毕业论文-基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现37

基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现1基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现【摘要】虚拟校园是虚拟现实技术在数字化校园中的具体应用。虚拟校园可以再现真实的校园场景，可以使那些没有机会实地参观的人获得身临其境的感受。还可以在此基础上建立三维虚拟大学，提供相应的网上教育等，具有较高的应用价值。本文较为全面地介绍了虚拟现实技术和X3D技术，对虚拟校园漫游系统所涉及的技术问题进行了比较详细的研究。本文以深圳大学为对象，以X3D技术为主，综合运用多种技术，设计了校园内的多个场景，构建了办公楼、图书馆、科技楼等立体模型，经过整体拼合，最终实现了一个虚拟校园漫游系统。【关键词】虚拟现实；虚拟校园；漫游系统；场景设计；X3D基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现2第1章绪论1.1研究背景及意义随着科学技术的发展和人类的进步，人们对世界的探索越来越深入，人们对事物的认识与了解已经不再局限于表面，更多地的是对事物多方面的接触与深入了解。然而，很多领域的发展受到了很多条件的约束和限制，很难真正意义上实现人类的主观愿望，比如对没有发生的事物的预测，未知结果的提前模拟等，也有对现有事物的可视化描述。这些社会的需求摆在我们眼前，迫切需要一个能解决上述问题的有效工具，虚拟现实技术正是在这样的背景下诞生的[1]。虚拟现实技术一经问世，人们就对它产生了浓厚的兴趣。近几年，虚拟现实技术不但已开始在军事、医学、教育、设计、艺术、娱乐等诸多领域得到了越来越广泛的应用，而且还给社会带来了巨大的经济效益。因此，有关人士认为：20世纪80年代是个人计算机的时代，90年代是网络、多媒体的时代，而21世纪初则将是虚拟现实技术的时代。虚拟校园是虚拟现实技术在教育领域中的一个重要应用。它是将现实中学校的教学环境和校园的三维景观利用先进的技术在计算机中虚拟的再现出来。虚拟校园不仅能够构建一个全三维的逼真的校园环境，还能够挂到校园网上，让远程用户下载或者直接参看。有了虚拟校园，学校的对外宣传就不再仅仅局限于文字、图片等传统的宣传方式，能够更加直观的将学校的情况展现在用户的眼前[2]。虚拟校园技术对大学的对外宣传、招生就业、校容校貌的展示等具有非常重要的作用，是校园信息化平台建设的重要组成部分。虚拟校园漫游系统可以方便浏览者直观的了解校园；方便师生尽快的熟悉校园生活；有利于树立学校形象、提高学校知名度，吸引更多生源；是校园文化，校容校貌的展示平台、是校园信息化建设的重要组成部分。1.2虚拟现实研究现状1.2.1国外虚拟现实技术的研究现状美国是虚拟现实技术研究的发源地，其研究水平基本就代表国际虚拟现实发展的水平。近年来，虚拟现实在美国航空航天和军事领域的若干成功应用获得了巨大经济效益和社会效益，促使美国进一步加大对虚拟现实技术研究的支持力度。在军事领域，虚拟现实在武器系统的性能评价和设计、操纵训练和大规模军事演习及战役指挥方面发挥了重要作用，并产生了巨大的经济效益。美国已初步建成了一些洲际范围的分布式虚拟环境，并将所有人操纵和半自主兵力引入虚拟的战役空间，在世界上处于领先地位。在航天领域，美国宇航局（NASA）已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学（UNC）是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真和建筑仿真等。在欧洲，英国在VR开发的某些方面，特别是分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的焦点应集中在整体综合基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现3技术上，在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题，其产品还包括建筑和科学可视化计算。日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面取得了很大的成就[3]。1.2.2国内虚拟现实技术的研究现状我国虚拟现实技术研究起步较晚，与发达国家还有一定的差距。但是近十年来，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，国家科委、国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目。国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用，并取得了一些不错的研究成果[3]。如：北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境；清华大学国家光盘工程研究中心所做的“布达拉宫”，实现了大全景虚拟现实；浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；另外，哈尔滨工业大学、西安交通大学、国防科技大学、中科院软件所、上海交通大学等单位也进行了交通领域的虚拟现实研究工作，并取得了一批研究成果[4]。1.2.3虚拟现实技术在虚拟校园方面的研究现状目前，虚拟校园的研究与实现方法主要分为两类：1.基于图形软件的开发基于图形软件的开发是指利用三维图形程序接口软件结合面向对象的可视化编程工具来开发[5]，三维图形程序接口软件主要有OpenGL,Direct3D和Java3D。可视化编程工具如VisualC++,VisualBasic,Dephi,Java等。这种方法的特点在于开发周期长、工作量大、投资大且数据兼容性差。2.基于VRML的方法数字化信息社会最具代表性的三种新技术是多媒体、Internet和虚拟现实，而这三种新技术的交叉点是虚拟现实建模语言[6]（virtualrealitymodelinglanguage）。它是一种可以发布到3D网页的跨平台、简单的文本语言；也是一种能提供更自然地体验方式，包括沉浸感、交互性、动态效果、延续性以及用户参与探索的语言。在原VRML组织基础上成立的Web3D联盟，在2006年6月制定了第三代VRML标准X3D，X3D结合了Java3D和XML技术，已经成为三维世界的主要标准[7]。基于X3D技术构建的方法与第一种方法比较，虽然在真实感、实时性、交互功能、渲染速度等方面有些欠缺，但是它具有以下几方面的突出优点[8]:（1）简单易学、开发周期短、投资少收获多。（2）X3D文件短小精悍，构造的是动态的虚拟场景，它尽可能的提供几何造型特征，却包含了大量不属于造型语言范围的特性。且具有良好的跨平台性，能够轻易地实现Internet上的远程访问。（3）通过与JavaScript等脚本语言和Java语言容易实现GIS查询分析功能。结合基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现4建立深圳大学虚拟校园的实际情况，考虑目前的技术条件、时间以及实验条件等综合因素，本系统使用了基于X3D的方法实现虚拟校园的构建。1.3本文研究内容本文主要研究建设虚拟校园的基本原理和关键技术，包括虚拟校园的设计、三维建模，场景构建等功能。最终实现一个基于X3D的虚拟校园漫游系统。本文的研究内容主要包括以下几个方面：1．X3D虚拟校园开发与设计X3D虚拟校园开发与设计，应遵循软件工程的思想进行开发与设计。从立项、可行性分析，到需求分析，到总体设计，详细设计，一直到编码测试以及运行维护等主要环节。2．X3D几何节点设计利用X3D几何节点设计虚拟校园，提高虚拟校园信息资源场景浏览速度，使浏览者在虚拟现实世界里体验虚拟校园所带来的乐趣以及身临其境的感觉。利用X3D虚拟增强现实技术开发的“基于X3D的虚拟校园漫游系统”，利用基本几何节点开发虚拟校园中的造型和场景，可以提高开发效率。3．X3D虚拟现实建筑设计X3D虚拟现实建筑规划设计是由土地规划、公路街道设计、各种建筑设计以及校园绿化设计组成。在总体框架设计思想的基础上，对各个部分进行详细设计，根据需求分析做进一步调整、改进和完善，最终达到要求，完成整个建筑规划设计要求。土地规划、公路街道设计、各种、建筑设计和绿化设计，根据用户需求画出草图，再根据草图绘制出计算机软件层次结构图，再根据软件结构图画出流程图。4.X3D虚拟校园整体设计X3D虚拟校园整体设计采用深圳大学的真实校园为背景，通过虚拟现实技术完整的体现真实校园的校容校貌。按照以下两点进行设计：⑴按照学校的实际情况进行虚拟建模，勾勒出学校的真实场景和自然风貌。建立起包括：学校大门、办公楼、教学楼、图书馆、体育馆、游泳馆、田径运动场、学生宿舍、花草树木等对象。⑵为了增强真实的校园气氛，可以加入汽车、行人、学生等人流。最后使用虚拟现实技术进行编码和调试，作出合格的项目产品。1.4本文章节安排本论文共分为五章，各章节的主要内容如下：第一章为绪论。简要的介绍了论文的的研究背景、研究目的和研究意义，简要的介绍了本文研究的内容，最后阐述了论文章节的安排。第二章为虚拟现实技术基础。介绍了虚拟现实的基本概念、发展和现状、虚拟现实的关基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现5键技术。对于完成本系统所需要的X3D和相关的知识做了详尽的介绍。第三章为总体设计。对虚拟校园漫游系统的开发和总体设计进行了描述。讨论了虚拟校园漫游系统的需求分析。对系统的总体设计目标，系统的总体设计流程等进行了阐述。第四章为虚拟校园场景设计与实现。这一部分是虚拟校园漫游系统的基础支撑部分，整章针对校园场景中不同类型的对象场景提出了多种建设思路，从效率和效果两方面考虑，为每个对象选择最优的构建方法。最终实现了可以为用户提供漫游平台的虚拟校园场景，对系统进行了测试与分析，并提出了优化方法。第五章为工作总结。对本文的研究工作进行了总结，并提出了进一步的研究和改进方案。基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现6第2章虚拟现实技术基础2.1虚拟现实的基本概念虚拟现实技术，又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，原来是美国军方开发研究出来的一种计算机技术，其主要目的是用于军事上的仿真，在美国军方内部使用。一直到20世纪80年代末期，虚拟现实技术才开始作为一个较完整的体系受到人们极大地关注。虚拟现实技术是20世纪以来科学技术进步的结晶，集中体现了计算机技术、计算机图形学、多媒体技术、传感技术、显示技术、人体工程学、人机交互理论、人工智能等多个领域的最新成果。它以计算机技术为主，利用计算机和一些特殊的输入/输出设备来营造出一个多感官的三维虚拟世界。在这个虚拟世界中，人与虚拟世界可以进行自然地交互，使人与虚拟世界融为一体[9]。2.1.1虚拟现实的定义关于虚拟现实技术的定义，目前尚无统一的标准，有多种不同的定义，主要分为狭义和广义两种。所谓狭义的定义，认为虚拟现实技术就是一种先进的人机交互方式。在这种情况下，虚拟现实技术被称为“基于自然的人机接口”，在虚拟现实环境中，用户看到的是彩色的、立体的、随视点不同而变化的景象，听到的是虚拟环境中的声响，身体部位可以感受到虚拟环境反馈回来的作用力，由此使用户产生一种身临其境的感觉。所谓广义的定义，认为虚拟现实技术是对虚拟想象（三维可视化）或真实的、多感官的三维虚拟世界的模拟。它不仅仅是一种人机交互的接口，更主要的是对虚拟世界内部的模拟。人机交互接口采用虚拟现实的方式，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和影响模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行交流，使用户产生身临其境的感觉[9]。2.1.2虚拟现实技术的基本特征从本质上来说，虚拟现实系统就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。美国科学家BurdeaG.，Coiffet曾在Electro93国际会议上发表的“VirtualRealitySystemandApplications”一文中，提出一个“虚拟现实技术三角形”，它简明地表示了虚拟现实技术具有的三个最突出特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和构想性（Imagination），也就是人们俗称的3个“I”特性，如图1所示[10]。基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现7交互性（Interactivity）沉浸感（Immersion）构想性（Imagination）图13个“I”特性图1