基于WEB的虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文.doc

分類(lèi)號(hào)：tp311 單位代碼：10422密 級(jí)： 學(xué) 號(hào)：z0843048465碩士學(xué)位論文論文題目: 基于web的虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)the design and implementation of web-basedvirtual campus作者姓名 耿建敏 專(zhuān) 業(yè) 軟件工程 指導(dǎo)教師 范輝 教授 2009年10月10日原創(chuàng)性聲明和關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。（保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名: 日期： 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 研究背景11.2虛擬校園概述、研究現(xiàn)狀及前景21.2.1 虛擬校園概述21.2.2 虛擬校園研究現(xiàn)狀21.2.3 虛擬校園的發(fā)展前景31.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容及研究思路41.4 本文組織結(jié)構(gòu)5第2章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析72.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)72.2 結(jié)構(gòu)與功能分析72.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)82.3.1 虛擬校園漫游子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)82.3.2 信息查詢(xún)與管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)102.3.3 虛擬多媒體教室子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)102.4 虛擬山商系統(tǒng)軟硬件環(huán)境112.5 本章小結(jié)12第3章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的三維建模133.1 三維建模理論基礎(chǔ)133.1.1 坐標(biāo)系133.1.2 幾何建模法163.1.3 貼圖173.1.4 運(yùn)動(dòng)建模193.1.5 模型分割213.2 系統(tǒng)建模方法223.2.1 使用3ds max建模方法233.2.2 使用virtools建模方法253.3 “虛擬山商”系統(tǒng)模型的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)263.3.1 背景的設(shè)計(jì)與安排263.3.2 樓體建模273.3.3 樹(shù)木與草地建模323.3.4 其他對(duì)象建模333.4 模型整合343.5 本章小結(jié)35第4章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)364.1 碰撞檢測(cè)與避免364.1.1 基本概念364.1.2 碰撞檢測(cè)算法原理374.1.3 碰撞檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)404.1.4 在虛擬山商中的應(yīng)用414.2 物理屬性的應(yīng)用424.3 人工智能434.3.1 基本概念434.3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)454.4 角色/對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制454.5 交互式控制與角色同步464.5.1 virtools基本消息控制機(jī)制484.5.2 virtools高級(jí)消息控制494.5.3 在虛擬山商系統(tǒng)中的應(yīng)用514.6 光照524.6.1 基本概念及原理524.6.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)574.6.3 在虛擬山商系統(tǒng)中的應(yīng)用594.7 粒子系統(tǒng)604.7.1 基本概念604.7.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)614.7.3 虛擬山商系統(tǒng)中下雪效果的制作624.8 可見(jiàn)性檢測(cè)634.8.1 基于包圍體的檢測(cè)634.8.2 空間分割644.8.3 網(wǎng)格系統(tǒng)644.8.4 portal技術(shù)644.9 系統(tǒng)漫游的實(shí)現(xiàn)654.9.1 自動(dòng)漫游的實(shí)現(xiàn)654.9.2 自由漫游的實(shí)現(xiàn)674.10 virtools與數(shù)據(jù)庫(kù)接口技術(shù)研究674.11 網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)速度優(yōu)化684.12 系統(tǒng)發(fā)布與運(yùn)行694.13 本章小結(jié)71第5章 總結(jié)與展望72參考文獻(xiàn)74致 謝78contentschinese abstractienglish abstractiichapter 1 introduction11.1 background11.2 summarization,status and foreground of virtual campus21.2.1 virtual campus overview21.2.2 virtual campus research21.2.3 the development prospects of the virtual campus31.3 main content and train of thought41.4 structure of this paper5chapter 2 design and analysis of virtual shanshang72.1 the goal of system design72.2 analysis of system structure and function72.3 overall design82.3.1 virtual campus tour subsystem design82.3.2 information query and management subsystem design102.3.3 virtual multimedia classroom subsystem design102.4 software and hardware condition of virtual shanshang112.5 brief summary12chapter 3 3d modeling of virtual shanshang133.1 basis of 3d modeling133.1.1 coordinates133.1.2 geometric modeling163.1.3 map173.1.4 motion modeling193.1.5 model segmentation213.2 method of system modeling223.2.1 modeling method using 3ds max233.2.2 modeling method using the virtools253.3 implementation of modeling of virtual shanshang263.3.1 the design and arrangements of background263.3.2 house body modeling273.3.3 modeling of trees and grass323.3.4 other object modeling333.4 models merge343.5 brief summary35chapter4 interactive design and implementation of virtual shanshang364.1 collision detection and avoidance364.1.1 basic concepts364.1.2 collision detection algorithm theory374.1.3 concrete realization of collision detection404.1.4 in the virtual mountain of virtual shanshang414.2 application of physics attributes424.3 ai434.3.1 basic concepts434.3.2 technology454.4 motion control of characters and objects454.5 interactive control and character synchronization464.5.1 virtools basic message control mechanisms484.5.2 virtools advanced message control494.5.3 in the virtual-san system514.6 illumination524.6.1 the basic of concepts and principles524.6.2 technology574.6.3 in the virtual-san system594.7 particle system604.7.1 basic concepts604.7.2 technology614.7.3 snow making system624.8 visibility detection634.8.1 surrounded by body-based detection634.8.2 spatial segmentation644.8.3 grid644.8.4 portal technology644.9 implementation of system cruise654.9.1 realization of automatic roaming654.9.2 the realization of free roaming674.10 interface study of virtools and database674.11 optimization for visiting speed684.12 system release and running694.13 brief summary71chapter 5 conclusions and suggestions72referrence74thanks78vi 摘 要近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尤其是虛擬漫游技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如數(shù)字城市、虛擬礦井、產(chǎn)品展示、教育訓(xùn)練、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)裝潢、游戲開(kāi)發(fā)等等。在分析了國(guó)內(nèi)外虛擬校園系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以山東工商學(xué)院為背景，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于web的虛擬校園漫游系統(tǒng)“虛擬山商”。課題主要研究?jī)?nèi)容包括三維建模、場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)、交互控制、粒子系統(tǒng)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，碰撞檢測(cè)與避免、光照、系統(tǒng)優(yōu)化等具體技術(shù)；實(shí)現(xiàn)了校園任意角度的立體顯示、在線虛擬漫游等功能；預(yù)留了校園信息查詢(xún)與管理、虛擬多媒體教室等模塊的接口。整個(gè)系統(tǒng)采用3ds max8作為主要建模工具，而模型的整合和交互式控制等環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)采用virtools 4.0。根據(jù)校園地形特點(diǎn)，研究并實(shí)現(xiàn)了不平坦地形的快速建模方法，充分運(yùn)用了貼圖技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)非常逼真，具有較強(qiáng)的真實(shí)感，不僅能夠展示校園風(fēng)景和濃厚的學(xué)習(xí)、科研氛圍，對(duì)校園內(nèi)重要建筑物還進(jìn)行了簡(jiǎn)要的文字說(shuō)明，一目了然，并且具有較快的瀏覽速度，能夠滿(mǎn)足在線瀏覽的要求。關(guān)鍵字：虛擬校園，三維建模，3d studio max，virtoolsabstractin recent years, virtual cruise technology has been widely used in many fields, such s digital city, virtual mine, product exhibition, education&training, design of building, upholster, computer game, and so on.on the basis of analysis of development and application of virtual reality at home and abroad, designs and implements a web based virtual campus according to shandong institute of business and technology, including 3d modeling, scene animation and interactive control. the system gives solid display of the campus from any angle of view, online virtual cruise, and other functions. the system employs 3ds max8 as key modeling software, and virtools 4.0 as the main software to merge the models and to control the models. according to the certain terrain of shandong institute of business and technology, studies and implements the fast modeling method for uneven terrain useing the texture technology,employs collision, illumination, particle system, system optimization, and other technology.the system is very lifelike. users can visit and experience the virtual campus, including the landscape, rich atmosphere of study and research. there will be literal explaination for the main buildings in the campus. and, the system can be viewed at a high speed, and can meet the requiment for online view.keywords: virtual campus, 3d modeling, 3d studio max，virtoolsii 第1章 緒論1.1 研究背景目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己經(jīng)成為計(jì)算機(jī)技術(shù)中研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于教育、軍事、建筑、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品展示、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域。虛擬校園，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育中最早的應(yīng)用之一，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，在學(xué)校的教學(xué)資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展與宣傳等許多方面發(fā)揮了重要的作用。虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究對(duì)今后虛擬校園的建設(shè)具有重要的實(shí)際意義。將學(xué)校風(fēng)光用虛擬仿真實(shí)現(xiàn)，既可以為學(xué)校樹(shù)立良好的形象，提高學(xué)校的知名度，宣傳校園文化，讓來(lái)訪者足不出戶(hù)就可瀏覽校園風(fēng)光和有關(guān)介紹信息，體驗(yàn)身臨其境的感受；還可以作為校園規(guī)劃的輔助工具，提高校園管理的現(xiàn)代化水平。在將其與學(xué)校的有關(guān)信息相結(jié)合后，可以提供給師生一個(gè)三維可視化的、有聲有色的信息介紹與查詢(xún)環(huán)境。同時(shí)它還可以促進(jìn)遠(yuǎn)程教學(xué)的發(fā)展，為數(shù)字校園的建設(shè)提供一個(gè)很好的平臺(tái)。國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)已經(jīng)推出了各自的虛擬校園系統(tǒng)，而山東工商學(xué)院目前僅有一個(gè)在線的校園全景圖可供訪問(wèn)者瀏覽，不具備三維效果，且內(nèi)容也較單一。為此，需要開(kāi)發(fā)一套完整的基于web的虛擬校園系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)虛擬漫游和校園風(fēng)光展示，主要建筑物提供文字性簡(jiǎn)單介紹，還可以進(jìn)行信息查詢(xún)，并且加入在線遠(yuǎn)程教育模塊1-10,49,58,51,55,57。整個(gè)系統(tǒng)比較龐大復(fù)雜，按照項(xiàng)目的整體規(guī)劃，分為三個(gè)階段來(lái)完成設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。本文主要介紹第一階段的工作，即部分校園的建模與虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)。1.2虛擬校園概述、研究現(xiàn)狀及前景1.2.1 虛擬校園概述虛擬校園，是校園景觀和教學(xué)環(huán)境在計(jì)算機(jī)中的虛擬再現(xiàn)。它利用地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)校園環(huán)境中的三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化。虛擬校園不僅可以建立基于現(xiàn)實(shí)校園的一個(gè)三維虛擬環(huán)境，還可以上傳到internet，為遠(yuǎn)程用戶(hù)訪問(wèn)提供一個(gè)虛擬校園空間。虛擬校園與早期的校園網(wǎng)頁(yè)相比更加生動(dòng)、逼真。普通的校園網(wǎng)頁(yè)是將現(xiàn)實(shí)校園抽象成文字描述和圖片展示來(lái)讓用戶(hù)了解校園，沒(méi)有去過(guò)校園的用戶(hù)只能在腦海里想象校園原型。虛擬校園則可以將生動(dòng)形象的校園自然環(huán)境、人文環(huán)境發(fā)布在網(wǎng)上，使觀看者有一種身臨其境的美妙感覺(jué)，這種類(lèi)似于真實(shí)的感受方式更加符合我們的習(xí)慣。虛擬校園為師生們提供了非常便利和快捷的交流環(huán)境，同時(shí)一個(gè)完善的虛擬校園系統(tǒng)集學(xué)習(xí)、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(xué)生之間的良好溝通。1993年美國(guó)制定了國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的行動(dòng)綱領(lǐng)，大大推動(dòng)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在美國(guó)大學(xué)校園的應(yīng)用與發(fā)展。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸改變著美國(guó)大學(xué)校園傳統(tǒng)的工作、學(xué)習(xí)、管理和生活方式，美國(guó)大學(xué)的虛擬校園建設(shè)早已經(jīng)涉及到教學(xué)活動(dòng)、科研活動(dòng)、圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò)、學(xué)校管理工作和學(xué)生日常生活的各個(gè)方面，并且己經(jīng)取得引人矚目的成績(jī)。1.2.2 虛擬校園研究現(xiàn)狀目前，許多的國(guó)外大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)都在從事虛擬場(chǎng)景漫游的研究。其中美國(guó)加州大學(xué)北卡分校及伯克利分校在這方面走在世界前沿，他們都擁有世界一流的漫游技術(shù)研究室，研究室里配有許多虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備，包括功能強(qiáng)大的圖形工作站、高分辨率圖形顯示器、各種類(lèi)型的頭盔顯示器(mhd)、數(shù)據(jù)手套、步行器等。加州大學(xué)北卡分校的漫游技術(shù)研究室把建筑漫游作為自己的主要研究方向，到目前為止，他們完成的實(shí)時(shí)漫游大型建筑己達(dá)十個(gè)以上，其中至少有三項(xiàng)是在建筑施工前進(jìn)行的事前仿真，讓用戶(hù)和設(shè)計(jì)者在工程開(kāi)始之前，就可以對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)做出評(píng)估并反復(fù)修正設(shè)計(jì)方案。1977年，北卡分校實(shí)現(xiàn)了由13000000個(gè)三角形構(gòu)造的一個(gè)電廠模型的實(shí)時(shí)交互漫游，他們采用的紋理盒消除模型、細(xì)節(jié)層次模型、可見(jiàn)區(qū)預(yù)計(jì)算等算法大大提高了場(chǎng)景渲染的效率。1996年，加州伯克利分校在sgi工作站也實(shí)現(xiàn)了本校新樓sodahall的實(shí)時(shí)漫游。sodahall模型由1418807個(gè)多邊形構(gòu)成，占據(jù)21.5mb的硬盤(pán)空間，模型用了406種材質(zhì)及58種不同紋理。由于研究小組采用了高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、多級(jí)動(dòng)態(tài)lod技術(shù)、場(chǎng)景調(diào)度算法、實(shí)時(shí)可視區(qū)域判定算法及計(jì)算處理等多種技術(shù)使得sodahall的實(shí)時(shí)仿真率(每秒鐘刷新頻率)恒定在每秒20幀左右。在我國(guó)，清華大學(xué)、武漢大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、杭州大學(xué)、浙江大學(xué)、西南交通大學(xué)等許多大學(xué)都己經(jīng)開(kāi)展了虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)的研究，在視景技術(shù)、三維圖形算法、建模方法、仿真技術(shù)等方面都取得了重要成果，并在城市規(guī)劃與建筑領(lǐng)域得到了初步的實(shí)際應(yīng)用。武漢理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出了一套校園虛擬全景漫游系統(tǒng)，由該校網(wǎng)絡(luò)信息中心與藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院數(shù)碼藝術(shù)系方興工作室共同開(kāi)發(fā)研制，歷時(shí)四個(gè)月，橫跨余家頭、東、西院三個(gè)校區(qū)，共拍攝校園場(chǎng)景20余處，拍攝照片800多張，制作360度全景漫游。上海大學(xué)實(shí)現(xiàn)了寧波科技園區(qū)實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。清華大學(xué)土木系的“vrgroup”小組使用spuerscpae公司的vrt虛擬環(huán)境軟件包于1998年開(kāi)發(fā)了“清華北大藍(lán)旗營(yíng)教師住宅小區(qū)”虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)研究室，完成了虛擬的恒昌花園及其房?jī)?nèi)裝修。浙江大學(xué)cad&gc國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。西南交通大學(xué)在虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究方面也有長(zhǎng)足的進(jìn)展。1.2.3 虛擬校園的發(fā)展前景隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬地理環(huán)境學(xué)科的日新月異，虛擬校園將增添更加豐富的內(nèi)容，例如:網(wǎng)上虛擬課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬社團(tuán)等。虛擬校園今后的發(fā)展方向是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的信息化手段和先進(jìn)的工具一計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校與教學(xué)、科研、管理和生活服務(wù)有關(guān)的所有信息資源進(jìn)行全面的數(shù)字化，用科學(xué)規(guī)范的管理對(duì)這些信息資源進(jìn)行整合和集成，形成統(tǒng)一的用戶(hù)管理、統(tǒng)一的資源管理和統(tǒng)一的權(quán)限控制，把學(xué)校建設(shè)成面向校園內(nèi)外，也面向社會(huì)的一個(gè)超越時(shí)間、超越空間的虛擬校園，提高傳統(tǒng)校園的效率，擴(kuò)展傳統(tǒng)校園的功能，最終實(shí)現(xiàn)教育過(guò)程的全面信息化，從而達(dá)到提高教育管理水平的目的。1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容及研究思路本課題主要研究山東工商學(xué)院校園的三維建模和基于web的校園漫游。三維建模部分包括教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、學(xué)生宿舍樓、教師家屬樓、餐廳、樹(shù)林、道路、草坪、行人、聲音與文字等內(nèi)容的建模；校園漫游部分包括校園風(fēng)光展示、固定路徑自動(dòng)漫游、自選路徑漫游、主建筑文字提示、部分設(shè)施控制（如開(kāi)關(guān)燈、拉窗簾、開(kāi)關(guān)門(mén)等等）等功能；還考慮在后續(xù)的工程中加入在線遠(yuǎn)程教育和信息查詢(xún)與管理等子系統(tǒng)。在理論與技術(shù)方面，本課題研究了不平坦地形的建模、貼圖、紋理映射、lod建模、碰撞檢測(cè)、模型動(dòng)態(tài)載入、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)及其他相關(guān)技術(shù)。系統(tǒng)通過(guò)聲音、文字、圖片、動(dòng)畫(huà)和視頻等多媒體技術(shù)手段輔助性地介紹山東工商學(xué)院的概況、歷史、學(xué)科設(shè)置等情況，從而能更真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)大學(xué)狀況，使得用戶(hù)不用親臨現(xiàn)場(chǎng)，即可感受校園的一切。不僅可以在校園和教學(xué)樓以及辦公樓漫游，還可以在虛擬系統(tǒng)中控制部分物體如開(kāi)關(guān)門(mén)、窗以及電燈等等。另外，根據(jù)用戶(hù)訪問(wèn)時(shí)間來(lái)確定春夏秋冬以及白晝，如果是冬天，可能會(huì)是一個(gè)下雪天，則虛擬校園中會(huì)有白雪飄飄，樹(shù)上會(huì)掛著一些雪花，整個(gè)校園銀裝素裹；如果是夏天，可能會(huì)是一個(gè)下雨天，則校園可能下著毛毛細(xì)雨；如果是晚上，則校園內(nèi)林陰路的路燈亮著，教學(xué)樓和辦公樓內(nèi)部分電燈亮著，而用戶(hù)可以控制電燈開(kāi)關(guān)；如果當(dāng)時(shí)有風(fēng)，校園內(nèi)的樹(shù)木會(huì)隨風(fēng)飄搖，而開(kāi)著門(mén)窗的室內(nèi)如紙張、書(shū)等物體會(huì)隨風(fēng)而動(dòng)，用戶(hù)則可以關(guān)上門(mén)窗或拉上窗簾；另外，虛擬校園系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)施旁設(shè)置有服務(wù)臺(tái)，由虛擬導(dǎo)游講解相關(guān)知識(shí)；通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境（即虛擬教室），使訪問(wèn)者能夠在自然、親切的氣氛中進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高教學(xué)的生動(dòng)性、靈活性、趣味性。整個(gè)系統(tǒng)使得用戶(hù)如親臨其境，有較強(qiáng)的交互性和沉浸感。整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中，主要采用3ds max8作用建模工具，而模型整合、交互式控制、特效實(shí)現(xiàn)均采用virtools 4.0，另外，還用到了photoshop cs3（用于效果圖處理）、adobe audition 3.0（用于聲音效果處理）、visual studio 2008（用于輔助系統(tǒng)發(fā)布）?？紤]到整個(gè)校園規(guī)模較大，虛擬場(chǎng)景和物體、角色的數(shù)量較多，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)時(shí)間也有限，因此，第一期（2008年3月至2009年1月）虛擬校園的設(shè)計(jì)以學(xué)校正門(mén)開(kāi)始通往辦公大樓、第二教學(xué)樓、第三學(xué)生餐廳、第25號(hào)學(xué)生宿舍樓以及南門(mén)的主干道路為主線，展示校園風(fēng)光，并實(shí)現(xiàn)辦公大樓、第二教學(xué)樓、第三學(xué)生餐廳和第25號(hào)學(xué)生宿舍樓的外圍效果和室內(nèi)效果。第一期虛擬校園運(yùn)行一段時(shí)間以后，展開(kāi)第二期工程（2009年2月至2009年8月）即山東工商學(xué)院主校區(qū)的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括信息查詢(xún)子系統(tǒng)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等等。將西校區(qū)設(shè)計(jì)與主校區(qū)的整合工作以及遠(yuǎn)程教育模塊放在第三期工程（2009年8月至2010年3月）中，逐步完善整個(gè)系統(tǒng)。本文主要介紹第一階段的工作。1.4 本文組織結(jié)構(gòu)本文內(nèi)容主要通過(guò)以下幾章來(lái)討論：1、第1章介紹虛擬校園的概念、應(yīng)用、研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，以及本課題的研究背景、意義和研究思路。2、第2章介紹“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)以及整體設(shè)計(jì)思路。3、第3章簡(jiǎn)要介紹三維建模原理與技術(shù)；重點(diǎn)介紹了“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的三維建模，包括道路、教學(xué)樓、辦公樓、宿舍樓等樓群的建模，以及樹(shù)木、花草、行人、小魚(yú)等對(duì)象的建模。4、第4章介紹“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)原理和技術(shù)，主要包括碰撞檢測(cè)、角色運(yùn)動(dòng)與同步、可見(jiàn)性檢測(cè)、粒子系統(tǒng)、漫游設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)接口以及系統(tǒng)的發(fā)布等等。5、第5章對(duì)研究的總結(jié)以及下一步的工作介紹。第2章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)能夠?qū)⒍S校園平面圖拓展為三維空間，能夠更逼真、更形象地呈現(xiàn)校園的自然文化風(fēng)貌。訪問(wèn)者能夠自主地領(lǐng)略校園的文化、生活、教學(xué)科研氛圍。為了能夠真實(shí)地反映校園狀況，“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：1、訪問(wèn)者可以隨意地選擇校園中的景點(diǎn)和參觀路線，通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)改變視點(diǎn)，進(jìn)行場(chǎng)景的漫游；也可以按照某些設(shè)定的路線自動(dòng)進(jìn)行場(chǎng)景漫游；在漫游的同時(shí)，路上有行人、車(chē)輛，樹(shù)林中有鳥(niǎo)飛、落葉以及讀書(shū)的學(xué)子，池塘中有魚(yú)游，等等，呈現(xiàn)出和諧的校園風(fēng)景和濃厚的學(xué)習(xí)氛圍；2、校園中的重要建筑物及景點(diǎn)可以有配音解說(shuō)和文字介紹，并支持重要建筑的信息查詢(xún)與管理；3、訪問(wèn)者可以模擬一些像開(kāi)關(guān)門(mén)、開(kāi)關(guān)燈、一動(dòng)物體等在真實(shí)世界中的動(dòng)態(tài)行為；4、系統(tǒng)具有一定的真實(shí)物理學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)，比如碰撞檢測(cè)，杜絕“穿墻而過(guò)”、“物體相交”等違背現(xiàn)實(shí)的情況；落葉等應(yīng)符合運(yùn)動(dòng)學(xué)和物理學(xué)規(guī)律；5、訪問(wèn)者可以進(jìn)入多媒體教室自主進(jìn)行資源瀏覽、視頻點(diǎn)播、課件播放等操作，或進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.2 結(jié)構(gòu)與功能分析“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為虛擬校園漫游子系統(tǒng)、信息查詢(xún)與管理子系統(tǒng)以及虛擬多媒體教室子系統(tǒng)。其漫游系統(tǒng)是個(gè)規(guī)模較大的三維場(chǎng)景，旨在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)展示校園風(fēng)貌，訪問(wèn)者可以走入校園中，觀賞校園的自然風(fēng)光，領(lǐng)略校園的文化、生活與教學(xué)科研氛圍。為了比較真實(shí)地反映校園狀況，可以通過(guò)四個(gè)方面表現(xiàn)這個(gè)虛擬世界：第一，要根據(jù)實(shí)際的自然場(chǎng)景對(duì)校園內(nèi)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行建模，包括道路、樓群、校門(mén)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、花草樹(shù)木、人物、車(chē)輛等等。通過(guò)這些對(duì)象的建模構(gòu)建出“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架，并且實(shí)現(xiàn)一定的交互能力，如門(mén)、燈、窗戶(hù)的開(kāi)啟與關(guān)閉，這是建立虛擬校園系統(tǒng)的基礎(chǔ)。第二，通過(guò)聲音、文字、圖片、動(dòng)畫(huà)和視頻等多媒體技術(shù)手段輔助性地介紹大學(xué)的概況、歷史、學(xué)科設(shè)置等情況，從而更真實(shí)地反映大學(xué)狀況。第三，通過(guò)信息查詢(xún)與管理功能對(duì)校園內(nèi)重要建筑進(jìn)行查詢(xún)與管理。第四，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使訪問(wèn)者能夠在自然、親切的氣氛中進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高教學(xué)的生動(dòng)性、靈活性和趣味性。信息查詢(xún)與管理子系統(tǒng)提供了校園主建筑的文字性描述、指定建筑的信息查詢(xún)以及指定信息的建筑查詢(xún)等功能，并支持信息的添加與修改。虛擬多媒體教室子系統(tǒng)則為訪問(wèn)者構(gòu)建了一個(gè)虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)，訪問(wèn)者可以在虛擬多媒體教室內(nèi)進(jìn)行課件瀏覽、教學(xué)視頻點(diǎn)播以及異步提問(wèn)和答疑。2.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.3.1 虛擬校園漫游子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到整個(gè)場(chǎng)景中的所有對(duì)象是通過(guò)空間相對(duì)位置關(guān)系組織到一起的，因此需要建立一個(gè)對(duì)象，以其為基準(zhǔn)來(lái)確定其他對(duì)象和物體的位置以及各物體之間的位置關(guān)系。道路作為“虛擬山商”系統(tǒng)中的一個(gè)主要對(duì)象，恰好可以起到基線的作用，所以，首先在水平面內(nèi)建立虛擬校園內(nèi)的道路是一個(gè)最佳選擇，然后根據(jù)道路為參照，對(duì)校園的教學(xué)樓、宿舍樓、餐廳、體育場(chǎng)、池塘等各種建筑分別進(jìn)行建模并放置到相應(yīng)的位置上，最后拼接成為一個(gè)整體，構(gòu)成完整的虛擬校園系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景。訪問(wèn)者通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等設(shè)備控制自己的視點(diǎn)和視角，對(duì)虛擬校園場(chǎng)景進(jìn)行全方位的瀏覽和交互。具體建模步驟為：1、首先對(duì)校園主干道路進(jìn)行建模，利用主干道路將校園劃分成為若干區(qū)塊，確定各個(gè)區(qū)塊中的建筑和景觀。在道路建模時(shí)，對(duì)于直線道路使用平面來(lái)建模速度快、效率高，對(duì)于彎曲的道路，則使用放樣建模，即先按照道路的彎曲情況制作一條曲線，然后進(jìn)行放樣。2、對(duì)各區(qū)塊中的主要建筑分別進(jìn)行三維建模。教學(xué)樓、宿舍樓、辦公樓、餐廳等樓群的制作可以分為空心樓體（只制作外部框架的樓體）和實(shí)心樓體（內(nèi)含如走廊、樓梯、窗戶(hù)、桌椅等細(xì)致場(chǎng)景的樓體）。首先對(duì)空心樓體進(jìn)行建模，然后對(duì)具有共同特征的建筑，選擇有代表性的進(jìn)行建模，利用它可改造得到其他建筑的模型，如果多棟宿舍樓之間單體設(shè)計(jì)差異不大，可以選擇一部分樓體進(jìn)行詳細(xì)建模，然后進(jìn)行簡(jiǎn)單修改重復(fù)利用即可快速獲得另一部分樓體或者其他樓體的模型。3、對(duì)各區(qū)塊的外部景觀進(jìn)行建模，包括樹(shù)木、草地、池塘、路燈、行人、車(chē)輛、鳥(niǎo)、魚(yú)等等，為了提高建模速度和渲染效率，按照不同對(duì)象的特點(diǎn)以及在整個(gè)系統(tǒng)中的重要程度，采用不同的方法進(jìn)行建模，例如，對(duì)于距離道路較遠(yuǎn)的樹(shù)木、草地及其他對(duì)象進(jìn)行了粗粒度建模，而對(duì)于距離道路較近的對(duì)象則進(jìn)行了精細(xì)建模。4、對(duì)各組模型進(jìn)行優(yōu)化組織，然后按照平面圖的位置及各模型之間的空間關(guān)系將其整合到一起，組成總體場(chǎng)景模型。“虛擬山商”虛擬校園漫游子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。道路虛擬山商漫游子系統(tǒng)大門(mén)與圍墻花草樹(shù)木、池塘、鳥(niǎo)魚(yú)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)與池塘行人與車(chē)輛其他輔助對(duì)象教學(xué)樓宿舍樓辦公樓實(shí)驗(yàn)樓樓內(nèi)細(xì)節(jié)圖2-1 虛擬山商建模層次fig 2-1 modeling arrangement of virual shanshang2.3.2 信息查詢(xún)與管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了讓訪問(wèn)者更加準(zhǔn)確、真實(shí)、全面地感受山東工商學(xué)院的校園風(fēng)光，系統(tǒng)對(duì)主要建筑和景觀進(jìn)行文字描述和介紹，并且支持信息的添加、編輯與修改。訪問(wèn)者通過(guò)漫游子系統(tǒng)“走”到主要建筑物前，系統(tǒng)自動(dòng)顯示該建筑的名字，訪問(wèn)者也可以通過(guò)按鈕激活該建筑的詳細(xì)文字描述，并且可以通過(guò)查詢(xún)子系統(tǒng)快速查詢(xún)與定位感興趣的建筑物。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將各建筑的固定的、不需要改變的信息直接使用virtools處理，而將需要經(jīng)常修改的信息存放于sql server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中，并使用virtools對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)、將信息顯示給訪問(wèn)者以及保存信息的修改。2.3.3 虛擬多媒體教室子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)虛擬多媒體教室子系統(tǒng)是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上利用多媒體和三維仿真技術(shù)構(gòu)造的學(xué)習(xí)環(huán)境，使得身處不同物理位置的教師和學(xué)生可以更方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流，消除了地域的限制。利用實(shí)時(shí)通信功能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教室中所能進(jìn)行的大多數(shù)教學(xué)活動(dòng)，并可以利用異步通信功能實(shí)現(xiàn)前所未有的教學(xué)活動(dòng)，如異步輔導(dǎo)與答疑、異步講座等等。在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)造虛擬大學(xué)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。在該系統(tǒng)中主要分為虛擬多媒體教室的建模和多媒體播放、控制功能的實(shí)現(xiàn)兩部分，訪問(wèn)者進(jìn)入多媒體教室可以自主進(jìn)行資源瀏覽、視頻點(diǎn)播、課件播放等操作。2.4 虛擬山商系統(tǒng)軟硬件環(huán)境1、軟件環(huán)境操作系統(tǒng)：windows 2003 server+sp1web server: iis 6.0數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境：microsoft sql server 2000+sp4開(kāi)發(fā)環(huán)境：virtools 4.0 + 3ds max8 + photoshop cs3 + adobe audition 3.0 + visual studio 20082、硬件環(huán)境考慮到“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)規(guī)模較大，作品數(shù)量多，為了支持訪問(wèn)者通過(guò)web方式對(duì)該系統(tǒng)的快速訪問(wèn)，服務(wù)器硬件環(huán)境采用了較高的配置，主要性能參數(shù)列表如下：整機(jī)：sungraph 600a專(zhuān)業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)工作站cpu：雙核雙cpu p4 3.06ghz內(nèi)存：4gb顯卡：獨(dú)立顯卡，512mb顯存硬盤(pán)：7tb光纖存儲(chǔ)陣列+400g本機(jī)串口硬盤(pán)網(wǎng)絡(luò)帶寬：100mb/s2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)、整體結(jié)構(gòu)；介紹了虛擬漫游子系統(tǒng)、信息查詢(xún)與管理子系統(tǒng)以及虛擬多媒體教室子系統(tǒng)的主要功能以及服務(wù)器軟硬件平臺(tái)構(gòu)建；給出了漫游子系統(tǒng)的建模原理圖。第3章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的三維建模設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)三維虛擬校園系統(tǒng)的主要工作之一是運(yùn)用三維場(chǎng)景建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)中生成逼真的、等同于現(xiàn)實(shí)世界又稍有不同的虛擬世界。人的信息感知主要來(lái)源于視覺(jué)，虛擬世界的逼真程度直接影響整個(gè)虛擬校園的沉浸感和真實(shí)感以及最終的可用性。因此，三維場(chǎng)景模型構(gòu)造在整個(gè)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是虛擬校園系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首要工作。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，同樣是首先建立整個(gè)系統(tǒng)的三維模型，然后再依次加入信息查詢(xún)與管理、在線遠(yuǎn)程教學(xué)以及各種特效。3.1 三維建模理論基礎(chǔ)整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)中，所有復(fù)雜地形、樓房、桌椅、電燈、電腦、窗簾、書(shū)本、汽車(chē)、行人、植物、聲音文字甚至垃圾桶等虛擬物體均采用3ds max 8進(jìn)行建模。虛擬校園中，大多數(shù)場(chǎng)景都是動(dòng)態(tài)渲染的，需要較多的資源和帶寬，用戶(hù)在3d空間中漫游時(shí)，所有3d網(wǎng)格對(duì)象都會(huì)以至少每秒30次的速度渲染到屏幕上。這就意味著用戶(hù)計(jì)算機(jī)的cpu和圖形處理器必須不斷地變換虛擬場(chǎng)景，并實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行渲染，這反過(guò)來(lái)就會(huì)限制模型所能包含的多邊形或面的數(shù)量。多邊形細(xì)節(jié)層級(jí)高的模型看起來(lái)也許更出色，但其在用戶(hù)計(jì)算機(jī)上的渲染速度會(huì)非常慢，從而使它的意義接近于零。因此，模型質(zhì)量在很大程度上決定了作品的質(zhì)量和運(yùn)行效率。3.1.1 坐標(biāo)系在虛擬校園的所有物體建模時(shí)，都以物體本身為參照物設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，且均以正前方為+z軸，正上方為+y軸，正右方為+x軸，這樣的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方便物體的控制，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等等三維變換。整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)擁有一個(gè)全局坐標(biāo)系，所有物體的位置和方向等信息都以全局坐標(biāo)系為參考，便于計(jì)算各角色之間的距離。模型導(dǎo)入virtools環(huán)境以后，仍使用建模時(shí)定義的自身坐標(biāo)系。常用的坐標(biāo)系有：1、世界坐標(biāo)系：建立了描述其他坐標(biāo)系所需要的參考框架，用來(lái)描述其他坐標(biāo)系的信息，如每個(gè)物體的位置和方向、攝像機(jī)的位置和方向、每一點(diǎn)的地形是什么、各物體的運(yùn)動(dòng)描述等等。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，世界坐標(biāo)系以東大門(mén)為坐標(biāo)原點(diǎn)o、上方為+y軸、北方為+x軸、西方為+z軸。其他所有模型的位置以及空間關(guān)系描述均使用此坐標(biāo)系。例如，第一教學(xué)樓的坐標(biāo)為（20,0,320），第二教學(xué)樓的坐標(biāo)為（18,0,-460），二者之間直線距離為158，度量單位均為“米”。2、物體坐標(biāo)系：也稱(chēng)模型坐標(biāo)系或身體坐標(biāo)系，是與特定物體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，可以描述模型中物體的坐標(biāo)信息和自身運(yùn)動(dòng)情況，如向左轉(zhuǎn)、向前走等等。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，對(duì)于不同的樓體以及其他對(duì)象模型均設(shè)計(jì)了物體坐標(biāo)系，以底平面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)o、上方為+y軸、正前方為+z軸、正右方為+x軸。這樣，各模型自身的不同組成部分之間的位置和空間關(guān)系可以直接使用物體坐標(biāo)系描述，減少了計(jì)算量，提高了速度。另外，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)使用自身的物體坐標(biāo)系作為參照系，簡(jiǎn)化了處理過(guò)程。例如，第二教學(xué)樓2413辦公室門(mén)口相對(duì)于第二教學(xué)樓的物體坐標(biāo)系的坐標(biāo)可以描述為（9,7.3,-2）；虛擬場(chǎng)景中行人及車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)前進(jìn)2米的含義是沿其+z軸方向前進(jìn)2米，向右旋轉(zhuǎn)30度的含義是以其+y軸為旋轉(zhuǎn)軸向右旋轉(zhuǎn)30度。3、攝像機(jī)坐標(biāo)系：和觀察者密切相關(guān)的坐標(biāo)系，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，攝像機(jī)在原點(diǎn)，x軸向右，z軸向前，y軸向上，在該坐標(biāo)系中，需要確定多個(gè)物體之間的遮擋問(wèn)題，即哪些物體應(yīng)該顯示出來(lái)；在虛擬校園漫游時(shí)，大量用到了攝像機(jī)坐標(biāo)系。當(dāng)訪問(wèn)者漫游或者切換視點(diǎn)與視角時(shí)，屏幕所顯示的內(nèi)容均應(yīng)為當(dāng)前視點(diǎn)與視角所確定的場(chǎng)景，并且不會(huì)顯示被遮擋的物體，這屬于可見(jiàn)性檢測(cè)的內(nèi)容。例如，訪問(wèn)者進(jìn)入某房間后不能看到其他房間的物體。4、慣性坐標(biāo)系：其原點(diǎn)與物體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，而坐標(biāo)軸與世界坐標(biāo)系的軸平行，因此，從物體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到慣性坐標(biāo)系只需要旋轉(zhuǎn)，從慣性坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系只需要平移，它簡(jiǎn)化了物體坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換36,37,39-41,43,44,46。系統(tǒng)中經(jīng)常涉及坐標(biāo)變換，常用的有36：1、平移：物體在場(chǎng)景內(nèi)移動(dòng)（前進(jìn)、后退）時(shí)，涉及到平移變換，其變換矩陣為 (3-1)例如，物體前進(jìn)5米的平移變換矩陣中值為5，后退時(shí)其值為5，其他兩個(gè)值均為0。在虛擬漫游系統(tǒng)中，很少用到向左和向右的平移，若需要此種動(dòng)作，一般也是轉(zhuǎn)換為“先左轉(zhuǎn)再前進(jìn)或后退”或“先右轉(zhuǎn)再前進(jìn)或后退”的動(dòng)作。2、旋轉(zhuǎn)：復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)可以分解為沿x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)的組合，沿x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)角度的變換矩陣分別為 (3-2)在虛擬校園漫游中，用的最多的是沿y軸的旋轉(zhuǎn)，例如人、門(mén)的旋轉(zhuǎn)，很少用到沿其他軸的旋轉(zhuǎn)，一般旋轉(zhuǎn)更少。3、比例變換：在物體縮放時(shí)需要用到比例變換，其變換矩陣為 (3-3)4、透視變換：視點(diǎn)在x軸、y軸、z軸上的透視變換矩陣分為別 (3-4)3.1.2 幾何建模法幾何建模法是充分利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)行虛擬環(huán)境的建模和繪制。首先對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行抽象，用多邊形構(gòu)造虛擬景觀(包括地形、建筑、實(shí)體、樹(shù)木等)的三維幾何建模，并建立虛擬環(huán)境中的光照和材質(zhì)模型，然后進(jìn)行紋理映射及控制參數(shù)設(shè)定，利用計(jì)算機(jī)由模型實(shí)現(xiàn)多邊形處理、著色、消隱、光照以及投影等一系列繪制過(guò)程，產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，在輸出設(shè)備上實(shí)時(shí)渲染繪制視景畫(huà)面，從而完成對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的漫游和交互。幾何建模法實(shí)現(xiàn)的虛擬場(chǎng)景大多具有精確對(duì)應(yīng)的幾何模型，得到的場(chǎng)景顯得比較細(xì)膩、逼真，同時(shí)便于用戶(hù)與虛擬場(chǎng)景中虛擬對(duì)象的交互，以及對(duì)虛擬對(duì)象的深度信息進(jìn)行直接獲取。即使在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，只要有相關(guān)的建筑圖紙，按照對(duì)應(yīng)比例與尺寸，一樣能夠完成場(chǎng)景的構(gòu)建與漫游，即能夠?qū)崿F(xiàn)虛物實(shí)化。幾何建模法應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)路線比較成熟，國(guó)內(nèi)外都研發(fā)了許多建模工具及控制集成軟件，這些都使得幾何建模法目前實(shí)際應(yīng)用比較廣泛。但在場(chǎng)景模型比較復(fù)雜的情況下，幾何建模技術(shù)也存在一些不足：一是對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)建模太過(guò)煩瑣，工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；二是當(dāng)場(chǎng)景模型復(fù)雜時(shí)，實(shí)時(shí)顯示的計(jì)算量較大，而使用戶(hù)與虛擬場(chǎng)景無(wú)法實(shí)時(shí)交互，用戶(hù)對(duì)場(chǎng)景中虛擬對(duì)象的操作也無(wú)法得到實(shí)時(shí)的反饋，場(chǎng)景難以達(dá)到完全逼真；三是場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染繪制對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件要求較高。這將使場(chǎng)景的復(fù)雜性因硬件的處理能力而受到限制，對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的建模難以實(shí)現(xiàn)。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，樓體建模大量使用了幾何建模法，例如教學(xué)樓、辦公樓、宿舍樓、餐廳、商業(yè)中心等等。而對(duì)于樹(shù)木，則僅對(duì)道路兩旁較近的采用幾何建模法進(jìn)行了精細(xì)建模，遠(yuǎn)處的樹(shù)木則使用了下面將要講到的貼圖技術(shù)進(jìn)行粗略建模。3.1.3 貼圖貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理，通過(guò)貼圖可以增加模型的質(zhì)感，完善模型的造型，使其更接近于真實(shí)；另外，在建模過(guò)程中，不可能對(duì)所有物體、角色進(jìn)行精細(xì)、準(zhǔn)確地建模，這樣不僅需要很大的工作量，且不利于控制，更主要是占用更多的資源從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并且當(dāng)遠(yuǎn)距離觀察時(shí)，并不需要顯示虛擬環(huán)境的太多細(xì)節(jié)。因此，對(duì)于比如教學(xué)樓、宿舍樓的墻面、門(mén)、窗戶(hù)及其它次要景物建模時(shí)，可以配以適當(dāng)?shù)馁N圖。通過(guò)在模型的隱蔽區(qū)域中完成漂亮的接縫，可以使展開(kāi)u-v紋理坐標(biāo)的過(guò)程更加容易。但此技術(shù)對(duì)于移動(dòng)物體效果不好，并且不能用于表面復(fù)雜度較高的物體，物體復(fù)雜度越高，面平面所表現(xiàn)出的方向個(gè)數(shù)越大，該技術(shù)的可用性越低。另外，貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理，利用貼圖可以不用增加模型的復(fù)雜程度就可突出表現(xiàn)對(duì)象細(xì)節(jié)，并且可以創(chuàng)建反射，折射，凹凸，鏤空等多種效果，從而更加接近于真實(shí)情況17-18,27,47-48,52-54。常用的貼圖有：1、2d maps二維貼圖：二維平面圖像，用于環(huán)境貼圖創(chuàng)建場(chǎng)景背景或映射在幾何體表面。最常用也是最簡(jiǎn)單的二維貼圖是bitmap，其它二維貼圖都是由程序生成的。2d貼圖包括bitmap（位圖）、checker（方格）、combustion、gradient（漸變）、gradient ramp（漸變度）、swirl（漩渦）、tiles（平鋪）。2、3d maps三維貼圖：是程序生成的三維模板，如wood木頭，在賦予對(duì)象的內(nèi)部同樣有紋理。被賦予這種材質(zhì)的物體切面紋理與外部紋理是相匹配的。它們都是由同一程序生成。三維貼圖不需要貼圖坐標(biāo)。 3、compositors復(fù)合貼圖：以一定的方式混合其它顏色和貼圖，包括composite（合成）、mask（遮罩）、mix（混合）、rgb multiply（rgb倍增）等等。4、color modifier顏色修改器：改變材質(zhì)像素的顏色，具體有output、rgb tint（rgb染色）、vertex color。5、other map其它貼圖：是用于特殊效果的貼圖，如反射、折射。另外，如果賦予物體的材質(zhì)中包含任何一種二維貼圖時(shí)，物體就必須具有貼圖坐標(biāo)。這個(gè)坐標(biāo)就是確定二維的貼圖以何種方式映射在物體上。它不同于場(chǎng)景中的xyz坐標(biāo)系，而使用的是uv或uvw坐標(biāo)系。每個(gè)物體自身屬性中都有g(shù)enerate mapping coordiantes生成貼圖坐標(biāo)。此選項(xiàng)可使物體在渲染效果中看到貼圖?？梢酝ㄟ^(guò)uvw map修改器為物體調(diào)整二維貼圖坐標(biāo)。不同的對(duì)象要選擇不同的貼圖投影方式。在uvw map修改器的參數(shù)卷欄中可以選擇以下幾種坐標(biāo)。1、planar平面：平面映射方式，貼圖從一個(gè)平面被投下，這種貼圖方式在物體只需要一個(gè)面有貼圖時(shí)使用。2、cylindrical柱面：柱面坐標(biāo)，貼圖是投射在一個(gè)柱面上，環(huán)繞在圓柱的側(cè)面。這種坐標(biāo)在物體造型近似柱體時(shí)非常有用。在缺省狀態(tài)下柱面坐標(biāo)系會(huì)處理頂面與底面的貼圖如圖6-46所示。只有在選擇了cap選項(xiàng)后才會(huì)在頂面與底面分別以平面式進(jìn)行投景。3、spherical球面：貼圖坐標(biāo)以球面方式環(huán)繞在物體表面，這種方式用于造型類(lèi)似球體的物體。4、box立方體：立方體坐標(biāo)是將貼圖分別投射在六個(gè)面上，每個(gè)面是一個(gè)平面貼圖。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)中，較多地使用了貼圖技術(shù)來(lái)配合幾何建模法進(jìn)行快速建模。如樓體的外側(cè)表面、樓內(nèi)房間的墻壁、大片的草地以及樹(shù)木等，都采用簡(jiǎn)單幾何體和貼圖相結(jié)合的建模方法。在樓體外側(cè)表面和樓內(nèi)房間的墻壁建模時(shí)采用平面貼圖，樹(shù)木則采用了球面貼圖，對(duì)于大面積的草地，為了呈現(xiàn)其起伏效果，則采用了不規(guī)則平