三維虛擬校園漫游系統中的角色建模與行為控制

高猛

關鍵詞： 虛擬校園; 漫游系統; 角色建模; 行為控制; 碰撞檢測; 信息化建設

中圖分類號： TN915.5?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0104?04

Role modeling and behavior control in 3D virtual campus roaming system

GAO Meng

（Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： At present， the main content of informatization construction in colleges and universities is to build digital campus， and the comprehensive software and hardware strength of colleges and universities is mainly reflected in the construction and development of the 3D virtual campus roaming system. The processes of role modeling and behavior control in the 3D virtual campus roaming system are researched in this paper， so as to create a better 3D virtual campus roaming system. The 3D modelling method based on the digital photogrammetry technology is adopted to construct a single 3D?role building model. Multiple single building models are combined and adjusted with the environmental element and other elements added， so as to obtain an overall virtual campus role model. The role behavior control is realized by means of interactive roaming， role information prompt and collision detection. The experimental results show that the role model built using the method proposed in this paper has many textures， high clarity， fast running speed， and the average collision detection time of less than 19.8 ms， which can provide a clear and smooth visual 3D virtual campus roaming platform for browsers.

Keywords： virtual campus; roaming system; role modeling; behavior control; collision detection; informatization construction

虛擬現實技術是一種體驗虛擬世界的計算機仿真系統，將計算機技術、仿真技術、微電子技術結合在一起，通過計算機創造虛擬環境，通過調動瀏覽者多種感官，使瀏覽者產生身臨其境的感覺，促使瀏覽者與虛擬世界產生交互作用[1]。虛擬現實世界衍生出的重要分支是虛擬場景漫游技術，它集成虛擬現實技術交互性、沉浸性，對建立虛擬漫游場景有一定的意義[2?3]，應用在建筑設計、游戲、航天等多個領域。將虛擬場景漫游技術應用在三維虛擬校園漫游系統中，能呈現出較為真實的三維虛擬校園環境[4]，通過網絡進行遠程訪問，在多個方面發揮重要的作用，如規劃校園環境建設、對外宣傳學校、管理教學資源等方面[5]。本文研究三維虛擬校園漫游系統中角色模型的建立和行為控制過程，為進一步建設和管理校園提供可靠的可視化平臺。

1 ?角色建模與行為控制方法

1.1 ?角色建模

三維虛擬校園漫游系統最為關鍵的部分是構建角色模型，建立角色模型分為單獨建模和合拼兩個部分。以建筑角色建模為例，建立三維虛擬校園漫游系統建筑模型時，采用基于數字攝影測量技術的三維建模方法，構建單一建筑三維角色模型，并對建筑物三維模型的表面進行貼圖處理，不斷調整貼圖位置，直到達到系統要求，此時完成單一建筑物建模。將校園中不同建筑物依次進行單一建模處理，得到校園主要建筑物虛擬三維模型，將所有單一建筑物三維模型進行合拼處理，在合拼過程中，加入環境要素和其他要素[6]?？傮w三維虛擬校園漫游系統角色模型建立流程如圖1所示。

1.2 ?行為控制方法

1.2.1 ?系統交互漫游

三維虛擬校園漫游系統漫游時通過導航節點和視點節點控制行為，實現交互，根據導航節點設置瀏覽速度和瀏覽方式。在瀏覽者瀏覽虛擬校園時，通過視點節點控制位置和朝向，瀏覽者通過外部設備，如鼠標、鍵盤等，實現和虛擬校園漫游系統交互行為[7]。系統交互功能見圖2。

瀏覽者與虛擬校園漫游系統交互體現在切換視點和視角，通過交互感應器節點、Script節點，實現瀏覽者與虛擬校園漫游系統交互。在實現瀏覽者與虛擬校園漫游系統交互過程中，如果瀏覽者站立角度發生改變，應重新繪制虛擬校園漫游系統場景，通過改變場景中三維物體或者變換視點[8]，調整交互場景畫面。通過視點改變場景畫面，需要改變眼睛位置，對參考矢量進行矩陣變換，將原點當作觀察點，映射目標點到對應z軸上。對眼睛位置參考矢量進行矩陣投影時，場景被映射到相關視區中心，向上矢量被映射到y軸上。

1.2.2 ?角色信息提示功能

角色在三維虛擬校園漫游過程中，三維虛擬校園漫游系統提供文檔幫助，通過文檔幫助，瀏覽者能了解使用漫游引擎方法和不同功能相對應鍵盤按鍵[8]。當角色在三維虛擬校園漫游時，若想了解某一建筑物基本信息，單擊建筑物，會出現文字介紹或語音介紹，讓瀏覽者更詳細了解校園，對校園有更形象的認識，提高了三維虛擬校園漫游系統交互性能[9]。

1.2.3 ?攝像機設置

攝像機使三維虛擬校園漫游得以實現，攝像機控制瀏覽者視野范圍，攝像機位置代表瀏覽者觀看校園環境角度。在三維虛擬校園漫游時，攝像機根據追蹤角色方式追隨攝像，且攝像機與角色間保持著一定距離，攝像機追蹤人物角色時，要注意避免攝像機穿過虛擬建筑物，防止給瀏覽者帶來不真實感，即在三維虛擬校園漫游時，應進行碰撞檢測。

1.2.4 ?碰撞檢測

三維虛擬校園漫游的重要環節是碰撞檢測，通過碰撞檢測增強虛擬校園真實感[10]。當角色在三維虛擬校園漫游時，應該對角色、建筑物等一系列障礙物進行碰撞檢測，避免出現角色從障礙物穿過的現象。同時還要考慮角色在地面行走的姿態，角色行走姿態應隨著地形變化發生改變，即要對角色行走進行碰撞檢測。具體碰撞檢測過程如圖3所示。

先創立一個交集訪問器，以線段A，B為例，將A，B添加到交集訪問器中，遍歷場景層次，若線段A不為空，線段B為空，那么瀏覽者漫游視點繼續向前，前面沒有障礙物，變換視點位置;反之，線段A為空，線段B不為空，這時瀏覽者視點應該停止向前，防止出現穿過障礙物的現象。

2 ?實驗分析

2.1 ?系統整體漫游效果分析

實驗檢驗采用本文角色建模以及行為控制方法后，在某大學三維虛擬校園漫游效果檢驗過程中，應在漫游系統中創立相機動畫，即在虛擬校園場景中設置3個相機，包括行走相機、旋轉相機和飛行相機，實現瀏覽者自由漫游、繞點漫游和空中鳥瞰整個虛擬校園，從而對整個三維虛擬校園漫游系統進行檢測。得到的三維虛擬校園全景圖如圖4所示。采用本文方法進行角色建模和行為控制后的實驗三維虛擬校園漫游系統整體漫游效果較好，清晰度和分辨率較高，場景紋理、比例大小較符合實際，帶給瀏覽者身臨其境的感覺。

2.2 ?建模效果分析

實驗為了分析本文方法構建三維虛擬角色建模效果，采用基于SketchUp的三維角色建模方法作為對比，對比分析兩種方法在構建實驗三維虛擬校園漫游系統中角色三維模型的紋理數和幀速，結果如表1所示。

從表1可以看出，本文方法建立角色模型紋理數相對于對比方法建立角色模型紋理數多，至少相差1 MB，最多相差16.37 MB，即采用本文方法建立三維虛擬校園漫游系統角色模型清晰度更高;對于相同角色模型，本文方法運行幀速與對比方法運行幀速最小相差4 f/s，最多相差8 f/s，即本文方法建立角色模型運行幀速較高，說明本文方法建立角色模型進行行為控制后，三維虛擬校園漫游系統畫質更好，且角色動作十分流暢。

2.3 ?碰撞檢測

很多運動和靜止的角色模型存在于三維虛擬校園漫游系統中，瀏覽者的交互和三維虛擬校園中角色的運動，導致角色與虛擬建筑之間相互碰撞。為了避免碰撞現象發生，維持虛擬環境真實感，應實時檢測三維虛擬校園漫游系統中的碰撞現象，及時更新繪制，以防產生不真實效果，致使瀏覽者體驗效果差。以實驗三維虛擬校園漫游中角色與臺階的碰撞為例，對比分析碰撞檢測前后角色的運動狀態，檢驗本文方法的碰撞檢測效果，結果見圖5。同時將本文碰撞檢測方法與基于碰撞方向凸包碰撞檢測方法進行對比，結果見圖6。

進行碰撞檢測前，三維角色模型只能向前平移前進，無法辨識臺階高度，會出現腳陷入臺階狀態，給瀏覽者帶來不真實的感覺。采用本文方法控制實驗校園漫游系統中的三維角色進行碰撞檢測，發現當有障礙物出現在前面時，三維角色模型會自動對其進行分析，判斷路徑的可行性，從而改變行走路徑，繞過障礙物，避免出現物體間相互碰撞的現象。

圖6描述的兩種碰撞檢測方法對比結果表明，本文碰撞檢測方法平均碰撞檢測時間較短，始終低于19.8 ms，且平均碰撞檢測時間隨三角形重疊數目變化不大，即本文碰撞檢測方法較為穩定，具有碰撞檢測效率高的優勢;而對比檢測方法隨三角形數目的增多，平均碰撞檢測時間也在增加，增長幅度較大，最高碰撞檢測時間為61 ms，與本文碰撞檢測方法相比耗時多，因此本文方法的碰撞檢測效果更為理想。

3 ?結 ?論

三維虛擬校園漫游系統是數字化校園的重要組成部分，為校園的規劃發展提供有力支撐。本文以虛擬現實技術作為基礎，設計三維虛擬校園漫游系統，重點研究三維虛擬角色模型建模和行為控制過程，確保三維虛擬校園漫游系統更加完整逼真。經過碰撞檢測得出，本文行為控制方法對校園漫游系統進行實時更新繪制，減少了碰撞現象的發生，增強了漫游系統的真實性、交互性。

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