摘要 虚拟现实技术是一种跨学科的新技术，应用领域广泛。本文详细介绍了校园漫游系统的开发技术和具体的实现方法，给出虚拟场景的构造过程，实现了校园场景的虚拟漫游。
关键词 虚拟现实 场景 碰撞检测 校园漫游1 引言 随着计算机软硬件技术的发展，利用虚拟现实技术进行复杂场景的虚拟漫游已成为可能，利用这一技术我们可以游览虚拟校园欣赏校园景致。在虚拟现实的发展过程中人们总结出一个虚拟现实系统应具有以下三个特征：沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象力(Imagination)。它们分别表示虚拟环境模拟的真实程度，与虚拟环境进行交互的自然程度和用户在虚拟环境中的认知能力。因此增强沉浸感，提高交互的方便性以及丰富人们的想象力是进行复杂虚拟场景漫游所应遵循的原则。 2 虚拟漫游系统 虚拟漫游系统是一个以逼真的视觉、听觉、触觉为一体的特定范围的虚拟环境，它是一个真实的或假象的仿真虚拟空间，用户借助一定的装备在虚拟环境中进行虚拟漫游，从任意角度对虚拟环境中的对象进行观察，从而产生身临其境的感觉，同时也能对物体进行操作和规划，满足用户的所需要求。它的工作主要由2部分组成：漫游引擎的实现和三维场景的建模． 三维场景建模就是构建虚拟校园环境，是漫游系统设计的核心问题之一．因为MultiGen Creator是实时仿真建模软件，且MultiGen Creator是一个高效，优秀的VR视景模型开发工具，它的优势在于大场景地理环境的生成及浏览，能高效快速的实现实时场景的绘制，所以，选择MultiGen Creator完成三维场景建模。MultiGen Creator所完成的校园模型是静止不动的，此时应该让模型动起来，才能让参观着有身临其境的感觉。漫游引擎主要用来控制和渲染三维场景，考虑到与MultiGen Creator的相互配合，校园漫游系统选用Vega作为漫游引擎，在Vega环境中加入MultiGen Creator所建立的场景模型，根据观察者的位置、光照、消隐信息，在计算机显示器上输出绘制渲染的图形画面，从而完成虚拟校园场景的漫游．
图1 漫游系统框图 3 虚拟校园的模型构造 校园是复杂场景，因此利用MulitGen软件来建立校园场景的多边形几何模型，并建立虚拟环境中的光照与材质模型。为了提高场景的真实感，采用纹理拼贴，空间布光等方法。为了提高仿真速度，对复杂的模型采用LOD建模方法。具体方法如下： ⑴ 对学校所处的地理环境进行地形建模，根据校区的地形特点，把总体划分为若干区域，并确定每个区域上的景物及相关特征．在各个区域边上构建道路，对构建道路赋予其在现实中所具的一些属性，且从中获得路径数据，以备后期漫游使用。如遇到相对突兀或凹下的地方如小山湖泊等，则需进行特殊处理。 ⑵ 对划分区域中的主要建筑物建立三维几何模型，并且根据漫游要求，逐步细化到每一个结构。在实际的建模过程中，可根据要建立模型的特点选择建模方法。如果要建立有规则的平面几何体，可使用多边形方法；如果要建立有复杂曲面的几何体，则应使用面片或者NURBS法。对于象室外楼宇等建筑物的模型的建立，可以用简单几何体拼贴纹理的方法，对于室内物体，则可以用比较复杂的几何体，来满足仿真的要求。 ⑶ 纹理贴图也是建模中的重要环节。首先，要进行素材准备，为了表现现实场景，应该使用数码相机采集物体的表面纹理照片；接着对素材进行处理，采用Photoshop 进行纹理处理；最后进行贴图，可以使用3点，4点，放射，球面，环境贴图等贴图工具。 ⑷ 若有建筑物尚未施工建设，则需根据校园总规划平面图和工程建筑图纸来获取信息建立模型。构件建方法为： ① 根据校园总规划平面图确定建筑物的具体方位，分析工程建筑图纸，采用自顶向下方法层层细化，确定建筑物的树状层次结构图。 ② 根据层次结构图，创建可视模型。 ③ 消除冗余的表面多边形，降低整个场景的复杂度。 ④ 对建好的模型进行纹理处理，贴上适当处理好的纹理和材质，使其与真实景物相符． ⑤ 将层次细节技术与纹理映射技术结合使用，降低场景实时渲染的复杂度。 ⑸ 对划分区域进行外观景物建模，其中包括树木、花草、围栏、运动器材等．其中树木模型遍步了校园的每个角落，树木模型的逼真与否决定了整个场景的真实性和层次性。为了既使模型有较强的真实感又可以控制模型的多边形数，需要将细节等级管理技术引申，对远处的树用两个十字交叉的面来模拟，对近处的树用Billboard多边形面来模拟。 ⑹ 根据视点所见的物体细节要求以简单造型来代替复杂造型，删除视点不可见的面片并进行面片合并。 ⑺ 优化各个区域的模型，并按照地形图所绘制的相关位置，依次连接成整体的虚拟模型．4多细节层次模型生成 随着描述校园场景中描述几何模型的三角形数目的增多，所绘制的图象质量越来越高，但是绘制的速度也越来越慢，从而形成了一对矛盾。此时可以使用LOD方法来解决这个矛盾,LOD方法是解决复杂场景与计算机能力不匹配的一种有效途径。 LOD方法的基本思想是：对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方式。当物体离视点较远，或物体较小时，就可以使用较粗的
[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />LOD模型绘制。反之，当物体离视点较近，或物体较大时，就必须用较精细的LOD模型来绘制。同样，对于场景中的运动的物体，也可以用类似的处理方法，对于运动速度快或处于运动中的物体，采用较粗的LOD，而对静止的物体，则采用较细的LOD。下面结合校园模型来说明建筑物的LOD层次：
图2 校园建模流程图5碰撞检测 在虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，此时为保持环境的真实性，需要及时检测到这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，否则物体会发生穿透现象，破坏虚拟环境的真实感和用户的沉浸感。 在碰撞检测中， 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com第一是检测到碰撞的位置；第二是计算碰撞后的反应。考虑碰撞检测方法以及虚拟漫游中对碰撞检测的特殊要求本漫游引擎中采用基于视点向前线段探测的碰撞检测方法。见图3。
图3 基于视线的碰撞检测 (1)设视点为V(在漫游系统中是虚拟人的头部位置)； (2)取视线上沿运动方向距离为d的点M，这是因为某一时刻只有在虚拟人运动的方向才有可能产生碰撞； (3)连接V和M形成线段； (4)计算求得与线段V2L4相交的物体．若其不与任何物体相交，则判断为无碰撞；若线段与多个物体相交，则存在多个交点．此时求得与视点最近的交点C1，即为碰撞检测点，这个最短距离就是碰撞距离． 为了找到碰撞点，最核心的运算是求交．由于在漫游系统中，各种实体模型都是由多边形组成的，所以线段和物体之间的求交运算，可以从2个方面考虑： (1)线段与长方体相交； (2)线段与多边形相交。但是，当视点与物体的距离大大超过线段的长度时，只需判断出它们不可能相交，而不必求它们的交点．因此，系统只对视点与物体包围盒的相交进行运算，以减少不必要的求交运算．一旦发生了视点与虚拟物体之间的碰撞，输入设备给出的前进或后退的指令将立刻被忽略，这是在漫游引擎中给出的简单碰撞响应．在现实中，并不是所有的面都会阻挡漫游者的前进，例如，楼梯的竖面和平缓的山坡斜面，这些面在碰撞检测中都可以检测到，但是在现实生活中这样的面不会阻挡人的前进．因此，当碰撞到这种面时，系统应该能做出正确判断和适当处理，让视点能继续前进．采用的方法是，在漫游系统中给这样的实体设置一个共同的属性，如果与这些实体碰撞时，则对它们进行特殊处理．6结论： 本文通过虚拟校园漫游系统的实现，论述了建筑物的三维建模及相关技术特点并进行了漫游的碰撞检测。文中给出的虚拟现实系统有较好的沉浸感，能满足用户对校园场景虚拟游览的需要。同时，本文中采用的一些方法对正在实施数字化城市，数字化校园的研究也有一定的借鉴作用。
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