虛擬現實技術與虛擬校園的研究與實踐
——以濰坊學院虛擬校園建設為例

李峻峰

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

1 虛擬現實技術

虛擬現實 (Virtual Reality)通常簡稱VR，是一種逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等行為的人機界面技術。Grigore Burdea 和Philippe Coiffet 在他們的著作“Virtual Reality Technology”一書中指出VR 具有三個最突出的特征，即人們熟悉的 3I 特征，即臨場感(Immersion)、實時交互性(Interaction)、構想(Autonomy-Imagination)。

1.1 網絡虛擬現實技術

網絡虛擬現實(Network VR)字面意義上理解為網絡上運用的虛擬現實，即在互聯網網絡的基礎上，為用戶在己經普及的以文字、圖像和動畫為主的互聯網環境中引入三維技術，從而為用戶提供網絡三維立體信息。

目前，互聯網上虛擬現實技術主要分為兩大類，一類是基于圖像的虛擬現實技術(IVR，Imaged Based Virtual Reality)；一類是基于3D Polygon 虛擬現實技術。這兩種技術有其各自的優缺點?；趫D像的方法，場景比較逼真和生動，但由于缺乏深度信息而難于控制；基于建模繪制的方法，正好相反，雖然逼真度較差（隨著技術的發展，越來越逼真），但較容易控制。

1.2 虛擬現實技術在虛擬校園建設中的應用

虛擬校園也是虛擬現實技術在教育培訓中最早的具體應用，它由淺至深有3 個應用層面，分別適應學校不同程度的需求：

（1） 簡單的虛擬校園環境，供游客瀏覽；

（2） 基于教學、教務、校園生活等功能相對完整的三維可視化虛擬校園；

（3） 以校園為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現實技術作為遠程教育基礎平臺， 虛擬遠程教育。

虛擬現實可為高校擴大招生后設置的分校和遠程教育教學點提供可移動的電子教學場所，通過交互式遠程教學的課程目錄和網站，由局域網工具作校園網站的鏈接，可對各個終端提供開放性的、遠距離的持續教育，還可為社會提供新技術和高等職業培訓的機會，創造更大的經濟效益與社會效益[1]。

虛擬校園為師生們提供了非常便利和快捷的交流環境，同時一個完善的虛擬校園系統集學習、工作和生活為一體，增添了師生之間交流的趣味性，有利于教師、學生之間的良好溝通[2]。

本研究以大學校園為對象，借助3D 建模軟件3DMAX 和Google SketchUp 和三維驅動軟件Webmax3.0，開發桌面型的虛擬校園系統。整個系統分以下幾個步驟完成：

（1） 根據學校布局使用3DMAX 和Google SketchUp 進行三維建模；

（2） 對模型進行烘焙渲染；

（3） 通過Webmax3.0 軟件控制輸出實時渲染的圖形畫面，實現虛擬校園場景的建立。

2 虛擬校園系統的構建

2.1 虛擬校園的總體規劃（見圖1）

以實際校園為依據，盡量接近現實，使用戶在觀看瀏覽虛擬校園時有真實的校園的感覺。為 學校樹立良好的形象，提高校園的知名度，宣傳校園文化。

圖1 虛擬校園系統總體框架圖

（1） 實現網絡化應用，是虛擬校園通過網絡即可瀏覽。同時對計算機性能要求適合大多數計算機配置；

（2） 對主要景觀如教學樓、噴泉、人工湖等制作精致模型，做到盡量接近現實；

（3） 訪問者可以通過自動導覽在校園內按固定路線游覽。也可以通過鍵盤鼠標控制隨意游覽；

（4） 設置鳥瞰圖、旋轉圖、地圖導航最大化方便對校園的整體了解；

（5） 配備聲音解說、及文字介紹；

（6） 設置多頁面導航、院系鏈接及常用信息服務。

2.2 虛擬場景構建

通過學校建設平面圖和實際測量得到各項數據信息。通過數碼相機拍照及專業素材庫收集整理各項貼圖材質。在完成信息采集之后進行學校三維模型的建模與渲染。

2.2.1 信息采集

信息采集是虛擬校園建立的基礎，虛擬場景的構建必須獲得必要的數據。構建虛擬校園主要包括，三維空間數據信息和圖像信息兩部分。在構建虛擬校園系統模型之前，對三維空間數據和真實影像數據進行收集和處理，為后期工作打好基礎。本課題主要采用幾種方法進行收集：

（1） 通過學校AutoCAD規劃總平面圖和建筑圖獲取各個建筑物的高度等數據。

（2） 現場拍攝真實校園的數碼圖片，對AutoCAD文件中沒有的新建建筑景點進行設計。

（3） 采用數字測量的方法從平面圖上獲取尺寸、坐標。

（4） 采用實地測量，獲取數據信息。對無精確數據的建筑高度，根據樓層數乘以一層高度獲得。

（5） 對建筑物等的紋理貼圖采用地面拍攝，然后由計算機修正透視的方法。對于地面特有紋理貼圖采用在拍攝后計算機制作無縫貼圖的方法。對于樹木、景點等也采用同樣的方法。

（6） 借助專業建筑貼圖素材庫完善圖像數據的收集。

2.2.2 模型構建

虛擬校園的最終效果與三維模型的質量息息相關。通過對現有建模軟件的調查分析，最終采用SketchUp 進行建模。SketchUp 軟件是一款應用于建筑領域的全新三維設計軟件。其建模簡單明了，同時模型質量符合虛擬校園的要求。模型建立完成之后導入3DMAX中，設置材質貼圖、陽光、環境等。設置完成后進行烘焙渲染。

（1） 地形構建

地形是虛擬校園建設的基礎，也是最復雜的景物之一，三維真實感地形的繪制一直是國內外圖形學領域關注的熱點，其可視化程度高、實用方便、可實時生成的優點已成為圖形工作者的共識。濰坊學院地形的構建是現實世界中真實地形的再現，需要非常高的真實度。因此，采用真實世界中的具體數據使用SketchUp 來構造的（見圖2）。

圖2 地形構建

（2） 建筑構建

建筑是虛擬校園的最重要的主體之一，建筑效果的表現將直接影響整個虛擬校園的效果。在建筑物的建模中應以實際比例單位構建，盡量符合現實。在有代表性的重點建筑建模時應注意適當保留細節，并盡量使用通過數碼相機拍攝并處理的紋理貼圖，使之更接近真實環境。

將數碼相機拍攝局部素材，Photoshop 編輯為無縫貼圖賦給對象之后進行Lightmap 烘焙渲染，將烘焙后的Lightmap 疊加在無縫平鋪的紋理材質上，既保證了材質的清晰度，又具有了真實環境的光影關系（見圖3）。

（3） 環境構建

景觀在虛擬場景的構建中起到遠景氛圍的作用，在建模過程中為了節省系統資源，提高引擎運行速度，對模型的多邊形面數進行了嚴格的精簡優化，使其在盡可能的在精簡與視覺效果間達到平衡。在表現湖面小亭子（見圖4）時，圓柱以四面體構成，圓頂也做了精簡。護欄更是以單面建立設置透明貼圖的方式表現。

校園中的花草樹木等植物數量眾多，如何減少植物的多邊形數量顯得尤為重要。在本項目的植物模型還應用了單面交叉+平鋪透明貼圖的形式。如圖5 所示以10 個四邊形面實現25 棵樹的效果。在校園樹林中應用能夠大大節省系統資源。

圖3 建筑模型

圖4 亭子模型

圖5 樹木模型

3 交互式設計與實現

Jakob Nielson 曾這樣描述用戶與系統間的關系：“用戶期望越多的被正確驗證，用戶就越覺得系統在自己掌控之中，從而也就更喜愛它（系統）[3]?！睆挠脩舻氖褂媒嵌瓤紤]，導航應該能夠快速的被用戶熟悉并正確操作。因此，在虛擬校園導航系統設計時采用大家所熟知的WWW信息檢索方式，基于HTML技術創建導航界面。盡量減少操作的復雜性，在保證功能實現的前提下減少導航層級，使用戶不會被過多的目錄層級造成“迷航”。

3.1 導航設計與實現

通過對濰坊學院虛擬校園導航系統的分析，結合導航系統實現結構，確定了虛擬校園導航系統的幾大模塊，各模塊功能如圖6 所示。用戶通過Web 頁面鏈接進入虛擬校園系統，可以自主選擇由電子沙盤進入或者直接進入。主導航頁面設置了用戶使用率最高和虛擬導航必須的操作界面，將更多的其他導航形式（如院系鏈接、服務信息）置于選項卡導航二級界面。主導航條設立四個選項卡，分別為導航一、導航二、院系鏈接、信息服務。在Photoshop 中編輯二維界面圖像，通過切片方式導入到html 中（如圖7 所示）。

3.2 交互功能與實現

Webmax 支持JavaScript 編程。在html 中通過JavaScript 的編寫完成互動的操作?；诙S導航界面，實現點擊圖片調用JavaScript： 相機切換的命令實現：

Function 函數名()

{VGS2.SetCurrentCameraByName("相機名");

VGS2.SetWalkCtrl_ManualParam(0.5, 0.8, 0.7, 0.5, 180);}

自動導航的實現：

function調用的函數名()

VGS2.PlayCameraKfr("相機名",-1);

VGS2.GotoFrame(0);d

VGS2.PlayKeyFrame();

//VGS2.StopCameraKfr("相機名");

VGS2.CurCamGotoFrame(0);

VGS2.SetCurrentCameraByName("相機名");

}

太陽光暈的實現：

VGS2.CreateLensFlare(70000, 35000, -20000, 1);

幫助及音樂的實現，查詢的實現同樣利用html 中的JavaScript 的編寫（見圖8）。

圖6 虛擬校園導航系統功能模塊圖

圖7 主導航條界面

4 結 束 語

通過虛擬現實技術與多媒體技術、網絡技術等有效的結合實現了虛擬校園系統的建設。該系統實現了導航、漫游、航拍等一系列功能，為數字化校園建設搭建了很好的平臺，同時也為虛擬現實技術在這一領域的應用與實踐做了有益的嘗試。隨著虛擬現實技術的發展和第三代互聯網技術逐步成熟與應用，基于這兩大技術平臺的各種研究與應用必將成為新的趨勢。

[1] 百度百科. 虛擬現實系統[EB/OL]. http://baike.baidu. com/view/2268886.htm, 2009-03-11.

[2] 徐 誠. 虛擬校園漫游系統的研究[D]. 武漢: 華中師范大學, 2006.

[3] [美]Jakob Nielsen 著. 可用性工程[M]. 劉正捷, 等譯. 北京: 機械工業出版社, 2004. 115.