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三维建模技术在虚拟校园中的应用研究

文章出处:责任编辑::人气:-发表时间:2019-06-02 12:23:04【
简介:虚拟现实(Virtual Reality, VR) 技术,是近年来在计算机领域引起广泛关注的技术,采用以计算机技术为核心的现代高科技,生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。用户借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。
 
我国在2006-2010年国家中长期科学和技术发展规划纲要中,将VR技术列为了信息技术的前沿技术。高校为了实现大学校园的数字化和虚拟化,对虚拟校园的研究与构建也越来越多。虚拟校园是基于VR技术将校园地理信息和其他信息结合,以三维可视化和虚拟现实场景界面呈现的信息系统。采用VR技术实现虚拟校园中,三维场景建模是-项很重要的工作,它占据了大部分的工程量。虚拟校园三维模型具有自然、真实、形象地表达现实世界中对象的能力。除此之外,虚拟校园从时间、空间维度上扩展了现实校园的功能。
本文主要研究有关虚拟校园三维建模,首先对VR技术进行概括性介绍,阐述了VR系统的基本概念、特征、分类和构成,介绍虚拟校园国内外研究状况。在此基础上提出了本课题的背景和意义,以及研究内容。通过对虚拟校园的总体分析及设计,确定了三维建模的具体实施方法,并研究了LOD技术在三维建模中的应用。接着总结出不同模型的建模方式,以及模型优化的技巧,在-定程度上解决了大型场景浏览速度问题。本文最后对全文进行了总结与展望,拓展了虚拟校园三维建模的研究思路。通过研究并实现整个虚拟校园的建模工程,达到大场景建模的可行性及实用性。


 
1.1课题背景及意义
虚拟现实(Virtual Reality, VR),是近年来得到迅速发展- -个研究领域, 它采用以计算机技术为核心的高新技术,生成逼真的视、听、触觉- -体化特定范围的虚拟环境(Virtual Environment, VE)。 其用户借助辅助设备(如键盘、鼠标、头盔、数据手套等),以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。国内外许多高等院校和科研单位,陆续开展了虚拟现实技术(以下简称VR技术)及其应用系统的研究,取得了比较有意义的研究和应用成果。
 
虚拟校园(Virtual Campus)是VR技术的应用之一,从VR技术、因特网、网上虚拟社区和3S技术(即遥感技术、地理信息系统和全球定位系统)的发展角度来看,虚拟校园被定义为对现实学校三维景观和教学环境的数字化和虚拟化,其实质是基于现实学校的一一个三维虚拟环境,用于支持对现实学校的资源管理、环境规划等。这种定义的虚拟校园,主要侧重于建立三维校园景观虚拟环境,提供三维空间浏览。其进一步 发展面临的问题是:如何在三维虚拟校园基础上,开发更有深度的应用。从信息、网络和媒体技术发展的角度来看,虚拟校园可以被理解为一个以计算机和网络为平台的、以远程教学为主的信息主体。这个主体包括了环境(学习环境、学生社会关系等)、具体内容(授课内容、课程结构、课程社会价值等)、学历证明(考试、学业评估和学历授予等)。根据这两种虚拟校园的特征和存在的问题,虚拟校园的未来发展应该是将上述两个方面的特征进行互补,研究和实验三维虚拟环境与远程教学的融合。实现虚拟校园的意义在于:
 
1、直观了解校园:
浏览者通过虚拟校园可以比较直观、详细地了解校园内各个区域,对校园环境产生身临其境的感觉,能感受到栩栩如生的校园实体,如教学楼、实训楼、图书馆、体育馆、宿舍楼、办公楼、餐厅、道路及绿化带等。
 
2、有利于学校招生,方便新生:
建立虚拟校园,有助于提升校园的形象,并借助网络平台帮助学校大范围招生。新生入学前通过虚拟校园了解校园公共设施的布局和信息,有助于尽快适应新的学习生活环境。
 
3、完善学校网站功能:
将虚拟校园嵌入到学校网站,用户通过浏览器来体验。虚拟校园逼真的视觉效果,辅以丰富的、人性化的信息查询等功能,有助于学校宣传,有效提高学校美誉度,并能高度集中各类信息并对其进行配置。
 
4、优化领导管理:
虚拟校园的直观特性,可以优化领导管理,接驳网络视频监控,全局掌控管理校园信息、校园规划和建设。由此,为配合学校教育信息化的前景规划,《基于VRP的虚拟校园设计与实现》课题的研究,是值得进行的一项课题。虚拟校园可认为包括现实学校虚拟化和远程教学,其虚拟校园包括真实模拟现实校园景观的三维虚拟校园。它的建筑和校园风格可以是现实校园的模拟,也可以虚拟正在建设和准备建设的校园景观,主要服务于现实学校。.
 
在采用VR技术实现三维虚拟校园的过程中,三维场景建模是-项很重要的工作,它实际上对校园实体对象按虚拟校园的可视化、漫游等要求,进行大量相关数据的收集、组织和存储,供其使用。三维建模占据的工作量比较大,这部分工作是实现虚拟校园系统的第一步。现在已有很多工具可以实现虚拟场景的构建,主要有VRML、3DS MAX、MAYA等,其中以VRML为基础的基于文本的虚拟场景生成工具实际使用难度较大,它不能提供可视化环境,用户必须有一定的背景知识,必须熟悉Java语言以及VRML动画交互的编程,场景搭建人员必须从VRML提供的基本集合形体出发搭建复杂场景,不易实现。本课题利用3DS MAX构建3D虚拟场景,以VRPatform中视典三维互动虚拟平台(VRP)将3D模型转化为可用健盘和鼠标控制的全方位浏览和实景漫游系统。


 
1.2虚拟现实技术的研究现状
1965年,虚拟现实之父Ivan Sutherland在其名为《终极的显示》(The UltimateDisplay)的论文中首次提出具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,随着图形绘制技术、数字信号处理技术、传感器技术的发展,以及处理器性能的大幅提高,国内外开始了虚拟现实技术的研究热潮。VR系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。它是一门综合性极强的信息技术,目前已广泛应用与军事、医学、设计和娱乐等领域。
 
1.2.1国外的研究现状
美国是VR技术的发源地,目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局(NASA) 的Ames实验室研究的重点是对空间站操纵的实时仿真,大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作就是对哈勃太空望远镜的仿真。Ames正致力于一个称为“虚拟行星探索”(VPE)的试验计划,这一项目能使“虚拟探索者”(Virtual Explorer) 利用虚拟环境考察遥远的行星。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统,空间站VR训练系统,并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计,利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上,把虚拟的模板显示在正在加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,从而简化加工过程。北卡罗来纳大学(UNC)是进行VR研究最早最著名的大学,他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。UNC开发了一一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统,称为像素飞机(Pixel planes)。德国Fraunhofer计算机图形学研究所开发出一种名为“虚拟设计”的VR组合工具,能够使图像伴随声音实时显示。德国国家数学与计算机研究中心(GMD)专门成立了一个部门,研究科学视算与VR技术。研究的课题有VR表演、冲突检测、高速变换以及运动控制28]。英国Bristol有限公司开发的Dimension International 是桌面视景仿真的先驱,提供了优质图像和实时交互特性。芬兰将VR技术用于单兵武器模拟,开发了毒刺导弹训练器(VST), 配合实战演习系统TOPSCENE使用,被广泛应用于海军、海军陆战队、陆军和空军。日本VR技术的研究在相关领域地位也很高,突出表现在建立大规模VR知识库和虚拟现实游戏。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面,称为SPINAR (Space Interface Device for Artificial Reality)系统。NEC公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了-种VR系统,它让操作者使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型,通过VPL公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。
 
1.2.2国内的研究现状
VR技术在我国的发展虽然和发达国家相比存在- -定的差距,但已经引起政府有关部门和科学家的高度重视,九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究, 并取得了-一些不错的研究应用成果。北京航空航天大学计算系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一,其|着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件,实现了分布式虚拟环境网络设计(28。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了-套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,此外还研制出了一种新的虚拟环境快速漫游算法和一-种递进网格的快速生成算法(2)。哈工大计算机系成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成,表情的合成和唇动的合成,并正在研究人说话时头势和手势动作。清华计算机和技术系对虚拟现实临场感的方面进行了研究,清华大学国家光盘工程研究中心制作的“布达拉宫”,采用了QuickTime技术,实现了VR大全景。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术,完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。在硬件开发方面,己经完成了LCD红外立体眼镜,并且已实现商品化。此外,西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。
 
1.3虚拟现实的应用
虚似现实技术的进步与逐步成熟,其应用领域已由过去的娱乐与模拟训练发展到军事、航空航天、建筑、科学计算可视化、铁道、医疗、通讯等领域。以下筒单介绍-些应用成果。
 
①军事和航空航天领域:坦克训练网络SIMNET、反潜艇作战系统ASW、虚拟毒刺导弹训练系统、虚拟座舱、NASA虚拟现实训练系统等。
②自动控制和制造业领域:利用VR技术仿真机器人脱机编程、远程操作以提供对远程恶劣环境控制系统的精确控制口、机器人辅助设计等。
③医疗及康复领域:外科手术模拟系统、遥控手术、虚拟解剖训练系统、虚拟训练机、用于新药试制的三维分子结构显示与操纵的VR系统、轮椅虚拟现实系统等。
④娱乐和艺术领域:芝加哥大型VR娱乐系统Batle Tech中心Viruatily System娱乐系统、虚拟演员、虚拟音乐、虚拟博物馆等。
 
1.4虚拟校园概述;
虚拟漫游技术是VR技术的重要分支,将- -系列的场景链接在一一起,并添加图像、声音、URL、交互地图、热点等,大大强化了真实感,用户在浏览这些场景时,仿佛置身其中。;虚拟校园运用数字摄影测量、GIS、遥感、三维图形和网络技术建立三维校园景观虚拟环境,提供用户三维空间的浏览。随着三维地理信息系统技术、VR技术和计算机网络技术的发展,我们可以获得对校园景观、设施和服务身临其境的感觉。同时,虚拟校园为校园规划和管理提供了最直观的表现形式,可以极大地提高校园管理的现代化水平,同时它还可以促进远程教学的发展,为数字校园建设提供一个很好的平台5。
 
1.4.1虚拟校园国内外研究现状
2003年7月,美国一家名为“林登实验室”的IT公司推出了网络电子游戏“第二人生”。它不仅仅是互联网上最接近真实的- -个虚幻三维世界,用户可以在这个虚拟世界中学习、工作、生产、购物、存款,或者跟朋友-起闲逛、娱乐。现在,基于互联网的虚拟世界已经延伸至大学校园和课堂,美国多家“虚拟高校”纷纷开张。经网上注册获得-一个虚拟身份,便可在虚拟高校体验常规的大学生活,在“校园”里听课,学习,参加校内各种活动。虚拟校园是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,它有三个应用层面,分别适应学校不同程度的需求:
 
①简单虚拟校园环境,供游客浏览;
②基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化虚拟校园;
③以学员为中心,加入--系列人性化的功能,以VR技术作为远程教育基础平台。通过交互式远程教学的课程目录和网站,对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会,创造更大的经济效益与社会效益。
美国密执根大学利用虚拟现实建模语言建设了一门课程,学生们可以游历一个称为“校园艺术博物馆”的虚拟场景,自主选择参观路线,观赏、研究艺术作品和博物馆的建筑结构,从容漫步于博物馆的虚拟世界。天津大学1996 年在SGI硬件平台上,基于VRML国际标准,最早开发了虚拟校园。随着网络时代的来临,宽带技术大规模应用,浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学等著名高校,先后采用VR技术建设了虚拟校园。虽然虚拟校园的实际用途还是比较单一,实际功能以实现浏览功能为主,但是多种灵活的浏览方式、6+1 的自由度(即三个方向的移动和旋转,以及和其他3D空间的超链接)、崭新的形式等都是独一无二的特点。浙江大学在国家863成果展上,展出了他们的虚拟校园,对VR技术与教育的结合,起到了很好的推广和促进作用。随着网络教育的深入,人们已经不满足于对校园环境的浏览,一个完整的、基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园体系呼之欲出。真实、互动、情节化的特点是VR技术独特的魅力所在,新技术必将引起教育方式的革命。中央广播电视大学远程教育学院,采用基于Intermet的类游戏图形引擎,将网络学院具体的实际功能整合在图形引擎中,突破了目前大多VR技术的应用仅仅停留在校园一般浏览的应用上,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台,进行大规模应用。

 
1.4.2虚拟校园关键技术
1、虚拟地理信息系统
虚拟地理信息系统(VR-GIS)是90年代出现的,结合了虚拟现实技术和地理信息系统技术,也结合了网络地理信息系统(WebGIS、ComGIS)。VR-GIS技术使用了虚拟现实建模语言(VRML)技术,支持在PC机上运行,大大降低了费用,能被大量用户所接受。它具有视觉、听觉的特点,而没有触觉、嗅觉等特点,有一定程度的身临其境的感觉,是一种半虚拟技术。Wgancin.comVR-GIS的特点如下:①能真实表达现实的地理区域;
 
②用户能在所选择的地理范围自由移动;
③在3D数据库中有查询、选择和空间分析等功能;
④由GIS模块和VR模块组成,利用VRML转换文件格式,将GIS信息在VR中表示。VR-GIS的关键技术包括动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术、分布式虚拟地理信息系统(DVR-GIS)技术

6.2、OpenGL技术OpenGL (Open Graphics Library), 顾名思义,即“开放的图形程序接口”。OpenGL是一个定义的跨编程语言、跨平台的编程接口规格,是行业领域中最为广泛接纳的2D/3D 图形API。 OpenGL 的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL。OpenGL实际上是一一个开放的三维图形软件包,独立于操作系统,具有平台无关性,以它为基础开发的应用程序可以很方便地在各种平台之间移植。OpenGL可以与Visual C++、Visual Basic、De1ph 等语言紧密接合,能够保证算法的正确性和可靠性。OpenGL基本操作从指定顶点开始,通过流水线处理,直到最后把像素值写入帧缓存。OpenGL把所接收的数据分成几何数据和图像数据,这些数据通过OpenGL特有的显示列表进行图形、图像操作,大大加快了图形操作速度。
在包含能源、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中, OpenGL能帮助程序员实现在PC机、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、高视觉表现力图形处理软件的开发。OpenGL具有以下主要功能。
 
①建模; OpenGL 图形库除了提供了二维图形绘制函数,还提供复杂的三维物体、复杂曲线和曲面的绘制函数。
②变换;包括平移、旋转、缩放、镜像、平行投影和透视投影几种变换。
③颜色模式设置: RGBA 模式和颜色索引。
④光照和材质设置:光照分为辐射光(Emitted Light)、环境光(Ambient Light)、
漫反射光(Difuse Ligh)、镜面光(Specular Light)。材质用光反射率表示明。
⑤纹理映射。
⑥位图显示和图象增强:提供融合(Blending)、反走样(Antialiasing)、雾(Fog)的特殊图像效果处理,使被仿真物更具真实感,增强图形显示的效果。
⑦双缓存动画:即前台缓存和后台缓存,后台缓存计算场景,生成画面,前台缓存显示后台缓存生成的画面。

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