基于x3d的虛擬校園漫游系統設計與實現畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 更為逼真。（2）圖書館周邊環境圖書館周邊環境大體上有綠化帶、樹木以及道路所構成。建設方法如下：1）道路。利用Box節點，生成大小不同的立方體，利用Transform疊加起來，形成不同層次的路面，用TextureTransform節點進行紋理的映射。2）綠化。利用Box節點，生成立方體覆蓋于地面之上，利用TextureTransform節點映射綠地圖片。3）樹木。首先需要一張png格式的樹木圖片，圖片只保留樹木的形象，此操作可通過photshop摳圖實現。利用IndexedFaceSet節點，將圖片豎直于世界坐標系中。利用Billboard節點節點將該造型包含進去。這樣生成的樹木就會始終正面面向觀眾。此方法避免了構造復雜的樹木造型，且真實感較強。將上述構建的對象有機地結合起來，就構建出圖書館了，如圖14所示。圖14 圖書北館運行效果圖其他建筑物的構建方法與圖書北館的構建方法大致相同，此處不再一一累述?，F在展示其余幾個標志性建筑物的運行效果圖。 運行效果圖如圖15所示。圖15 圖書館南館運行效果圖 運行效果如圖16所示。圖16 科技樓運行效果圖 運行效果如圖17所示。圖17 原平體育館運行效果圖 樹木的設計在虛擬場景中，樹木的添加極大地改善了場景的逼真程度和真實感，場景中的綠色樹木越多，視覺感觀效果越好。虛擬校園系統中一些景觀植物的設計，制作樹木場景最為復雜。主要是因為樹木本身結構復雜、制作時間長、系統開銷增大。所以，樹木作為自然場景的重要構成因素，一直是虛擬環境中非常重要的研究對象。如果將樹分解成大量的小段，每一段用基本幾何體來近似，這樣得到的樹木場景模型的多邊形數將達到一個極高的數量級，這顯然是不可取的，而且對于實時響應要求也是不合理的。所以，想通過詳細建模的方法來表示大量的樹木是很難的。利用紋理映射來實現樹木的簡單表示是可取的捷徑。有幾種表示方法：粒子分形法和利用紋理來表示的方法、十字交叉法和公告牌(Billboard)法等。下面主要介紹本系統用到的公告牌(Billboard)法。公告牌技術（Billboard）是采用多邊形面模擬，當視點改變時，此多邊形會繞指定的軸旋轉從而保證始終面向著視點。只要時刻保持二維紋理樹林圖像的法線矢量指向觀察者，就可以形成非常真實的三維景觀，從不同的角度觀察均可獲得樹木的較為完整的圖像。在X3D中，Billboard節點提供了這一功能。通過設定Billboard中axisOfRotation域，可以規定樹木的旋轉軸。以下是利用Billboard技術構建的樹木，不論如何改變視角，樹木始終正面朝向瀏覽者。如圖119所示。圖18 樹木效果圖圖19 樹木效果圖 虛擬校園的整體拼合要把不同的模型整合在一起，必須首先深刻了解坐標系。在X3D中，能創建任意數目的坐標系。每個新坐標系都是相對于另一個坐標系的原點而定位的，稱為坐標平移。當一個新的坐標系相對于另一個時，我們說新坐標系是嵌入到父坐標系中的子坐標系。同樣地，父坐標系也能嵌入到另一個坐標系中等等。坐標系的這種父子關系產生一個坐標系的家族樹。坐標系樹中最上面的父坐標系是X3D文件中的根坐標系。每個X3D文件都有一個根坐標系。所有其他坐標系，根據它們在坐標系家族樹中的位置，直接或間接地是根坐標系地后代。所以根坐標系常常被稱為世界坐標系(World Coordinate System)。造型總是創建于一個坐標系中。如果使用Transform節點創建另一個坐標系，在該坐標系中創建的任何造型都是被放置在新坐標系的原點上。如果Transform節點的坐標原點是由父坐標系的原點平移而得，在Transform節點的坐標系中的任何造型將坐標系一起平移，相對于父坐標系來說是平移過的。由于整個校園場景中的各個物體是通過相對位置關系組織起來的，因此需要確定某一個物體作為基準和參照來確定其它物體的位置。本系統以學校正門作為參考標準。拼合方法如下：，利用一個 Box 節點來作為學院的整體地表，更改其參數，使得它的大小和學校的總面積相同。，通過電子地圖（如百度地圖）測量其他建筑距參照點的距離，根據比例，用Transform節點改變實體位置。，將創建好的各實體整合到校園中確定的位置上，最終完成虛擬校園的整體建設。拼合時，單獨建立一個X3D文件，用于拼合各實體。在本系統中。，系統的運行界面如圖20所示。圖20 系統運行截圖 系統的測試與優化軟件測試的目標，就是為了更快、更早地將軟件產品或軟件系統中所存在的各種問題找出來，并促進開發各類人員盡快地解決問題，最終及時地向客戶提供一個高質量的軟件產品，使軟件系統更好地滿足用戶的需求，同時滿足軟件組織自身的要求。 系統測試環境為了讓本系統能夠在較普通的機器上順利的運行，系統測試所選用的計算機為中等配置，具體的配置如下：處理器：Intel(R) Core(TM) i5 M430 @ 雙核內存：4GB硬盤空間：500GB顯卡：512MB獨立顯存網卡：集成10/100/1000以太網卡操作系統：Windows 7 SP1網絡協議：TCP/IP瀏覽器：Internet Explorer 以上插件：BS 測試結果與優化測試的主要內容為本系統的瀏覽效果。本系統運行的結果表明本系統基本能正常且良好的運行，用戶能以不同的視點從不同的角度進行瀏覽。但是測試過程中主要出現了以下兩個方面的問題：一是機器配置不高，造成了部分場景加載顯示時有點延遲；二是當攝像機出現在場景對象較多的地方時，運行不夠流暢。針對測試過程中出現的問題，可對系統進行優化。優化的時候遵循了“速度優先，兼顧細節”的原則，在保證速度的前提下，再盡可能地滿足細節需要。優化的方法和步驟如下：1．在不影響模型外觀的情況下，盡量減少模型的面數。對于建筑物，由于其外觀多為方形，因此，盡量采用簡單的立方體模型，在一些細節的地方則可以利用新的立方體重疊在上面，這樣就不需要對原有的立方體進行分割，從而減少面數[22]。對于建筑物的門和窗戶等細節，都不在模型中刻畫，直接用一個面，而是通過貼圖的方法來實現門窗的效果顯示。紋理圖片大小的合理確定，盡量避免使用高像素的圖片。虛擬校園中有些表面的紋理細節差別較小，如不同路段的路面紋理，柵欄紋理等，采用子紋理進行處理，既避免了明顯的雷同，又可以節省內存[23]。3．盡量使用 DEF 和 USE。對于相同造型的節點，第一次使用時用 DEF 屬性命名，以后就可以使用 USE 屬性引用這個命名的節點。USE 語句不會建立這個節點的副本，而是把同一個節點再次插入場景圖，這樣既可以簡化代碼，又可以使得相同的模型只需要在內存中保留一份占用空間，有效的減小系統的開銷。4．攝像機的合理設置。因為虛擬化身在虛擬場景中觀察到的物體實際上是由攝像機對象來確定其所見范圍的，所以合理的設置攝像機的可視距離，減少一次進入觀察范圍的模型數目，使得每一幀顯示處理的模型在合理的范圍內，這樣可以有效的減小系統的開銷。在X3D中，可通過NavigationInfo（視點導航）節點中的visibilityLimit閾值實現。（細節層次）技術。空間的細節層次原理是通過空間距離的遠近來展現空間造型的各個細節。X3D中的LOD節點實現了這一功能，它可以對不同景物做出不同細致程度的刻畫，近景精細刻畫，遠景初略刻畫。以下是使用后三種方法優化前后系統的加載速度及流暢程度的結果對比，如表1所示。所用到的方法測試結果DEF、USE設置visibilityLimit使用LOD初次加載速度（秒）流暢程度否否否不流暢是否 否較不流暢否是否一般否否是一般是是是較為流暢表1 優化前后結果對比VisibilityLimit閾值對模型表達效果有較為重大的影響，值太小，稍微遠一點的景物顯示不出來，會有景物丟失的感覺；值太大，又達不到優化的效果。因此應該在效果和速度間取得平衡。當VisibilityLimit設定成40時，較遠的景物科技樓（圖片左上角）無法顯示，如圖21所示。圖21 當VisibilityLimit設定成40時效果圖當VisibilityLimit設定成45時，較遠的景物科技樓（圖片左上角）無法全部顯示，如圖22所示。圖22 當VisibilityLimit設定成45時效果圖當VisibilityLimit設定成50時，較遠的景物科技樓（圖片左上角）可以全部顯示，經試驗，此值為本系統最佳距離，如圖23所示。圖23 當VisibilityLimit設定成50時效果圖經過優化以后，再次測試時，畫面顯示的效果有了明顯的提高，雖然加載仍有延遲，但是相對未優化時有很大的改觀。第五章 工作總結虛擬校園漫游系統是計算機技術、虛擬現實技術、圖形圖像顯示技術等諸多高新技術的綜合運用，在高校的虛擬校園建設中發揮著重要作用。本文在虛擬現實技術的基礎上討論了虛擬校園的設計與實現。以下是對本人所做工作的總結和展望。 總結通過不斷研究摸索，充分發揮多種創作工具的優點，以深圳大學為對象的虛擬校園漫游系統基本完成。本課題基于X3D標準，結合實例給出了校園場景的建設與優化方法，實現了用戶在虛擬場景中的漫游。本系統經過運行測試，運行結果基本達到了設計目標。在對本課題的研究和開發過程中，完成了以下幾個方面的工作：1. 研究了虛擬現實的相關知識與技術。2. 基于X3D技術，綜合運用多種方法，完成了虛擬校園場景的設計與建設。3. 實現了虛擬校園的漫游功能，用戶可以通過鼠標和鍵盤在虛擬校園場景中漫游。 進一步的工作雖然本系統實現了虛擬校園的漫游功能，但由于水平與時間上的限制，離完善仍有不少差距。需要改進與完善的地方如下：，比如添加遠程教學，虛擬實驗室等項目，使得系統除了瀏覽功能外還兼具教學功能。2. 需要開發更多特殊效果，如動態水流、雨/霧天氣效果等。3. 進一步完善模型模型的建立，美化模型的表現效果，使之更為逼真。4. 優化代碼及模型的構建，降低系統對計算機資源的占用，提高系統的渲染速度?！緟⒖嘉墨I】[1]張金鏑. X3D虛擬校園系統開發與設計：[碩士學位論文]. 吉林大學, [2]周希望. 基于X3D的虛擬校園交互式漫游系統：[碩士學位論文].北京服裝學院，[3]劉光然. 虛擬現實技術. 清華大學出版社, [4]黨保生. 虛擬現實及其發展趨勢. 中國現代教育裝備, 2007[5] 陳丁山, 喬波. 三維全景虛擬校園的研究與應用. 福建電腦，:9697[6] 施貴剛, 程效軍. 網絡虛擬校模園三維建方法研究與實現. 工程圖學學報, [7]張金釗, 張金銳等. X3D立體動畫與游戲設計. 電子工出版社, [8] . Schafer. Advances in X3D multiuser virtual environments, Proceedings of the Seventh IEEE International Symposium on Multimedia (ISM’05), [9]胡小強. 虛擬現實技術基礎與應用. 北京郵電大學出版社，[10]秦文虎, 狄嵐等. 虛擬現實基礎及可視化設計. 化學工業出版社, [11]萬劍華, 鄭紅霞等. 基于 VRML的虛擬校園中的三維景觀建模. 計算機應用與軟件, : 8284[12]樊文平, 祝啟剛, 盧艷. 利用 VRML 技術解決3D GIS中的三維可視化問題. 水利科技與經濟, (4):263265[13]劉尚勤. 基于X3D的虛擬環境可視化建模技術應用的研究：[碩士學位論文]. 江南大學，[14]況揚, 胡小強. 虛擬校園的建造. 科技廣場, :3940[15]王衛辰, 江曉紅. 徐州師范大學學報(自然科學版). 虛擬校園三維仿真系統的開發與優化. 2004,9(3):2931[16]趙慶展, 趙欣, 常靜. 虛擬校園全景漫游系統的實現. 石河子大學學報（自然科學版）, (1):124125[17]付佳. 基于 X3D 的模型簡化算法研究:[碩士學位論文]. 華中師范大學. [18]張金釗, 張金銳等. X3D三維立體網頁設計. 中國水利水電出版社, [19] Multiuser Virtual Environment Platform for Collaborative Spatial Design,27th International Conference on Distributed Computing Systems Workshops(ICDCSW39。07),2007[20]靳敏, 郁宇. 虛擬現實在學校建設中的應用. 黑龍江工程學院學報(自然科學版), : 2527.[21]李敏. 基于OpenGL的虛擬校園漫游系統的設計與實現：[碩士論文].山東大學, [22] 李建偉, 吳學偉, 苗前軍, 王金良. 虛擬現實演示系統的開發. 東北林業大學學報. 2006, 34(3):9394.36 / 36