虚拟现实课程设计报告

虚拟现实三维建模课程设计数字校园小组班级：2011010班小组成员姓名（按学号）：岳湑爽201101021罗鹏201101022贾士琛201101024高克阳201101025高骞201101026蒲军政201101029所在院系：资源与环境学院专业：地理信息系统任课教师：杨成杰老师摘要：为了在计算机中更好的表现现实的世界，让我们能够更加真实地在计算机世界中展现出现实世界的魅力，也为了让更多的人们看到我们在现实世界中不可能见到的场景，我们利用虚拟现实技术和可视化技术更好的实现了这一点。与此同时高校的数字化校园建设是一个涵盖范围很广的领域，其建设过程所需要解决的问题也相当复杂。本文针对华北水利水电大学的校园的具体情况，分析建设数字校园的目的，选择建设数字校园的关键技术及方法，提出数字校园应该具备那些基本功能，并详细讨论实现相关功能的过程和手段。关键字：数字校园，华北水利水电大学，虚拟现实第一章课程设计开发目的我国高校信息系统建设始于20世纪80年代，当时主要是单机版应用，解决重点业务环节的电算化，替代高强度的手工劳动，如排课系统、账务管理系统、人员管理系统等。当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势。教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。1994年CERNET建立后，推动了我国高校网络的大发展，其后几年，网络版的信息系统如雨后春笋蓬勃发展，促进了各项管理工作的信息化，初步实现了网上教学、网上办公、网上管理和网上服务。进入新世纪后，在高等教育竞争日趋激烈的大环境下，建设数字化校园，实现虚拟校园的可视化以及人机交互的功能，强化各项管理，提升综合实力，是各高校的一项紧迫任务，这一时期我国高校虚拟化得到进一步的发展，实际上开始跨入统一建设全局性信息系统阶段。为了在这样一个信息浪潮中能够紧跟时代，引领潮流，作为现代化的有理想有抱负的知识青年，每一个人都有责任让自己不落后与潮流。而作为秀妮显示技术在信息化技术中尤为重要，而且其应用的范围和领域更加广泛，应用的高度更加强大，而作为我们要实现的一个数字校园仅仅是其中最为简单，最为基本的应用之一，关键在与两点，其一是如何将三维的现实世界能够以最优的形式放入到计算机里面去，现实中的许多事物都是无规则的组织在一起，而我们只有在把它们参数化以后才可以完整的、无缝的放入到计算机里面，因此自实际的虚拟现实项目开发过程中，我们的模型建立是最基本的一项工作。为了让我们的虚拟现实系统能够更加真实，更加完美，我们首先实现的就是我们可爱的校园——华北水利水电大学，真正的目的在于此，让我们能够为虚拟三维显示技术的发展奠定良好的基础。第二章数字化校园的概念、建设目标2.1数字化校园的概念传统上说，数字化校园是在传统校园的基础上，利用先进的信息化手段和工具，以统一的管理和安全策略，将校园各项资源数字化，形成的一个数字空间，使得现实校园在空间和时间上延伸开来。包括网络基础设施、数据中心、网络基本服务系统、一卡通系统、电话系统、有线电视系统、广播系统、会议系统、计算中心、数字图书馆、数字多媒体教室、数字语音室、电子公告屏、安防系统、楼宇控制（门禁）系统、应用软件系统等方面。当然这只是传统意义上的概念，当我们结合虚拟现实时又会产生出另外一种意义的数字校园，也就是我们在课程设计中需要完成的三维数字化校园。2.2数字化校园的建设目标实施数字化校园的核心目标就是充分运用现代信息技术、教育技术，建立多层次、创新型、开放型式的高等学校，提高办学的质量和效益。数字化校园的建设既是社会发展对学校教育的要求，也是学校教育自身发展的需求。通常数字化校园建设的目标可以分为如下几个方面：2.2.1在教学方面充分利用网络技术、多媒体技术等实现高质量教学资源、信息资源和智力资源的共享与传播，促进高水平的师生互动，促进主动式、协作式、研究型的学习，从而形成开放的、高效的、个性化的教学模式，更好地培养学生的分析问题能力、解决问题能力和创新能力；2.2.2在科研方面充分利用校园网、互联网，促进科研资源和设备的共享，加快科研信息传播，促进国际性学术交流，开展网上合作研究，并且利用网络促进最新科研成果向教学领域的转化，以及科研成果的产业化和市场化，从而大大提高科研的创新水平和辐射力；2.2.3在管理方面充分利用现代信息技术实现职能管理的自动化、信息化，实现各部门之间的数据共享与协调，提高决策的科学性和民主性，提高管理的质量和效率，形成充满活力的现代新型管理体制；2.2.4在公共服务体系方面建立覆盖全校的、主干千兆的高速网络，提高面向全校师生的基本网络服务、正版软件服务、技术支持服务等等；建立高质量的数字化的图书馆、多媒体教室、语音室、会议室等；在校园内建立统一的电子身份认证系统，从而为学校高水平的教学、科研和管理等提供强有力的支撑；2.2.5在学校社区服务方面结合后勤社会化改革的需要，建立电子化的社区服务环境，网络、电话、有线电视进入社区，并开展各种网络化、电子化的服务项目，如一卡通电子商务、电子医疗、电子监控等，为师生员工提供便捷、高效、集成、健康的生活和休闲娱乐服务，形成智能型的社区服务系统。其实，数字化校园是一个过程、一种境界。它随着技术的发展而发展，随着人们办公方式和习惯以及管理思想变化而变化。第三章功能展示在此次课程设计中我们从一开始就朝着更真实的展现我们的三维世界、更专业的展现我们的所学知识、更明显的表现我们所付出的的时间和精力，我们实现了一下功能：3.1模型的建立3.1.1树模型的建立3.1.2湖面模型3.1.3路灯模型3.1.4光线设置3.2算法功能展示3.2.1三维模型的导入3.2.2音效的添加3.2.3雾效果3.2.4漫游系统设计架构：第四章数据来源空间数据获取技术主要有遥感、遥测、GPS等技术，属性数据的获取技术主要有传统测量、统计资料等。在数字校园系统中，数据的存储管理方式尤为重要，它决定了数据处理及空间查询等诸多功能的运行效率。通过数字地球技术获取华北水利水电大学的空间信息，比如地理位置，建筑物情况，学校道路等，加以储存和组织，以此建设虚拟校园，更为建设“数字校园”作铺垫。通过将实际测量的数据导入到计算机，然后基于AutoCAD利用南方CASE进行绘图，绘制出校园的基本地形图平面模型，为后期的基础建模准备数据。第五章数字校园的关键技术及方法虚拟现实技术虚拟现实（VirtualReality）是指运用计算机技术生成一个逼真的、并具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互、动态世界，人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察。它的基础是高级的三维图形技术、问题求解工具、多媒体技术、网络通信技术、数据库、信息系统、专家系统、面向对象技术和智能决策支持系统等技术的集成。通过这项技术，我们就可以建设华北水利水电大学的三维立体图——虚拟校园。虚拟现实技术具有以下五个主要特征：（1）沉浸性使之所创造的虚拟环境能使学生产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中它可以自始至终的发挥作用，就像真正的客观世界一样。（2）交互性是在虚拟环境中，学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的任务、事物发生交互关系，其中学生是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。（3）构想性是虚拟现实是要能启发人的创造性的活动，不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的指示，提高感性和理性认识，而且要能使学生产生新的构思。（4）动作性是指学生能以客观世界的实际动作或以人类实际的方式来操作虚拟系统，让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。（5）自主性是虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。数据库技术数据库技术产生于20世纪60年代末70年代初,其主要目的是有效地管理和存取大量的数据资源，数据库技术主要研究如何存储,使用和管理数据。近年来,数据库技术和计算机网络技术的发展相互渗透,相互促进,已成为当今计算机领域发展迅速,应用广泛的两大领域。数据库技术不仅应用于事务处理,并且进一步应用到情报检索,人工智能,专家系统,计算机辅助设计等领域。通过数据库技术建设华北水利水电大学数据库系统，包括信息查询、资源下载、等，同学们可以更加方便地获取数据库里自己所需要的的信息，能够更好更快地学习。网络信息技术该技术主要是建设新一代高速通信网络，实现电话网、有线电视网和互联网的互联，建成综合业务数字网（ISDN）。由于数字校园覆盖的面积相对不大，可采用蓝牙技术实现短程无线上网，近几年来，华北水利水电大学大学对校园网络进行了全面改造，取得了可喜的成绩，实现了办公楼、学生宿舍宽带上网，尽管有时网速比较差，但总体来说还是相当不错的。特别是最近，在校园内也实现了短程无线网络覆盖，这是很令人兴奋的，同学们可在校园内随时随地上网。建模技术该技术是利用当前比较流行的建模软件，比如说大家经常用的CAD、3dmax，还有就是Maya来建立出真实世界的简化模型，然后根据现实的色彩、光线、视觉效果来进行真实模型的后期渲染，这是虚拟现实技术的可视化表达的第一步，也是最基本的一步。在基本模型建立过程中，需要处理好各个模型的比例问题，以及拓扑关系，以便于是整个场景看起来更加协调，真实，美观。算法设计首先是对现实世界的TIN约束，还有对模型的简化剖分，这些都是需要在算法中实现的功能。在碰撞检测算法中需要建立模型的格网索引，但是比较优的应该是四叉树、八叉树、哈希索引等方法。漫游中需要设计矩阵的变换，向量的乘法，优化的算法会带来更高的运行效率和内存的节省。然后是实现三维模型在窗体中的导入，在导入的时候综合考虑到我们的模型以及所加材质的协调性，最关键的是如何将模型中已经建立好的有一定坐标值得模型导入到我们的程序去，这里涉及到坐标转换和相关的矩阵的运算，向量的积。在模型导入以后是最终的也是最重要的就是碰撞检测以及漫游算法的实现，在碰撞检测中主要就是实现观察者位置坐标与物体坐标的求交运算，判断观察者的位置是在物体的里面还是外边（当然如果实现了碰撞检测的话，不可能出现在物体的内部），如果观察者与物体接近时只需要将观察者的位置沿着边面进行向左右或者向后面做平移，最简单的就是不做任何处理，也不让观察者的位置继续前移。漫游就是在场景中实现前后左右的移动，通过键盘来控制漫游。后期的算法是对整个系统的一个装饰，比如说音效的调用，还有雾效果的添加，天空包围盒是为