虚拟校园漫游系统的设计与开发毕业论文

虚拟校园漫游系统的设计与开发

毕业论文

目录

摘要.............................................................. I ABSTRACT........................................................... I I 第一章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2虚拟现实技术概述 (1)

1.3虚拟现实技术的定义和特征 (4)

1.4本文的主要工作 (5)

1.5论文的主要结构 (6)

第二章系统总体设计 (7)

2.1系统的总体结构 (7)

2.2开发工具 (8)

2.3系统开发流程 (11)

第三章虚拟校园场景建模 (13)

3.1场景建模 (13)

3.2场景对象优化 (19)

3.3场景外观 (21)

3.4本章小结 (24)

第四章虚拟校园漫游系统的交互 (25)

4.1VRML传感器节点简介 (25)

4.2虚拟校园漫游系统的交互 (26)

4.3虚拟校园漫游系统的视点控制 (28)

4.4本章小结 (29)

第五章虚拟校园漫游系统的优化 (30)

5．1 碰撞检测技术 (30)

5．2层次细节技术 (30)

5．3 纹理映射技术 (31)

5．4 场景消隐技术 (31)

5．5文件编辑环节的优化 (32)

5.4本章小结 (33)

第六章总结与展望 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

附录1虚拟校园漫游系统的部分场景图 (37)

第一章绪论

1.1 引言

虚拟现实技术（Virtual Reality,简称VR）是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图象处理，多媒体技术，传感器等一系列新兴技术，利用计算机生成虚拟的环境，并可以进行交互和仿真。人们将虚拟现实技术看做是仅次于互联网的改变世界的未来的重要技术。当代科学技术的发展以及人们为了适应未来信息社会的需要,必须提高人与信息社会的接口能力，提高人对信息的理解能力。人们不仅要求通过打印输出在外部去观察信息处理的结果，还要求能通过人的视觉、听觉、触觉以及形体、手势或者口令等参与到信息处理的环境中去，从而获得身临其境的体验[1]。

虚拟现实技术是一种计算机界面技术。是一种先进的计算机用户接口。它通过给用户提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观和自然的实时交互手段，最大限度的方便用户的操作，提供用户对一些事物真实的感受。虚拟现实实时的三维空间表现能力，人机交互的工作环境，以及给人带来的身临其境的感受，改变了人与计算机的枯燥、生硬的现状。人们过去只能从计算机系统外部去观察处理的结果，现在已能够沉浸到计算机系统所创造的环境中；过去只能通过键盘、鼠标、麦克风与计算机环境中的单维数字信息交互，现在已能够利用多种传感器与多维化的信息空间发生交互。

目前，虚拟现实技术在应用方面的研究非常的活跃，涉及的领域非常的广泛，也充分显示出其良好的发展前景。如在军事、机械设计方面、医疗、教育、娱乐等方面，虚拟现实都起到了增强现实的作用，在一定程度上的人机交互中，用户把计算机作为完成工作的工具，增强用户对现实世界的感知和交互。

虚拟现实技术与多媒体技术、网络技术是21世纪三大最具发展潜力的计算机应用技术。虽然虚拟现实目前还存在着许多尚待解决的理论问题和尚未克服的技术困难，对人类的生活工作所产生的影响也不过微乎其微。但是，可以预见的是，在不久的将来，虚拟现实技术必将对人类的生产和生活产生重大的影响。

1.2虚拟现实技术概述

1．2．1虚拟现实的演进

虚拟现实技术经历了探索、集成、全面发展三个阶段。

1962年Morton Heilig研制成功首台全传感仿真系统Sensorma。

1965年Sutherland博士提出Ultimate Display(终极显示)概念。1968年Sutherland首次研制成功头盔式显示器（Head Mountes Display，HMD）。

20世纪70年代中期美国战斗机飞行模拟器研制成功，仅头盔显示器就价值数百万美元，其屏幕显示容主要包括：窗外场景、敌友识别符、攻击目标信息、威胁信息以及优化的飞行路线。

1984年，William Gibson的小说《Neuromnance》（神经漫游者），使赛博空间这个词得到了广泛的推广。

20世纪80年代中期，美国NASA研制成功应用于载人航天使用的VIEW系统，VIEW系统具有以下特征：头部安装有跟踪器、单色宽视场立体头盔显示器、语音识别器、三维声音输出装置以及带有跟踪器的数据手套等。VIEW系统配置已经成为当今虚拟现实系统的典型配置。

20世纪90年代，VR的研究热潮开始向民用高科技企业转移。

20世纪90年代中期，标准化的虚拟现实建模语言VRML为在INTERNET上构建可共享、可交换的WWW（WORD WIDE WEB）虚拟环境奠定了良好的基础。随着技术的进步，VRML本身也从早期的VRML1.0发展到了VRML2.0，再发展为VRML97标准，直到目前的X3D规[2]。

1．2．2虚拟现实技术的发展现状

（1）国外虚拟现实技术的研究现状

美国作为VR 技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR 发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面[4]。

美国宇航局(NASA) 的Ames 实验室研究主要集中在以下方面:将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE) 的试验计划。现在NASA 己经建立了航空、卫星维护VR 训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR 教育系统。麻省理工学院(MIT) 是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR 技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)，将VR 研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。

从90 年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：虚拟战场环境；进行单兵模拟训练;实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练[5]。

（2）我国虚拟现实技术的研究现状

我国VR 技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情,制定了开展VR 技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR 列入了研究项目。国一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国最早进行VR 研究、最有权威的单位之一，并在以下方面取得进展:着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。

大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度；北方工业大学CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。

1．2．3虚拟现实的发展趋势

虚拟现实技术是20 世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处于初创时期,远未达到成熟阶段。在虚拟现实的理论、算法和技术实现等各方面都有很多待解决的课题和待发展的领域，它的发展创新的余地很大。虽然目前世界各国都已成功地开发出一些虚拟现实的典型应用项目，但与其它高新技术的应用相比，尚处于应用开发的初始阶段。虽然人们也许不能清楚地设想出，新世纪里虚拟现实出现并普及的新形式，但人们能通过应用媒介形态变化原则和延伸媒介领域的主要传播特性，构想出合理的未来情境。总体上看，纵观多年来的发展历程，VR 技术的未来研究仍将遵循“低成本、高性能”这一原则，从软件、硬件上展开,并将在以下主要方向发展：

（1）动态环境建模技术

虚拟环境的建立是VR 技术的核心容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

（2）实时三维图形生成和显示技术

三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究容。此外，VR 还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

（3）新型交互设备的研制

虚拟现实实现人能够自由地与虚拟世界中的对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

（4）智能化语音虚拟现实建模

虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR 技术与智能技术、语音识别技术结合起来，可以很好地解决这个问题。笔者对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价，将基本模型用对象表示出来，并逻辑地将各种基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型。在各种模型形成后进行评价并给出结果，并由人直接通过语言来进行编辑和确认[5]。

1.3虚拟现实技术的定义和特征

1．3．1虚拟现实的概念

虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）是由美国公司的JARON LANIER在1989年创造的一个新词。他通常是指采用头盔显示器、数据手套等一系列新型交互设备构造出的用以体验或感知虚拟境界的一种计算机软、硬件环境，拥护使用这些高级设备以自然的技能（如头的转动、身体的运动以及人类自然语言等）向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。

虚拟现实不是一种真实的世界，而是一种虚假的，可交互的环境，人们可使用计算机等高级设备融入到虚拟的情境中去，行动自如地观察环境的全部或者局部乃至细节。透过外在的现象来总结，虚拟现实就是抽象的、复杂的计算机数据在空间上表示直观的用户熟悉的事物的一种技术。是一种高级的人机交互活动。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的 [7] 。

虚拟现实在很大程度上基于计算机图形学技术发展而来。计算机图形学的任务是在计算机上生成看起来像真的的，动起来像真的图象，而用户通过显示器观看计算机生成的图象所构造出来的世界景象。

1．3．2虚拟现实的特征

VR 技术的发展始终围绕它的三个特征而前进，即沉浸感、多感知性、交互性。这三个重要特征与其相邻近的技术(如多媒体技术、计算机可视化技术等) 相区别。

（1）沉浸感

指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界；用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。

（2）多感知性

指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。

（3）交互性

指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流；用户对模拟环境物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度 [8] 。

因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。

虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。

1.4本文的主要工作

在对本选题的研究过程中，我深入地研究了虚拟现实技术，对各种三维建模技术、虚拟现实交互技术进行了比较分析，并以科技学院为例，实现了校园环境的虚拟漫游。具体地说，本文的工作主要有以下几方面：

（1）研究了现有的构建虚拟现实的语言，确定了以VRML语言为基础技术构造虚拟系统的解决方案。

（2）虚拟校园场景建模；选择了用3DSMAX来进行模型的创建与修改活动。

（3）研究了VRML造型节点和编组节点技术，实现了对复杂场景数据的有序组织。采用3D MAX和VRML Pad实现虚拟场景对象的建模、添加节点、校验和测试。

（4）虚拟校园漫游交互设计，探讨了基于VRML建感知器的交互，实现了视点的控制和部分的动画交互。