基于VRP的虚拟校园建设关键技术探究

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摘要：本文对VRP三维互动仿真平台来建立虚拟校园的一些关键技术进行了讨论，为将来更好的发展建设虚拟校园打下基础。

关键词：VRP；虚拟校园；虚拟现实技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 14-0081-01

VRP是一个虚拟现实仿真平台软件。该软件操作简捷、可视化性能高、应用性强，可广泛应用到室内设计、城市规划等行业。

通过VRP建立的虚拟校园，真实表现出了学校景观，用户可以轻松进入虚拟校园进行自由访问，帮助解决校园的合理规划设计、设计方案中存在的问题，有效的促进学校的建设和发展。

构建虚拟校园的过程中有一些关键的技术。只有理解这些关键技术才能更好的利用VRP来建设虚拟校园。

一、校园基础数据的获取技术

（一）三维地形数据。获取三维地形数据有以下三种方法。

1.通过到学校进行测量来获取数据。该方法获取速度快、成本低，主要适用于小范围大比例尺的区域，特别是工程项目。缺点是工作量比较大。

2.从原有地形图中获取。目前从等高线地形图中矢量化生成三维地形数据是现在比较成熟的方法。该方法的优点是：成本低；缺点是：速度较慢、精度低。

3.通过数字摄影测量系统获得数据。该方法将摄影获得的地物的特征点对作为三维地形的数据源，然后在数字测量系统上，经过定向等处理过程，自动或半自动的获取到三维地形数据。该方法优点是：精度高，适用于大范围采集数据。但缺点是：成本较高，后期数据的处理工作量很大。

（二）建筑物的三维空间数据。建筑物的空间数据包括建筑物平面数据和数字高程数据。

平面数据是指建筑物投影到地平面形成的轮廓线，通过地图数据可以获取。

数字高程数据即三维地形数据，实际上是地表物体的高程信息。获取方法有以下三种。

1.基于影像获取。该方法优点是：获取的数据速度快、精度高；缺点是：工作量大。

2.利用算法提取建筑物数据。该方法效率高，但只适合数据量少的数据处理。

3.粗略估算求建筑物的高度。该方法优点是：简便、快速；缺点是：获取的只是一个估算值，精度较低。

（三）表面纹理数据。表面纹理数据的获取方法主要有下面两种。

1.利用地面摄影直接提取。这种方法通过摄影得到的大量建筑物照片来获取数据。优点是：所建模型真实感很强；缺点是：获取速度慢，后期处理要做大量工作，适于获取小范围的建筑纹理数据，虚拟校园中纹理数据的获取便适合采用这种方法。

2.利用计算机来做简单的模拟绘制。该方法产生的数据为矢量格式的纹理数据，数据量小，建的模型运行速度快，但真实感比较差。

二、建模技术

（一）基于图像的建模技术。基于图像的建模技术是指通过从拍摄的一些不同角度的照片中提取出对象的模型，最终实现场景三维重建的过程。它的研究主要包括光照、绘制和建模。

它的基本思路是：通过对不同角度拍摄的照片图像进行插值运算计算出物体的位置、大小、参照物和旋转角度之间的关系，然后对物体添加纹理绘制出物体的三维模型。这种方法跳过了中间的模型恢复过程，便于修改、操作，绘制速度快，所需时间少，效果也很逼真，应用广泛。但是这种技术需要大量数据，实时性很差。但是对较复杂场景和形状不规则的复杂物体进行三维恢复操作就比较困难。

（二）基于几何建模的技术。几何模型描述了虚拟对象的形状和外观，基于几何建模的技术通过对真实世界的实体采用几何多边形的方式分别构建场景对象，完成模型构建的技术。

优点是：模型精度高，通过采用纹理映射技术可以使模型实现接近现实的效果，且便于应用基本的设备与虚拟对象进行交互操作。缺点是：场景越复杂，建模过程就会越复杂，产生的模型数据就越大，加载要消耗的时间就越多，从而不利于实时的显示场景，进而削弱了场景的逼真度。

（三）混合建模技术。混合建模是把结合基于图形和几何的建模技术在建模时发扬两者优点，最后获得较为理想的效果。它的建模思路是：首先，应用基于图像法构造虚拟场景的环境，获得逼真效果；其次，用几何建模法对场景中要交互的对象进行实体建模。

它的优点是：真实感、实时性和交互性都得以很好的实现，从而提高用户的真实感。缺点是：由于还未能解决图形建模场景和几何建模场景无缝匹配的相关问题，它在现实中的应用并不广泛。

三、纹理映射技术

正向纹理映射：是说把提前定义好的纹理空间中的纹理通过屏幕的映射反映出来。三维立体表面通过映射函数能够很好地把纹理空间中定义好的二维纹理函数反映出来，随后经历投影变换到图像空间显示出来。

反向纹理映射：在纹理映射中使用较多，它是指通过特别指定的屏幕扫描线对图像的元素进行采访，对纹理图案进行随机采样抽取，采样速度依靠动态存储图案来提升。

四、碰撞检测技术

碰撞检测技术是为了提高场景真实性，逼真的模拟现实世界，避免穿墙而过的情形，及时对场景进行检测并作出相应的碰撞反应。碰撞检测是虚拟校园建设中一个重要的环节，它要依据建筑物的外部模型形状进行检查测量，用来避免穿墙现象的发生；还要根据虚拟场景的天空和大地边界进行高度的检测，防止走出大气层和钻入地下现象的出现。

层次包围盒法和空间分解法是两个几何模型间进行碰撞检测的方法。

层次包围盒法就是把繁杂的集合对象通过体积较大，集合特性简单的包围盒来描述，并通过建立一个分层的树状结构来近似几何模型，然后获得完整的物体几何特征，这种算法只需要对包围盒的重叠部分进行相交测试。

空间分解法就是把全部一个虚拟空间进行分解，把他们分解成一个一个大小相同的单元格，在占据了相同的单元格或者是相邻单元格的对象中进行相交测试，空间分解法中典型的例子有：八叉树、k-d树和规则网格。

五、结语

本文介绍了校园基础数据的获取技术、建模技术、纹理映射技术和碰撞检测技术这四种构建高真实感虚拟校园的关键技术，并通过分析各自的优缺点，确定了基于vrp构建虚拟校园的技术，希望为未来构建基于VRP的虚拟校园打下基础。

参考文献：

[1]谭仁春.三维GIS中建筑物的若干问题探讨[J].测绘工程,2003,1.

[2]李娇.基于纹理映射算法的三维地形重构的研究与实现[D].哈尔滨工程大学,2008.