虚拟校园实现技术比较与应用

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摘要：介绍虚拟实现与虚拟校园的概念和虚拟现实系统的特点，对虚拟实现系统建设的几种常用技术进行对比并选择适合虚拟校园的技术路线，简单介绍虚拟校园系统的实现思路。

关键词：虚拟现实；虚拟校园；建模语言；建模工具；Action Script

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)17-4222-02

1 虚拟现实与虚拟校园

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一门二十世纪末才兴起的崭新的，融合了数字图像处理、计算机图形学、人机接口技术、传感技术、人工智能技术、多媒体技术等多个信息技术分支的学科。虚拟现实系统是利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界的软件系统。它是用计算机模拟的三维环境对现场真实环境进行仿真，用户可以走进这个环境，可以控制浏览方向，并操纵场景中的对象进行人机交互[1]。虚拟校园是指使用虚拟现实技术构建的、方便用户浏览和操纵的校园全景系统。

2 虚拟现实系统特点

虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性，这就是“沉浸（Immersion）性”、“交互（Interaction）性”和“想象（Imagination）性”。这三个特点充公反映了虚拟现实系统的关键特性，即系统与人的充分交互和人在虚拟现实环境中的主导作用[2-3]。

虚拟现实技术是根据人类的视觉听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，并通过电脑的键盘、鼠标或传感设备进行交互，从而达到身临其境的感受。

3 虚拟现实技术实现方法比较

3.1 虚拟现实建模语言

虚拟现实系统的建设过程可分建模和实现两个环节，其中建模语言有多种，ActionScript3.0、VRML、JAVA3D 和OpenGL 是几种用得最多的虚拟现实建模语言，因为这几种语言建出的模型都有较强的交互显示能力和交互操作能力。

VRML是一种三维造型和渲染的图形描述语言，通过描述一个虚拟场景以达到现实中的效果，并且可以在网络中创建逼真的虚拟场景。VRML 把虚拟世界看作成一个大的场景，而场景中的一切都看作场景中的节点，它使用场景图数据结构来建立三维实境，利用层次性文件的包含关系创建任意的动态场景[4]。因为应用VRML语言开发的系统在互联网上使用时还要安排相关插件，否则不能正常使用，给用户造成一定的麻烦。

OpenGL 有很好的跨平台特性，许多人利用它来编写三维应用程序，但对于一个非程序设计人员来说，利用OpenGL 编写出复杂的三维模型程序几乎是不可能的，烦琐编程过程令人难以掌握，只有对于专业编程人员来说，OpenGL 可扩展性好，性能效果较好，是一个非常好的工具。

JAVA3D 可以用来编写三维形体，它包含了VRML所提供的所有功能，它可以编写出复杂的三维应用程序，但与VRML 不同，JAVA3D 没有基本形体，它调用其它三维软件生成的形体。

Action Script动作脚本是遵循 ECM Ascript第四版 的 Adobe Flash Player 运行时环境的编程语言。它在 Flash 内容和应用程序中实现交互性、数据处理以及其他功能。Action Script是Flash的脚本语言，与JavaScript相似，新出的AS3.0使用OOP（面对对象编程），增加更强的报错能力，指定类型也更明确，3D效果显著。Flash在互联网上使用非常广泛，几乎所有的WEB浏览器都可以播放Flash文件，使用Flash程序非常快捷、方便。近年来，在虚拟现实技术实现工具选择方面越来越受青睐。

3.2 建模工具

在虚拟现实技术应用中三维建模是相当关键的部分。用三维软件建出的模型可以仿真的模拟客观世界。实现虚拟现实评价所建模型的技术水平包含四个方面：是否需安装插件、交互显示的能力、交互操作的能力和易于构造的能力。要创建优秀的虚拟环境选择好建模方式很重要，通常建立虚拟现实场景模型主要有三种方式：一是采用全景摄影技术，把一系列局部图像拼接起来的，能够进行全视野、360 度全方位环视漫游的图像环境；二是使用编程的方法直接生成三维模型，常用的语言有ActionScript、VRML、JAVA3D 、OpenGL 等；三是采用第三方建模工具，如3Ds max、MAYA等三维模型软件来制作三维模型，简化编程语言设计模型的过程；四是使用用编程语言建立三维模型，都要编写大量非常繁杂的程序。

虚拟校园主要是为了应用于校园的对外宣传和招生中，能给许多不能亲自参观考察学校的学生及家长等一种新的选择和高度逼真的视觉体验；另一方面，基于几何的建模真实感不强，且体积增大，降低实时性。所以系统采取真实环境全景摄影技术构造全景图，并且通过这种虚拟体验，促进校园文化、学术交流，有利于校园的对外宣传，使更多的人了解校园现状。

3.3 虚拟校园技术路线选择

通过对虚拟现实的建模语言和建模工具的比较分析，基于VR虚拟现实的沉浸性、交互性的特点，结合虚拟校园的需求特点，以及网络传输速率的制约的考虑，虚拟校园系统的实现技术采用了Flash CS4 为平台，以ActionScript3.0为开发语言的技术路线。

4 虚拟校园系统的实现思路

4.1 建模思路

通过安置静态或动态摄像机实现对三维场景的观察，利用摄影设备连续扫描周围空间的真实图像，利用在某一固定位置所抓取的一个环境的360 度全景图像，通过展现全景图像的相应部分来实现相互的调整，构造出一个全视野、360 度全方位环视漫游的图像环境。

4.2 Action Script程序思路

该系统将观察景点简化为一个圆柱体，将虚拟环境中的景点表面剖分成三角形。这样，任何景点的表面都可以被剖分成三角形，因而这样的方法具有普遍性。

景点透视与投影实现思路。通过景点透视来产生远小近大的变化以产生空间感，在PV3D中，设想观察者camera在一个正六面体中央，通过一点通过透视方程来计算每个面的在空间投影中的位置，以产生透视效果。

消隐算法的实现思路。如果没有消隐算法，那么观察者只能看到离屏幕最近的面，而不能看到整个3D空间，将面法线与视锥体夹角大于180度设为不可见，将多边形的中心与camera重合，在camera坐标系中Z值小于0的多边形不可见。

5 结束语

基于Flash CS4平台、ActionScript3.0语言所构建的虚拟校园系统，使用方便、可以实现较好的互动。文章所介绍技术成功应用于河源职业技术学院虚拟校园系统，建设成功的虚拟校园系统目前广泛应用于校园的对外宣传和招生中，能给许多不能亲自参观考察学校的学生及家长等一种新的选择和高度逼真的视觉体验。并且通过这种虚拟体验，促进校园文化、学术交流，有利于校园的对外宣传，使更多的人了解校园现状，因而具有较高的价值。

参考文献：

[1] 兰小机,沈惊宏.虚拟现实技术与雕塑相结合的浅议[J].电脑应用技术,2009(79).

[2] 黄小刚,李伟程.山西师大主校区三维虚拟校园的建设研究[J].山西师范大学学报:自然科学版,2008,22(2):33-36.

[3] 彭辉,黄飞.深入浅出说VR[J].电子出版,2003(2):46-47.

[4] 傅莹.虚拟现实技术的应用方法研究[J].中国科技信息杂志,2010(12):102.