設計實現(xiàn)馬天;韋冠【摘要】針對西科大臨潼校區(qū)宣傳的需求，基于3DMax和OSG設計實現(xiàn)了一套臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng).首先，應用3DMax對整個臨潼校區(qū)進行三維建模，提出了一種大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法.然后，基于VS2005和OSG對臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)進行設計實現(xiàn)，提出了一種自主漫游碰撞檢測方法，并實現(xiàn)了自動路徑場景定位功能.應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)達到了實時三維交互需求和預期顯示效果.【期刊名稱】《西安科技大學學報》【年(卷)，期】2014(034)001【總頁數(shù)】4頁(P67-70)【關(guān)鍵詞】虛擬校園;三維建模;交互漫游;開放場景圖【作者】馬天;韋冠【作者單位】西安科技大學計算機科學與技術(shù)學院，陜西西安710054;西安科技大學計算機科學與技術(shù)學院，陜西西安710054【正文語種】中文【中圖分類】TP391.90引言虛擬現(xiàn)實(Virtualreality，簡稱VR)技術(shù)發(fā)展迅速，并已廣泛應用于數(shù)字礦山［1-3］、軍事工業(yè)［4］、醫(yī)學教育、城市規(guī)劃等各行業(yè)中。應用VR技術(shù)對建筑物進行實時交互漫游，能夠給人們帶來沉浸式的視覺體驗。越來越多的國內(nèi)夕卜高校通過三維交互漫游技術(shù)，設計了虛擬校園系統(tǒng)，達到了很好的宣傳效果，并可幫助新生盡快熟悉校園。因此，設計開發(fā)西安科技大學臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)，具有一定的理論意義和應用價值。虛擬校園系統(tǒng)一般是應用在桌面電腦平臺上，前期多是基于OpenGL,DirectX圖形接口[5]實現(xiàn)，開發(fā)周期較長、系統(tǒng)效率不穩(wěn)定；為了簡化開發(fā)流程、提高提高渲染效果，目前一般是采用開源三維渲染引擎OSG[6],Ogre等，或者商業(yè)軟件VR-Platform[7],Vega等進行開發(fā)；近來也有引入GIS系統(tǒng)[8]和在移動平臺上[9]的開發(fā)應用。綜合考慮上述虛擬校園系統(tǒng)的優(yōu)缺點，基于節(jié)約開發(fā)成本和完全知識產(chǎn)權(quán)需求，文中首先基于3DMax三維建模軟件對整個臨潼校區(qū)進行三維建模，提出了一種大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法。然后，基于VS2005平臺和OSG三維渲染引擎，對臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)進行設計實現(xiàn)，提出了一種自主漫游碰撞檢測方法，并實現(xiàn)了自動路徑場景定位功能。1臨潼校區(qū)三維模型建立在正式建模之前，對臨潼校區(qū)進行了大量的照片采集，觀察分析校區(qū)整體結(jié)構(gòu)及建筑物特點。仔細分析策劃各部分建模的先后次序，把握各階段建模工作的難易程度，理清場景模型的分類處理流程。1.1大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法以臨潼校區(qū)平面圖和衛(wèi)星圖片為基礎，通過分析臨潼校區(qū)整體結(jié)構(gòu)，決定首先進行校園縱橫穿插的道路地形建模，然后依此為基礎進行建筑物區(qū)域劃分，就可確定整個校園的建筑之間的相對位置和結(jié)構(gòu)錐形，后續(xù)建立的建筑物模型只需放置到對應位置并做適當?shù)恼{(diào)整即可，這也可大大縮短建模工作的時間。具體步驟如下1） 基于衛(wèi)星圖片和采集照片資料，對主干道路和地形地貌建模；2） 以主干道路進行建筑物區(qū)域劃分，如圖1所示，主要分為:廣場教學區(qū)、9-18教學區(qū)、教師公寓區(qū)、學生宿舍區(qū)、體育場區(qū)、食堂區(qū)等；對各區(qū)域內(nèi)建筑物進行分類，主要分為:教學樓、教師公寓樓、學生宿舍樓、圖書館、體育館、綜合樓、行政樓等主要建筑，用3DMax對各主要建筑分別建模，最后倒出成單獨的三維模型文件；根據(jù)區(qū)域劃分，用3DMax分場景進行建模，直接導入步驟(3)中所需的主要建筑，調(diào)整相對位置以符合真實布局，同樣倒出成單獨的三維模型文件；在步驟(1)的場景里分別倒入步驟(4)里各個區(qū)域的場景模型，調(diào)整相對位置以符合真實布局，完成整個校區(qū)場景的三維建模。最后，所有模型統(tǒng)一使用3DMax的osgExp插件倒出成IVE格式，方便后續(xù)三維引擎OSG進行模型調(diào)度。1.2三維模型建立及優(yōu)化方法圖1基于衛(wèi)星圖的區(qū)域劃分Fig.1Zoningbasedonsatelliteimage道路建模，采用3DMax中樣條線的描線段法進行道路畫線，然后轉(zhuǎn)換為〃可編輯多邊形”，設置漫反射紋理，并通過“UVW貼圖”修改器調(diào)整；地形建模，填補路面之間的空隙，編輯調(diào)整地形高程，設置地質(zhì)紋理。樹木和花壇則使用布告板(Billboard)技術(shù)進行建模，建立兩個十字交叉的矩形布告板，設置透明樹木或花紋理。草坪建模，將草坪地面〃分離”出來，設置草坪紋理；三里河也是一樣，對河流平面設置一張動態(tài)水流紋理即可。主要建筑建模，首先是紋理圖片采集處理，受到照片采集條件限制，照片會傾斜、遮擋或不完整，需使用圖像處理軟件Photoshop進行拼接、修正，然后保存成2mx2n大小的標準紋理圖片；其次是幾何形狀建立，需要進行分塊建模，對于非標準形狀，可通過〃可編輯多邊形”的點、線調(diào)整和面〃擠出”操作實現(xiàn)，考慮到貼圖作用，墻面等幾何細節(jié)可適當簡化，注意:分塊之間連接處的頂點要〃焊接”到一起以避免顯示閃爍；然后進行層次細節(jié)(LayerofDetail,LOD)模型處理，在精細模型的基礎上，通過簡化處理生成不同級別的低精度模型，可在遠距離觀察時切換使用，而不影響顯示效果，圖2所示為體育館的LOD模型；最后利用3DMax的渲染到紋理(Rendertotexture，RTT)功能，將離線的高級光照等效果烘焙成高精度紋理貼圖，可在不影響實時性的基礎上提高模型顯示效果。圖2體育館LOD模型Fig.2LODmodelsofthegymnasium2三維虛擬校園系統(tǒng)設計實現(xiàn)整個三維場景采用OSG進行管理和繪制，在VS2005平臺通過控制臺應用程序?qū)崿F(xiàn)，利用OSG的事件回調(diào)機制響應用戶交互，狀態(tài)和文字信息等的更新通過OSG的更新回調(diào)機制實現(xiàn)。2.1三維場景管理OSG是基于場景圖［10］方式來管理和繪制三維場景，采用一種自頂向下的分層樹形結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，以提升繪制的效率。場景圖樹結(jié)構(gòu)的頂部是一個根節(jié)點。從根節(jié)點向下延伸，各個組節(jié)點中均包含幾何信息和用于控制其外觀的繪制狀態(tài)信息。本系統(tǒng)場景組織參照1.1節(jié)的劃分建模方法，場景樹結(jié)構(gòu)如圖3所示，對于幾何結(jié)構(gòu)相同的建筑只載入一個模型，通過多個osg::MaxtrixTransform節(jié)點設置不同的旋轉(zhuǎn)和位置，來實例化多個同構(gòu)建筑，例如：10~18號教學樓完全是一樣的結(jié)構(gòu)，只需載入一次〃教學樓10”模型；對于結(jié)構(gòu)復雜的建筑模型，需要使用osg:LOD節(jié)點來加載不同距離下的LOD模型。圖3場景樹結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structuregraphofthescenetree2.2自主漫游碰撞檢測方法自主漫游交互操作器通過繼承自osgGA:MatrixManipulator類實現(xiàn)，重載其handle()函數(shù)來響應鼠標和鍵盤的交互操作，具體是鍵盤4個按鍵控制前、后、左、右移動，鼠標左鍵控制左右和俯仰旋轉(zhuǎn)，所有移動、旋轉(zhuǎn)量在響應某個操作時按照固定步長改變；重載getMatrix()和getInverseMatrix()函數(shù)，通過矩陣運算將改變后的移動、旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成相應的變換矩陣。圖4自主漫游碰撞檢測流程圖Fig.4Flowchartofindependentroamingcollisiondetection在自主漫游過程中會碰到階梯、斜坡或墻面障礙物等情況，需要設計合理的碰撞檢測方法以修正漫游移動，這里通過osgUtil::IntersectVisiotr類實現(xiàn)，主要使用osg::LineSegment類做線段檢測，具體檢測流程如圖4所示，首先建立正前方的檢測線段lineXY，測試正前方是否有碰撞，如果有需要判斷前方障礙物是斜坡、樓梯還是墻面，因此繼續(xù)建立前上方的檢測線段lineXZ，測試前上方是否有碰撞，如果有說明是比較高的墻面，保持不動，如果沒有則說明是斜坡、樓梯，需要沿著前上方向移動；如果正前方?jīng)]有碰撞，需要判斷下方是否有斜坡、樓梯，因此繼續(xù)建立正下方的檢測線段lineZ，測試正下方是否有碰撞，如果有則沿地面向正前方向移動，如果沒有則說明是斜坡、樓梯，需要向前下方向移動。2.3自動路徑場景定位臨潼校區(qū)主要功能建筑數(shù)量不是很多，這里采用人工錄制漫游路徑的方式來實現(xiàn)場景定位。1） 通過osgViewer進行道路模型的瀏覽，按下“Z”鍵可記錄漫游路徑，按下“Z”鍵停止錄制，并自動保存為path格式的路徑文件。這里使用飛行模式分別錄制從大門到圖書館、食堂等功能建筑的漫游路徑。2） 創(chuàng)建一個osgGA:AnimationPathManipulator動畫路徑操作器；3） 使用osgWidget創(chuàng)建簡單界面按鈕，根據(jù)按鈕選擇的功能建筑，給動畫路徑操作器關(guān)聯(lián)所需路徑文件，并將相機漫游器設置為該動畫路徑操作器。3應用結(jié)果系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為VS2005SP1和OSG2.8.2，運行該系統(tǒng)的主機操作系統(tǒng)為WindowsXPSP3，硬件配置為:CPU為InterCore2DuoT5870/2.0GHz，內(nèi)存為DDRII800/2G，顯卡為NVIDIAGe-ForceG105M/512M，硬盤SATA250G/7200/16M.系統(tǒng)運行的臨潼校區(qū)全景效果如圖5所示，三維顯示效果達到預期。經(jīng)測試，平均幀速為58幀/s，完全滿足實時交互的需求(230幀/s)。圖5系統(tǒng)運行截圖Fig.5Screenshotofthesystem4結(jié)論文中提出的一種大規(guī)模建筑物場景的劃分建模方法，可最大限度的提高模型的復用率和建模效率。經(jīng)應用測試，基于3DMax和OSG設計實現(xiàn)的臨潼校區(qū)三維虛擬校園系統(tǒng)，實現(xiàn)了自主漫游的碰撞檢測、自動路徑場景定位交互功能。該系統(tǒng)滿足了整個校區(qū)的實時三維交互漫游的要求，達到了預期的三維顯示效果。后續(xù)，繼續(xù)進行模型顯示優(yōu)化和交互功能完善，并考慮進行網(wǎng)絡編程改造，然后放到校園網(wǎng)站上以達到最大的應用宣傳效果。參考文獻References[1]陳宇，劉勇，李紹泉.數(shù)字礦山信息管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].西安科技大學學報，2012,32(6):732-735.CHENYu,LIUYong,LIShao-quan.Designandimplementationofdigitalmineinformationmanagementsystem[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology,2012,32(6):732-735.[2]周亦鵬，胡娟.基于三維全景技術(shù)的數(shù)字礦山漫游系統(tǒng)[J].金屬礦山，2012(5):116-120.ZHOUYi-peng,HUJuan.Digitalmineroamingsystembasedon3Dpanoramatechnology[J].MetalMine,2012(5):116-120.[3]賈建華，張艮龍.巷道三維顯示自動建模新方法[J].西安科技大學學報，2010,30(6):716-719.JIAJian-hua,ZHANGGen-long.3DvisualizationofroadwaybasedonArcGIS[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology,2010,30(6):716-719.[4]馬天，黃建國，高偉，等.應用GPU編程的水聲對抗視景系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學學報，2012,33(3):289-295.MATian,HUANGJian-guo,GAOWei,etal.VisualrealizationofanacousticconfrontationsimulationsystemusingGPUprogramming[J].JournalofHarbinEngineeringUniversity,2012,33(3):289-295.[5]陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/OpenGL的虛擬海大校園導航系統(tǒng)[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2007,19(2):263-267.CHENYong,MAChun-yong,CHENGe.VirtualcampusnavigationofoceanuniversitybasedonVC/OpenGL[J].JournalofComputer-aidedDesign&ComputerGraphics,2007,19(2):263-267.[6]溫轉(zhuǎn)萍，申閆春.基于OSG的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2009,19(1):217-220.WENZhuan-ping,SHENYan-chun.DesignandimplementationofvisualcampusramblesystembasedonOSG[J].ComputerTechnologyandDevelopment,2009,19(1):217-220.[7]楊宏艷，史卓，鐘艷如.基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字化校園漫游系統(tǒng)設計[J].桂林電子科技大學學報，2011,31(4):287-291.YANGHong-yan,S