文献综述-三维虚拟校园的设计与实现

毕业设计（论文）文献综述

学院：机电工程系

专业：电子信息工程

年级：

指导教师：

学生姓名：

学号：

起止时间：

文献综述

引言：

虚拟漫游技术是虚拟现实技术的重要分支，在建筑、旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业发展很快。虚拟校园可以提供三维虚拟环境，可支持对现实大学的资源管理、环境规划、学校发展和远程访问等，让人足不出户就能实现对该场景的漫游与交互，从而达到身临其境的主观感受。在本系统中，将运用3DSMAX技术设计一个虚拟的三维校园图书馆建筑。

1、课题背景

虚拟现实技术是指利用计算机建立的人工媒体空间，它是模拟的，但又是具有真实感的，通过多媒体传感交互设备使人进入一种虚拟的环境，并提供一种模拟现实的操作环境，利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉的感观世界，使人们对所研究的对象和环境获得身临其境的感受，从而提高人类认知的广度和深度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间”和“方法空间”，最终达到更本质地反映客观世界的实质[2]。虚拟现实技术有3个主要特征：交互性、沉浸性和想象性。

本课题介绍了三维虚拟校园建筑的建模方法以及它所实现的功能。

2、研究内容及目标

本文就是以浙江海洋学院图书馆的设计为研究对象，以浙江海洋学院为虚拟空间，以建立三维虚拟图书馆建筑为目的，探讨了建立立体式虚拟校园建筑的建模技术与数据表现方法。论文分析了虚拟现实技术中的三维建模技术的方法、特点，针对虚拟校园建筑中的建模方法进行了深入地探讨。针对校园建筑中出现的结构，特殊建筑，光线生成，天空环境的加入等实体的建模方法做了详细的分析，这些建模方法具有一定的针对性，符合事物自身的特点，对不同类型的事物具有很强的代表性，体现了虚拟现实建模技术的一些重要概念和方法。

系统要能表现较好的空间立体感，在形态、光照、质感等方面都十分逼真，使参与者能在构筑的栩栩如生的虚拟建筑场景中观察.体验。为了达到这一要求，在总体设计时必须遵守沉浸性，构想性，交互性，高效性，可扩展性以及灵活性原则。

3、相关技术介绍

本系统主要是采用3DSMAX软件进行开发的，包括系统模型的构建，层次细节的绘制，模型的材质与贴图，场景的渲染。

本系统运用了如下的知识点：以下简单介绍主要知识点：

1.3DsMAX软件的建模方法

(1)直接创建几何体对象。3DS MAX内置了许多基本的几何体模块，比如球体、立方体、圆柱体、三角锥等，用户只要拖动鼠标定义对象的尺寸，或者在命令面板中直接用键盘输入各种位置、大小信息，3DSMAX就会生成一些基本几何体，在对这些基本几何体进行一系列的编辑，既可以得到所要创建的对象。

(2)使用样条曲线图形。样条曲线是一种根据数学原理弯曲的特殊类型曲线，它们通常是在三维空间中绘制的二维曲线，3DS MAX通过给二维图形添加厚度(Extrude)、旋转(Lathe)样条曲线来创建三维对象。

(3)使用网格(Mesh)对象。网格对象是大多数3D文件类型使用的默认模型类型，包括流行的3D格式3DS DXF都是以网格的形式存储的。3DS MAX可以把一些简单的几何体转换为网格对象，然后通过编辑修改器(Modifier)对网格对象的次对象，如顶点(Vertex)，边(Edge)、面(Face)、多边形(Polygon)和体元素(Element)进行编辑，从而得到想要得到的复杂模型[24]。

(4)使用面片(Patch)对象。面片的使用方法类似于网格，它们的区别仅在于生成图形的数学原理基于Web的VCS虚拟校园系统的构建不同，网格对象用平面方程来包围几何体的表面，面片则是用Bezier曲线来逼近物体表面，它是多边形网格对象的补充。

(5)使用复合(Compound)对象。它主要是通过对已得到的简单模型进行变形(Morph)，离散(Scatter)、包裹(Conform)、连接(Connect)、形体合并(ShapeMerge)、布尔运算(Boolean)、放样(Loft)等过程生成用户需要的复杂模型[19]。

(6)用NURBS对象。NURBS是Non-Uniform Rational B Splines(非均匀有理B样条曲线)的首字母缩略词，从这个名字就可以知道它是基于NURBS曲线原理来构造三维物体的。

(7)放样(Loft)对象。放样是来自造船业的一个术语，它借用了造船业的思想，先创建并定位横截面，然后定义一个放样路径，让横截面沿路径拉伸，从而得到三维对象。

2. 层次细节模型生成和绘制

目前的层次细节技术的研究主要集中于如何建立原始网格模型的不同层次细节模型以及如何建立相邻层次的多边形网格模型之间的几何形状过渡。对于原始网格模型的不同层次细节的模型建立，我们假设场景的模型都是三角形网格(在实际应用中，为了绘制方便，三维场景最后一般都被转化为三角形网格)，从网格的几何及拓扑特性出发，存在着三种不同基本简化操作，分别是：

(1)顶点删除操作。删除网格中的一个顶点，然后对它的相邻三角形形成的空洞作三角剖分，以保持网格的拓扑一致性。

(2)边压缩操作。把网格上的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角形退化(面积为零)，而它的两个顶点融合为一个新的顶点。

(3)面收缩操作。把网格上的一个面片收缩为一个顶点，该三角形本身和与其相邻的三个三角形都退化，而它的三个顶点收缩为一个新的顶点。

3.场景的渲染

本文给最终制作完成的三维模型添加了一个光线效果以及天空的背景。首先添加一个IES太阳光，以图书馆为目标，调整其角度，使太阳光从侧面照射建筑。然后对其进行渲染，这样就为场景添加一个光照效果。

本系统采用天空球的方式模拟天空效果，但是传统的天空球方式模拟天空，将纹理图片贴到半球上时，会在球的顶部出现纹理聚集的褶皱现象，在接缝处也会出现明显的纹理被拉伸的现象，为了解决这一问题，此处采用展UV 技术，首先把将要模拟天空的半球用展UV 方式展平成一个圆，然后在Photoshop 中将准备好的天空图片用圆形选择工具选取一个圆形区域后把该区域贴到刚才展平的那个圆上，这样就不会出现传统的天空球方式贴图后的褶皱和拉伸的现象了。

参考文献

[1]陈诚，三维校园的开发与设计即全景校园虚拟漫游技术的实现，武汉科技大学，2010-5

[2].汪成为，高文，王解仁著.灵境(虚拟现实)技术的理论实现及应用.清华大学出版社，1996-4

[3]陈生贵. 泸县二中校园虚拟漫游系统的设计与实现. 电子科技大学, 2009-4

[4]刘国庆，虚拟校园建模技术的研究，中国石油大学，2008-5