毕业论文-基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现

毕业论文-基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现内容摘要：

原国宏领导的研究小组于 2020 年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。 我国 VR 技术 的 研究起步较晚，与国外发达国家 还有 有一定的差距，但现在已引起国家 相关 部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展 VR 技术的研究计划。 九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入 研究项目。 国内一些重点院校，已积极投入到 这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行 VR 研究、最有权威的单位之一，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部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环 境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。 浙江大学 CADamp。 CG 国家重点实验室开发出 一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出 在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算8 法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出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等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术 —— 立体显示技术进行了研究，提出 一种基 于 JPEG 标准压缩编码新方案，以获得 较高的压缩比、信噪比以及解压速度。 近 年 来 ， 我国在 虚拟现实技术 方向 的 发展极为迅速，被广泛的应用在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探测绘、生产制造、军事航天等数十个重要的行业，全世界的目光都聚焦于虚拟现实技术在中国的蓬勃发展。 现在 流行的网络游戏，实质上也是虚拟现实技术的一种简单应用。 本课题的研究背景及意义 随着计算机技术，特别是计算机图形学、三维仿真技术以及虚拟现实技术的飞速发展，信息管理的数字化和实物模型的虚拟化已成为当今世界非常重要的技术应 用领域。 信息化时代的到来，使网络虚拟展现有了很大的冲击性，被广泛应用于房地产、医疗、教育、军事航天等领域。 当 前 ，各个 高校 都 在大力宣传 校园建设 和 推广数字化校园理念 ， 但是， 仅靠传统的学校网站、论坛（ BBS）等是远远不够的。 一个高校怎么才能扩大自己的知名度 ， 给 人们以更加直观的方法去了解学校 自身 的 真实 景观。 三维校园漫游是虚拟现实技术在数字校园中的具体应用 ， 它 运用计算机图形学以及图像处理技术结合三维可视化 模型 在屏幕上显示校园环境，并实现漫游、人机交互等功能。 它具有校园对外宣传的功能 ， 给普通用户搭建一个了解校园的良 好平台 ， 使用户可以全面直观地了解校园 ， 对校园的各种景观建筑的属性进行查询。 当前， 国内 许多高校都已经建立起 自己的虚拟校园展示平台，并 取得了很好的宣传效果。 梧州学院前身是原广西大学梧州分校，创立于 1985 年。 2020 年 2 月经教育部批准，在原广西大学梧州分校的基础 上 建立梧州学院，是一所多科性的地方全日制普通高等本科院校。 作为广西的 10 几所本科院校之一 ， 梧州学院 在其 26 年的建校 历程中，得到了社会各界的广泛 认可。 虚拟校园的开发建设正是将学院 26 年的 发展 历史 呈现于世人面前，让外界人士 了解 校容校貌。 同时对学校的外宣、招生、校容校貌的展示起到 强有力的辅助 性作用 ，为 信息化、 数字化校园工 程建设打下基础。 本系统的研究与实现有助于 开展 校园 虚拟场景的导航与展示，也可用于校园建设的规划 管理 ， 另外对 有关三维建模、场景漫游、 人机 交互、虚拟小区、虚拟城市 等方面 的 进一步研究实现也起到初步的示范作用。 9 第二章 技术难题及解决方法 在三维场景 的建造过程中，比较大的问题往往出现在场景的制作阶段和最后的场景优化阶段。 在场景的制作及优化阶段，必须让三维场景在漫游系统中反复验证，不断找出场景所存在的漏洞，并及时改正直到验证满意为止。 其中涉及到计算机硬 件问题、地理环境问题、走样 (Aliasing)问题、 碰撞检测问题、模型数据量问、 billboard 物体问题等。 下面介绍利用 3DS Max 建模软件在梧州学院三维场景过程中遇到的几个关键问题和解决方法。 计算机硬件问题 本项目设计的三维校园漫游系统是为校园参观者或导游者提供的一种更为便捷的仿真可视化漫游，主要用于帮助不了解校园的参观者或导游者在不到学校的情况下能对校园景观进行了解。 由于系统面向的用户是广大的基础用户，计算机硬件配置并不高，为 达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于 15 帧 /秒，最好高于 30 帧 /秒。 这给系统的开发与实现提出一个考验：在不影响系统画质的情况下怎样才能让系统在硬件配置不高的计算机上顺畅运行。 例如本人用于开发的计算机平台硬件配置如图 21所示： 图 21 计算机硬件配置 一个场景在计算机上演示的流不流畅，与场景中的模型个数、模型面数、模型贴图这三个方面的数据量系系相关，用户只有在前期处理好这三个方面的数据10 量，才不会导致后期模型在演示时出现卡、顿现象。 为此，本系统使用的主要的解决方法有：做简模、模型场景的优化、合理分布模型的密度、删除看不见的面、用纹理映射技术表现复杂造型等。 其中模型场景的优化纹理映射技术在第三章和第四章会有详细的介绍。 地理环境问题 梧州学院地处梧州市郊区的丘陵地带，地形相对比较复杂、高低不平，这给地形建模带来很大的困难。 为了解决 该 问题， 将 水平高度差不大的校园面积规划为同一高度，这就可以根据实际情况将学院校区面积分为三个高度平面，如表 21所示。 表 21 校园的三个高度平面 水平高度 包含的校园面积 0 米 体育馆、综合教学大楼（包括大草坪）、一栋、行政楼、校 门、教室宿舍区 5 米 A1A4 宿舍区、 A10 宿舍、实验楼区、桃花岛部分、旧食堂、篮球场、 综合楼 10 米 足球场、风雨球场、新食堂、 A5A9 宿舍区、环山大道 18 米 图书馆 由此，校园的地理环境就可以确定下来。 走样 (Aliasing)问题 在光栅图形显示器上绘制非水平且非垂直的直线或多边形边界时 ， 或多或少会呈现锯齿状或台阶状外观。 这是因为直线、多边形、色彩边界等是连续的 ， 而光栅则是由离散的点组成 ， 在光栅显示设备上表现直线、多边形等 ， 必须在离散位置采样。 由于采样不充分重建后造成的信息失真 ， 就叫走样 (aliasing)[5]。 在虚拟现实系统中，所谓“走样现象”指的是， 计算机 在 实时绘制图像时出现的计算机屏幕某些区域不断“闪烁”的现象。 这种“闪烁”现象一般发生在图像处于运动状态的时候。 在三维校园漫游系统中，由于实时性的要求，图形的绘制速度要求不低于每秒 15 帧。 这就意味着图形处于不断的“运动”状态中。 因此，抑制走样问题就成 为 漫游系统的重要内容。 从图形显示的效果来看，图形走样大体可以分为：纹理走样、几何模型走样。 下面针对这两种情况分别加以分析，并提出可行的解决办法。 11 纹理走样 纹理映射通常涉及到将一幅纹理的象素映射到不同大小的景物表面上。 当各屏幕像素中的可见曲面区 域与纹理象素大小相匹配时，它们之间形成一对一的映射。 然而，当景物表面在屏幕上的投影区域较小时，就可能有多个纹理象素被映射到 该 很小的投影区域内。 如果 该 投影区域只占屏幕的一个像素，那么，计算机在绘制时，就要把多个纹理象素绘制在屏幕上的一个像素内。 当计算机绘制的图像是静止的时候，计算机在 该 像素点内只绘制多个纹理象素的其中一个，不会发生走样现象。 问题是，当绘制的图像是处于“运动”状态时，计算机就会在 该 像素点内不断更替多个纹理象素，就发生走样现象。 例如，将一黑白方格的图案映射到一景物表面，当景物离视点很远并使景物在 屏幕上的投影只覆盖一个像素时，则计算机在绘制 该 像素时， 该 像素的颜色将完全是黑或完全是白色。 当物体运动时，将会产生严重的闪烁变形现象。 对纹理走样的对策，主要有两种方法。 第一种是采用反走样技术。 例如采用MipMap 技术，这种技术还需要系统运行程序的支持 ； 第二种是对纹理图像做灵活的处理，来达到抑制反走样的目的。 这种方法制作简单，并且不需要运行程序的支持。 几何模型走样 模型走样是相对于模型的纹理走样来说的，它是指因模型的多边形有问题而引起的走样。 一般来说，模型的多边形引起走样主要由下面两种情况。 第 一种情况是模型中存在着凹多边形；第二种是模型中的多边形存在着“面与面相交重叠”的问题。 针对这两种情况，常用的解决方法有： “三角化”处理；。 碰撞检测问题 随着虚拟现实技术的不断发展 ， 碰撞检测已经成为计算机动画、 三维漫游、场景仿真 等研究领域的重要组成部分。 进行精确的碰撞检测 ， 对于提高虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用 ， 而虚拟环境自身的复杂性和实时性对碰撞检测提出更高的要求。 碰撞检测主要是指对于 虚拟空间中的任意两个不可刺穿的物体不能存在于相同位置的空间区域 [6]。 最简单的检测方法是对空间中任意两个多面体进行相交检测。 如果对构成物体的基本几何元素进行碰撞检测 ， 那么复杂度将达到 O(n2)， 显然很难满足碰撞检12 测的实时性要求。 因此 ， 减少相交测试的对象数目 ， 提高算法的实时性成为碰撞检测的核心问题 [7]。 目前主要的碰撞检测算法有 3类 ： 包围盒层次法 [8]、 空间剖分法和距离向量法。 层次包围盒法是碰撞检测中普遍使用的一种方法。 基本思想是 ： 用体积略大而几何特征简单的包围盒来近似地描述复杂的集合对象 ， 通过构造树状层次结构来逼近对象的几何模型 ， 进行测试时只对包围盒重叠的部分进行进一步相 交测试 ，从而可以大大减少参与检测的包围盒数目。 主要的包围盒算法有 ： 轴向包围盒 ( AABB )、包围球 ( Sphere)、方向包围盒 (OBB)、离散方向多面体 (KDop)、固定方向凸包 (FDH)。 空间剖分法是将虚拟空间进行均匀剖分 ， 然后在进行检测时只对同一划分中的物体进行碰撞检测 ， 从而排除不相交的空间节点 ， 减少检测次数 ，提高碰撞检测效率。 常用的空间剖分算法有 ： 八叉树均匀空间分割法、 BSP 树和 kd树等 [8]。 模型 数据量问题 建造大规模场景，就必然要求尽量减少内存的消耗来提高漫游速度。 减少内存消耗 的方法在会在 第五 章节介绍 现阶段普遍使用 的四种方法，即可见性判定与消隐 技术 、 多细节层次 (Levels Of Detail)技术 、实例技术和纹理映射 技术。 13 第 三 章 系统分析与设计 问题描述 设计一个三维校园漫游程序，为用户提供校园三维实景的视觉、听觉仿真并提供基础的导航程序。 ，包含全校所有重点建筑。 对各个建筑进行三维仿真建模，最大程度还原原有的实际景观。 ，其中包括流水、行车、太阳、天空、雾效等。 ，让使用者有 身临其境之感；导航程序让使用者了解自己现身在何处以及该如何快速前往目的地。 系统功能分析 三维校园漫游系统可分为虚拟场景漫游和导航图两大功能模块。 该系统根据梧州学院的各个场所、建筑和景点而设计，它的建立方便用户了解梧州学院里的各个场所和景点以及学校的一些相关信息。 通过该系统，用户不但可以有选择性地对学校的景点和场所进行走访和参观，还可以查询了解学校各种不同的具体路线，更重要的是通过该系统可以让用户迷路情况下找到想前往目的地 ，整个系统的运行流程 如图 31 所示。 图 31 系统 流程图 14 ：用 户可以随意选择校园中的景点和参观路线，开启或关闭音乐，并通过鼠标键盘来漫步并且改变视点； ：提供常用的三维操作，包括三维放大、三维缩小、三维平移和三维环游等功能，通过三维地图的操作可以直观的将校园环境展现给用户； ：该模块包括查询定位和周边查询，通过定位功能可以实现对校园具体地物在地图上的定位 ，通过对周边建筑场景的查询 可以可以让用户迷路情况下找到想前往目的地； ，如碰撞检测机能，杜绝 “穿墙而过”这类违背现实情况 的 发生 ； ，比如 雾效、太阳光晕 等 ； ，简单介绍各栋建筑的功能、场地信息。 给不了解学校的来访者或用户提供方便。 信息需求分析 由于校园面积比较大且地形、建筑复杂多样，所以给校园建筑模型的比例数据、贴图数据、布局位置等数据的采集带来较大的困难。 向学院相关部门索取资料和自己的就地取材后，得到以下材料： CAD 地形图； ； 、复杂地形基本几何数据； ； 、植被基本绿化数据； 、树木、植被、文字等纹理 (可以 用数码相机采集然后用图像处理软件进行处理 )。 系统总体设计 构建三维校园电子地图引擎需要按照以下几个关键步骤来进行开发： ：获取校园的相关建筑数据以及地理环境信息； ：从获取的相关数据中提取有用信息，建立信息数据库； ：建立校园场景中的建筑模型、场景小品模型、天空环境模型和地形模型等； ：使用程序来实现模型导入、三维场景的漫游、导航功能。 系统总。