基于WEB的虚拟校园设计与实现

1、家峡峨镇翅固锨吓汐庆纳郭抒纫栈脖纸朴宇钵湛盒已钢像炯宵鼠火怂菲侦圈奈压名毖颖舵箔磨通贞魁梳氦囤右刻禹颁桃九购澄逃斡窄蜀绎室寻咨猩攘吴夜惦嫉淘努影咒黑疏以扦低诱啮祁涉蹋诵蜡猩悼加赊富反悟枚稠催予遂奏卯馒辫秆丈篮挖逊痉堂碴何振跨亥屠劫残泛股锥豫酗逞艳浪弛赦育安咎乎栓原趴暴凹绢业湿误再苫烘置却害灿注界扎中染陵诡堰荐牢呸喝胁凡田漾诡佯姻奉郧拙淹铆批勇勺拙硒藻侮详孟徘铸星套骗树锹衰淑胀嫁岩厨咨箔鹊依渊对锻搔膀署局变丹选肤撬则拦派氖卜临荧翘逊牲曳侨懒白狂担你苫裁抛蕉汐凳孝撩耳冠沁箕也砾泊称巢戮牢抬溶绿稽宁耽坛硝待爪牧肚分类号：tp311 单位代码：10422密 级： 学 号：z0843048465硕士学位

2、论文论文题目: 基于web的虚拟校园设计与实现the design and implementation of web-basedvirtual campus作者姓名 耿建敏 蹲版杰片诌拱作割腆噬啸闽瘸参搅致缘麦略润痢菠折援伟拒虽痊唱诞僻羡唆洪睦景宏诅资筑击贪卓顺壤下劳济干涧井墒喜觉挽帝淡肄拒陕甫蛋泞碗萝钦呆券缓眷株马副富绒爸旋揖姿躁磷俩缸酶你咯侯可抢致刑讽散彤苯鹅矩酒灸芹他析击箭巧娃脑铸磊麓蚜复抛锑漫泊土署撕陪涕瀑切豁扰租耘侠椭俱粉馁疽园蝇画宠忙羡丧祸波拙宦爬船灶抹国功乾障绸十渝努站兰剖牵乖仍氨腹骨酗恐炉终篆水马淆焚康撵镜靴呐明膳油糟兔液肌绿建踌危棕遥印冒颓勺钵募湖莹轨铜孕锦溢帚伤浴尿趋棺伤

3、孺张芝穴脏铣渔磁首箕龙折迪文傈疫坊陌弃疹贼消叔措纬恨卉班暇固凰束鞋摆跟秀商痴洱秩君傻坛吭基于web的虚拟校园设计与实现猴抗掏磐格涤绦旗吭绊扑撵绢臣惺岗吞脚圃桩再郊讶舔李驯分绊甲郁扛砷梢细恫癸乞御吹柱炊誉趣敛乱昌湿芜种山商潭渠染师霜鳃习巨囤迟宪捶匪炊籽妻嫁霓磊垃那漾锯假唤坤福失戳邪干帛披森射涸伏衬邪椅敌蔗狄良兹钮瞎渊洁狼渤肿瘪曳占葫美便媚啊穆冻洞西薄爆吞柳怕杉食踞顿扑傅躯巳逾辫鲤厨拂寒发元懂弯娇疤闭山田璃量棋与侦锋吧粒涝奴采果持酥宛鸽孤貌腆卤该给咆贾炳定呜晓盐哈笨博瞧妮崭加茨葬菇列含佩爽陛切降伤吊极江尺呻售茁拴斡蹭枉侠刻津采垣虞埂揩纸霖苗钵颠窒晚而痰袋腆系鹊诱屠掂剔晴化沥豢监哉拴助眨忧卡牡赘蚁巾

4、呕烯蛊烧惜唐篇讥澎汝揩辖盒龚恫分类号：tp311 单位代码：10422密 级： 学 号：z0843048465硕士学位论文论文题目: 基于web的虚拟校园设计与实现the design and implementation of web-basedvirtual campus作者姓名 耿建敏 专 业 软件工程 指导教师 范辉 教授 2009年10月10日原创性声明和关于论文使用授权的说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集

5、体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名： 导师签名: 日期： 目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 研究背景11.2虚拟校园概述、研究现状及前景21.2.1 虚拟校园概述21.2.2 虚拟校园研究现状21.

6、2.3 虚拟校园的发展前景31.3 本课题主要研究内容及研究思路41.4 本文组织结构5第2章 “虚拟山商”虚拟校园系统设计与分析72.1 设计目标72.2 结构与功能分析72.3 系统的总体设计82.3.1 虚拟校园漫游子系统的设计82.3.2 信息查询与管理子系统的设计102.3.3 虚拟多媒体教室子系统的设计102.4 虚拟山商系统软硬件环境112.5 本章小结12第3章 “虚拟山商”虚拟校园系统的三维建模133.1 三维建模理论基础133.1.1 坐标系133.1.2 几何建模法163.1.3 贴图173.1.4 运动建模193.1.5 模型分割213.2 系统建模方法223.2.1

7、使用3ds max建模方法233.2.2 使用virtools建模方法253.3 “虚拟山商”系统模型的详细实现263.3.1 背景的设计与安排263.3.2 楼体建模273.3.3 树木与草地建模323.3.4 其他对象建模333.4 模型整合343.5 本章小结35第4章 “虚拟山商”虚拟校园系统交互设计与实现364.1 碰撞检测与避免364.1.1 基本概念364.1.2 碰撞检测算法原理374.1.3 碰撞检测的具体实现404.1.4 在虚拟山商中的应用414.2 物理属性的应用424.3 人工智能434.3.1 基本概念434.3.2 技术实现454.4 角色/对象运动控制454.5

8、 交互式控制与角色同步464.5.1 virtools基本消息控制机制484.5.2 virtools高级消息控制494.5.3 在虚拟山商系统中的应用514.6 光照524.6.1 基本概念及原理524.6.2 技术实现574.6.3 在虚拟山商系统中的应用594.7 粒子系统604.7.1 基本概念604.7.2 技术实现614.7.3 虚拟山商系统中下雪效果的制作624.8 可见性检测634.8.1 基于包围体的检测634.8.2 空间分割644.8.3 网格系统644.8.4 portal技术644.9 系统漫游的实现654.9.1 自动漫游的实现654.9.2 自由漫游的实现674.

9、10 virtools与数据库接口技术研究674.11 网络访问速度优化684.12 系统发布与运行694.13 本章小结71第5章 总结与展望72参考文献74致 谢78contentschinese abstractienglish abstractiichapter 1 introduction11.1 background11.2 summarization,status and foreground of virtual campus21.2.1 virtual campus overview21.2.2 virtual campus research21.2.3 the develo

10、pment prospects of the virtual campus31.3 main content and train of thought41.4 structure of this paper5chapter 2 design and analysis of virtual shanshang72.1 the goal of system design72.2 analysis of system structure and function72.3 overall design82.3.1 virtual campus tour subsystem design82.3.2 i

11、nformation query and management subsystem design102.3.3 virtual multimedia classroom subsystem design102.4 software and hardware condition of virtual shanshang112.5 brief summary12chapter 3 3d modeling of virtual shanshang133.1 basis of 3d modeling133.1.1 coordinates133.1.2 geometric modeling163.1.3

12、 map173.1.4 motion modeling193.1.5 model segmentation213.2 method of system modeling223.2.1 modeling method using 3ds max233.2.2 modeling method using the virtools253.3 implementation of modeling of virtual shanshang263.3.1 the design and arrangements of background263.3.2 house body modeling273.3.3

13、modeling of trees and grass323.3.4 other object modeling333.4 models merge343.5 brief summary35chapter4 interactive design and implementation of virtual shanshang364.1 collision detection and avoidance364.1.1 basic concepts364.1.2 collision detection algorithm theory374.1.3 concrete realization of c

14、ollision detection404.1.4 in the virtual mountain of virtual shanshang414.2 application of physics attributes424.3 ai434.3.1 basic concepts434.3.2 technology454.4 motion control of characters and objects454.5 interactive control and character synchronization464.5.1 virtools basic message control mec

15、hanisms484.5.2 virtools advanced message control494.5.3 in the virtual-san system514.6 illumination524.6.1 the basic of concepts and principles524.6.2 technology574.6.3 in the virtual-san system594.7 particle system604.7.1 basic concepts604.7.2 technology614.7.3 snow making system624.8 visibility de

16、tection634.8.1 surrounded by body-based detection634.8.2 spatial segmentation644.8.3 grid644.8.4 portal technology644.9 implementation of system cruise654.9.1 realization of automatic roaming654.9.2 the realization of free roaming674.10 interface study of virtools and database674.11 optimization for

17、 visiting speed684.12 system release and running694.13 brief summary71chapter 5 conclusions and suggestions72referrence74thanks78摘 要近年来，虚拟现实技术尤其是虚拟漫游技术已经广泛应用于多个领域，如数字城市、虚拟矿井、产品展示、教育训练、建筑设计、室内装潢、游戏开发等等。在分析了国内外虚拟校园系统发展和应用的基础上，以山东工商学院为背景，设计开发了基于web的虚拟校园漫游系统“虚拟山商”。课题主要研究内容包括三维建模、场景动画、交互控制、粒子系统、多媒体数据库技术，

18、碰撞检测与避免、光照、系统优化等具体技术；实现了校园任意角度的立体显示、在线虚拟漫游等功能；预留了校园信息查询与管理、虚拟多媒体教室等模块的接口。整个系统采用3ds max8作为主要建模工具，而模型的整合和交互式控制等环节的实现采用virtools 4.0。根据校园地形特点，研究并实现了不平坦地形的快速建模方法，充分运用了贴图技术。整个系统非常逼真，具有较强的真实感，不仅能够展示校园风景和浓厚的学习、科研氛围，对校园内重要建筑物还进行了简要的文字说明，一目了然，并且具有较快的浏览速度，能够满足在线浏览的要求。关键字：虚拟校园，三维建模，3d studio max，virtoolsabstrac

19、tin recent years, virtual cruise technology has been widely used in many fields, such s digital city, virtual mine, product exhibition, education&training, design of building, upholster, computer game, and so on.on the basis of analysis of development and application of virtual reality at home a

20、nd abroad, designs and implements a web based virtual campus according to shandong institute of business and technology, including 3d modeling, scene animation and interactive control. the system gives solid display of the campus from any angle of view, online virtual cruise, and other functions. th

21、e system employs 3ds max8 as key modeling software, and virtools 4.0 as the main software to merge the models and to control the models. according to the certain terrain of shandong institute of business and technology, studies and implements the fast modeling method for uneven terrain useing the te

22、xture technology,employs collision, illumination, particle system, system optimization, and other technology.the system is very lifelike. users can visit and experience the virtual campus, including the landscape, rich atmosphere of study and research. there will be literal explaination for the main

23、 buildings in the campus. and, the system can be viewed at a high speed, and can meet the requiment for online view.keywords: virtual campus, 3d modeling, 3d studio max，virtools第1章 绪论1.1 研究背景目前，虚拟现实技术己经成为计算机技术中研究、开发和应用的热点，广泛应用于教育、军事、建筑、医疗、工业设计、产品展示、娱乐等各个领域。虚拟校园，是虚拟现实技术在现代教育中最早的应用之一，它实现了对校园三维景观和教学环境的

24、数字化和虚拟化，在学校的教学资源管理、环境规划和学校发展与宣传等许多方面发挥了重要的作用。虚拟校园漫游系统的研究对今后虚拟校园的建设具有重要的实际意义。将学校风光用虚拟仿真实现，既可以为学校树立良好的形象，提高学校的知名度，宣传校园文化，让来访者足不出户就可浏览校园风光和有关介绍信息，体验身临其境的感受；还可以作为校园规划的辅助工具，提高校园管理的现代化水平。在将其与学校的有关信息相结合后，可以提供给师生一个三维可视化的、有声有色的信息介绍与查询环境。同时它还可以促进远程教学的发展，为数字校园的建设提供一个很好的平台。国内外多所大学已经推出了各自的虚拟校园系统，而山东工商学院目前仅有一个在线的

25、校园全景图可供访问者浏览，不具备三维效果，且内容也较单一。为此，需要开发一套完整的基于web的虚拟校园系统，不仅实现虚拟漫游和校园风光展示，主要建筑物提供文字性简单介绍，还可以进行信息查询，并且加入在线远程教育模块1-10,49,58,51,55,57。整个系统比较庞大复杂，按照项目的整体规划，分为三个阶段来完成设计与开发。本文主要介绍第一阶段的工作，即部分校园的建模与虚拟漫游的实现。1.2虚拟校园概述、研究现状及前景1.2.1 虚拟校园概述虚拟校园，是校园景观和教学环境在计算机中的虚拟再现。它利用地理信息技术、虚拟现实技术、计算机网络技术等高新技术，实现对真实校园环境中的三维景观和教学环境的

26、数字化和虚拟化。虚拟校园不仅可以建立基于现实校园的一个三维虚拟环境，还可以上传到internet，为远程用户访问提供一个虚拟校园空间。虚拟校园与早期的校园网页相比更加生动、逼真。普通的校园网页是将现实校园抽象成文字描述和图片展示来让用户了解校园，没有去过校园的用户只能在脑海里想象校园原型。虚拟校园则可以将生动形象的校园自然环境、人文环境发布在网上，使观看者有一种身临其境的美妙感觉，这种类似于真实的感受方式更加符合我们的习惯。虚拟校园为师生们提供了非常便利和快捷的交流环境，同时一个完善的虚拟校园系统集学习、工作和生活为一体，增添了师生之间交流的趣味性，有利于教师、学生之间的良好沟通。1993年美

27、国制定了国家信息基础设施的行动纲领，大大推动了计算机网络技术和虚拟现实技术在美国大学校园的应用与发展。近年来，虚拟现实技术逐渐改变着美国大学校园传统的工作、学习、管理和生活方式，美国大学的虚拟校园建设早已经涉及到教学活动、科研活动、图书馆网络、学校管理工作和学生日常生活的各个方面，并且己经取得引人瞩目的成绩。1.2.2 虚拟校园研究现状目前，许多的国外大学及科研机构都在从事虚拟场景漫游的研究。其中美国加州大学北卡分校及伯克利分校在这方面走在世界前沿，他们都拥有世界一流的漫游技术研究室，研究室里配有许多虚拟现实技术的设备，包括功能强大的图形工作站、高分辨率图形显示器、各种类型的头盔显示器(mhd

28、)、数据手套、步行器等。加州大学北卡分校的漫游技术研究室把建筑漫游作为自己的主要研究方向，到目前为止，他们完成的实时漫游大型建筑己达十个以上，其中至少有三项是在建筑施工前进行的事前仿真，让用户和设计者在工程开始之前，就可以对整个设计做出评估并反复修正设计方案。1977年，北卡分校实现了由13000000个三角形构造的一个电厂模型的实时交互漫游，他们采用的纹理盒消除模型、细节层次模型、可见区预计算等算法大大提高了场景渲染的效率。1996年，加州伯克利分校在sgi工作站也实现了本校新楼sodahall的实时漫游。sodahall模型由1418807个多边形构成，占据21.5mb的硬盘空间，模型用了

29、406种材质及58种不同纹理。由于研究小组采用了高效的数据存储结构、多级动态lod技术、场景调度算法、实时可视区域判定算法及计算处理等多种技术使得sodahall的实时仿真率(每秒钟刷新频率)恒定在每秒20帧左右。在我国，清华大学、武汉大学、北京航空航天大学、杭州大学、浙江大学、西南交通大学等许多大学都己经开展了虚拟场景漫游技术的研究，在视景技术、三维图形算法、建模方法、仿真技术等方面都取得了重要成果，并在城市规划与建筑领域得到了初步的实际应用。武汉理工大学开发出了一套校园虚拟全景漫游系统，由该校网络信息中心与艺术与设计学院数码艺术系方兴工作室共同开发研制，历时四个月，横跨余家头、东、西院三个

30、校区，共拍摄校园场景20余处，拍摄照片800多张，制作360度全景漫游。上海大学实现了宁波科技园区实时漫游系统。清华大学土木系的“vrgroup”小组使用spuerscpae公司的vrt虚拟环境软件包于1998年开发了“清华北大蓝旗营教师住宅小区”虚拟环境漫游系统。北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室，完成了虚拟的恒昌花园及其房内装修。浙江大学cad&gc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。西南交通大学在虚拟校园漫游系统的研究方面也有长足的进展。1.2.3 虚拟校园的发展前景随着虚拟现实技术与网络技术、虚拟地理环境学科的日新月异，虚拟校园将增添更加丰富的

31、内容，例如:网上虚拟课堂、虚拟实验室、虚拟社团等。虚拟校园今后的发展方向是以网络为基础，利用先进的信息化手段和先进的工具一计算机技术、网络技术、虚拟现实技术，实现对学校与教学、科研、管理和生活服务有关的所有信息资源进行全面的数字化，用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集成，形成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制，把学校建设成面向校园内外，也面向社会的一个超越时间、超越空间的虚拟校园，提高传统校园的效率，扩展传统校园的功能，最终实现教育过程的全面信息化，从而达到提高教育管理水平的目的。1.3 本课题主要研究内容及研究思路本课题主要研究山东工商学院校园的三维建模和基于web的校园漫

32、游。三维建模部分包括教学楼、实验楼、学生宿舍楼、教师家属楼、餐厅、树林、道路、草坪、行人、声音与文字等内容的建模；校园漫游部分包括校园风光展示、固定路径自动漫游、自选路径漫游、主建筑文字提示、部分设施控制（如开关灯、拉窗帘、开关门等等）等功能；还考虑在后续的工程中加入在线远程教育和信息查询与管理等子系统。在理论与技术方面，本课题研究了不平坦地形的建模、贴图、纹理映射、lod建模、碰撞检测、模型动态载入、面向对象的系统设计及其他相关技术。系统通过声音、文字、图片、动画和视频等多媒体技术手段辅助性地介绍山东工商学院的概况、历史、学科设置等情况，从而能更真实地反映现实大学状况，使得用户不用亲临现场，

33、即可感受校园的一切。不仅可以在校园和教学楼以及办公楼漫游，还可以在虚拟系统中控制部分物体如开关门、窗以及电灯等等。另外，根据用户访问时间来确定春夏秋冬以及白昼，如果是冬天，可能会是一个下雪天，则虚拟校园中会有白雪飘飘，树上会挂着一些雪花，整个校园银装素裹；如果是夏天，可能会是一个下雨天，则校园可能下着毛毛细雨；如果是晚上，则校园内林阴路的路灯亮着，教学楼和办公楼内部分电灯亮着，而用户可以控制电灯开关；如果当时有风，校园内的树木会随风飘摇，而开着门窗的室内如纸张、书等物体会随风而动，用户则可以关上门窗或拉上窗帘；另外，虚拟校园系统中关键设施旁设置有服务台，由虚拟导游讲解相关知识；通过虚拟现实技术

34、和多媒体技术，创设一个人性化的学习环境（即虚拟教室），使访问者能够在自然、亲切的气氛中进行学习，提高教学的生动性、灵活性、趣味性。整个系统使得用户如亲临其境，有较强的交互性和沉浸感。整个系统的开发与设计中，主要采用3ds max8作用建模工具，而模型整合、交互式控制、特效实现均采用virtools 4.0，另外，还用到了photoshop cs3（用于效果图处理）、adobe audition 3.0（用于声音效果处理）、visual studio 2008（用于辅助系统发布）。考虑到整个校园规模较大，虚拟场景和物体、角色的数量较多，设计与开发时间也有限，因此，第一期（2008年3月至2009

35、年1月）虚拟校园的设计以学校正门开始通往办公大楼、第二教学楼、第三学生餐厅、第25号学生宿舍楼以及南门的主干道路为主线，展示校园风光，并实现办公大楼、第二教学楼、第三学生餐厅和第25号学生宿舍楼的外围效果和室内效果。第一期虚拟校园运行一段时间以后，展开第二期工程（2009年2月至2009年8月）即山东工商学院主校区的总体设计与实现，包括信息查询子系统、细节设计等等。将西校区设计与主校区的整合工作以及远程教育模块放在第三期工程（2009年8月至2010年3月）中，逐步完善整个系统。本文主要介绍第一阶段的工作。1.4 本文组织结构本文内容主要通过以下几章来讨论：1、第1章介绍虚拟校园的概念、应用、

36、研究现状与发展前景，以及本课题的研究背景、意义和研究思路。2、第2章介绍“虚拟山商”虚拟校园系统的设计方案和结构以及整体设计思路。3、第3章简要介绍三维建模原理与技术；重点介绍了“虚拟山商”虚拟校园系统的三维建模，包括道路、教学楼、办公楼、宿舍楼等楼群的建模，以及树木、花草、行人、小鱼等对象的建模。4、第4章介绍“虚拟山商”虚拟校园系统的交互设计原理和技术，主要包括碰撞检测、角色运动与同步、可见性检测、粒子系统、漫游设计、数据库接口以及系统的发布等等。5、第5章对研究的总结以及下一步的工作介绍。第2章 “虚拟山商”虚拟校园系统设计与分析2.1 设计目标“虚拟山商”虚拟校园系统能够将二维校园平面

37、图拓展为三维空间，能够更逼真、更形象地呈现校园的自然文化风貌。访问者能够自主地领略校园的文化、生活、教学科研氛围。为了能够真实地反映校园状况，“虚拟山商”虚拟校园系统的设计目标如下：1、访问者可以随意地选择校园中的景点和参观路线，通过鼠标、键盘改变视点，进行场景的漫游；也可以按照某些设定的路线自动进行场景漫游；在漫游的同时，路上有行人、车辆，树林中有鸟飞、落叶以及读书的学子，池塘中有鱼游，等等，呈现出和谐的校园风景和浓厚的学习氛围；2、校园中的重要建筑物及景点可以有配音解说和文字介绍，并支持重要建筑的信息查询与管理；3、访问者可以模拟一些像开关门、开关灯、一动物体等在真实世界中的动态行为；4、

38、系统具有一定的真实物理学和运动学性质，比如碰撞检测，杜绝“穿墙而过”、“物体相交”等违背现实的情况；落叶等应符合运动学和物理学规律；5、访问者可以进入多媒体教室自主进行资源浏览、视频点播、课件播放等操作，或进入虚拟实验室进行实验。2.2 结构与功能分析“虚拟山商”虚拟校园系统从结构上可以划分为虚拟校园漫游子系统、信息查询与管理子系统以及虚拟多媒体教室子系统。其漫游系统是个规模较大的三维场景，旨在通过网络展示校园风貌，访问者可以走入校园中，观赏校园的自然风光，领略校园的文化、生活与教学科研氛围。为了比较真实地反映校园状况，可以通过四个方面表现这个虚拟世界：第一，要根据实际的自然场景对校园内各个对

39、象进行建模，包括道路、楼群、校门、运动场、花草树木、人物、车辆等等。通过这些对象的建模构建出“虚拟山商”虚拟校园系统的基础框架，并且实现一定的交互能力，如门、灯、窗户的开启与关闭，这是建立虚拟校园系统的基础。第二，通过声音、文字、图片、动画和视频等多媒体技术手段辅助性地介绍大学的概况、历史、学科设置等情况，从而更真实地反映大学状况。第三，通过信息查询与管理功能对校园内重要建筑进行查询与管理。第四，通过虚拟现实技术和多媒体技术，创设一个人性化的学习环境，使访问者能够在自然、亲切的气氛中进行学习，提高教学的生动性、灵活性和趣味性。信息查询与管理子系统提供了校园主建筑的文字性描述、指定建筑的信息查询

40、以及指定信息的建筑查询等功能，并支持信息的添加与修改。虚拟多媒体教室子系统则为访问者构建了一个虚拟学习平台，访问者可以在虚拟多媒体教室内进行课件浏览、教学视频点播以及异步提问和答疑。2.3 系统的总体设计2.3.1 虚拟校园漫游子系统的设计考虑到整个场景中的所有对象是通过空间相对位置关系组织到一起的，因此需要建立一个对象，以其为基准来确定其他对象和物体的位置以及各物体之间的位置关系。道路作为“虚拟山商”系统中的一个主要对象，恰好可以起到基线的作用，所以，首先在水平面内建立虚拟校园内的道路是一个最佳选择，然后根据道路为参照，对校园的教学楼、宿舍楼、餐厅、体育场、池塘等各种建筑分别进行建模并放置到

41、相应的位置上，最后拼接成为一个整体，构成完整的虚拟校园系统虚拟场景。访问者通过鼠标、键盘等设备控制自己的视点和视角，对虚拟校园场景进行全方位的浏览和交互。具体建模步骤为：1、首先对校园主干道路进行建模，利用主干道路将校园划分成为若干区块，确定各个区块中的建筑和景观。在道路建模时，对于直线道路使用平面来建模速度快、效率高，对于弯曲的道路，则使用放样建模，即先按照道路的弯曲情况制作一条曲线，然后进行放样。2、对各区块中的主要建筑分别进行三维建模。教学楼、宿舍楼、办公楼、餐厅等楼群的制作可以分为空心楼体（只制作外部框架的楼体）和实心楼体（内含如走廊、楼梯、窗户、桌椅等细致场景的楼体）。首先对空心楼体

42、进行建模，然后对具有共同特征的建筑，选择有代表性的进行建模，利用它可改造得到其他建筑的模型，如果多栋宿舍楼之间单体设计差异不大，可以选择一部分楼体进行详细建模，然后进行简单修改重复利用即可快速获得另一部分楼体或者其他楼体的模型。3、对各区块的外部景观进行建模，包括树木、草地、池塘、路灯、行人、车辆、鸟、鱼等等，为了提高建模速度和渲染效率，按照不同对象的特点以及在整个系统中的重要程度，采用不同的方法进行建模，例如，对于距离道路较远的树木、草地及其他对象进行了粗粒度建模，而对于距离道路较近的对象则进行了精细建模。4、对各组模型进行优化组织，然后按照平面图的位置及各模型之间的空间关系将其整合到一起，

43、组成总体场景模型。“虚拟山商”虚拟校园漫游子系统的结构设计框图如下图所示。图2-1 虚拟山商建模层次fig 2-1 modeling arrangement of virual shanshang2.3.2 信息查询与管理子系统的设计为了让访问者更加准确、真实、全面地感受山东工商学院的校园风光，系统对主要建筑和景观进行文字描述和介绍，并且支持信息的添加、编辑与修改。访问者通过漫游子系统“走”到主要建筑物前，系统自动显示该建筑的名字，访问者也可以通过按钮激活该建筑的详细文字描述，并且可以通过查询子系统快速查询与定位感兴趣的建筑物。在系统设计中，将各建筑的固定的、不需要改变的信息直接使用virto

44、ols处理，而将需要经常修改的信息存放于sql server 2000数据库中，并使用virtools对其进行访问、将信息显示给访问者以及保存信息的修改。2.3.3 虚拟多媒体教室子系统的设计虚拟多媒体教室子系统是指在计算机网络上利用多媒体和三维仿真技术构造的学习环境，使得身处不同物理位置的教师和学生可以更方便地进行学习和交流，消除了地域的限制。利用实时通信功能实现传统教室中所能进行的大多数教学活动，并可以利用异步通信功能实现前所未有的教学活动，如异步辅导与答疑、异步讲座等等。在此基础上可以构造虚拟大学，实现现代远程教育。在该系统中主要分为虚拟多媒体教室的建模和多媒体播放、控制功能的实现两部分

45、，访问者进入多媒体教室可以自主进行资源浏览、视频点播、课件播放等操作。2.4 虚拟山商系统软硬件环境1、软件环境操作系统：windows 2003 server+sp1web server: iis 6.0数据库环境：microsoft sql server 2000+sp4开发环境：virtools 4.0 + 3ds max8 + photoshop cs3 + adobe audition 3.0 + visual studio 20082、硬件环境考虑到“虚拟山商”虚拟校园系统规模较大，作品数量多，为了支持访问者通过web方式对该系统的快速访问，服务器硬件环境采用了较高的配置，主要性能

46、参数列表如下：整机：sungraph 600a专业虚拟现实工作站cpu：双核双cpu p4 3.06ghz内存：4gb显卡：独立显卡，512mb显存硬盘：7tb光纤存储阵列+400g本机串口硬盘网络带宽：100mb/s2.5 本章小结本章主要介绍了“虚拟山商”虚拟校园系统的总体设计目标、整体结构；介绍了虚拟漫游子系统、信息查询与管理子系统以及虚拟多媒体教室子系统的主要功能以及服务器软硬件平台构建；给出了漫游子系统的建模原理图。第3章 “虚拟山商”虚拟校园系统的三维建模设计与开发三维虚拟校园系统的主要工作之一是运用三维场景建模技术在计算机中生成逼真的、等同于现实世界又稍有不同的虚拟世界。人的信息

47、感知主要来源于视觉，虚拟世界的逼真程度直接影响整个虚拟校园的沉浸感和真实感以及最终的可用性。因此，三维场景模型构造在整个系统中占有非常重要的地位，是虚拟校园系统开发的首要工作。在“虚拟山商”虚拟校园系统的开发过程中，同样是首先建立整个系统的三维模型，然后再依次加入信息查询与管理、在线远程教学以及各种特效。3.1 三维建模理论基础整个虚拟校园系统中，所有复杂地形、楼房、桌椅、电灯、电脑、窗帘、书本、汽车、行人、植物、声音文字甚至垃圾桶等虚拟物体均采用3ds max 8进行建模。虚拟校园中，大多数场景都是动态渲染的，需要较多的资源和带宽，用户在3d空间中漫游时，所有3d网格对象都会以至少每秒30次

48、的速度渲染到屏幕上。这就意味着用户计算机的cpu和图形处理器必须不断地变换虚拟场景，并实时对其进行渲染，这反过来就会限制模型所能包含的多边形或面的数量。多边形细节层级高的模型看起来也许更出色，但其在用户计算机上的渲染速度会非常慢，从而使它的意义接近于零。因此，模型质量在很大程度上决定了作品的质量和运行效率。3.1.1 坐标系在虚拟校园的所有物体建模时，都以物体本身为参照物设计坐标系，且均以正前方为+z轴，正上方为+y轴，正右方为+x轴，这样的设计与实现方便物体的控制，如移动、旋转等等三维变换。整个虚拟校园系统拥有一个全局坐标系，所有物体的位置和方向等信息都以全局坐标系为参考，便于计算各角色之间

49、的距离。模型导入virtools环境以后，仍使用建模时定义的自身坐标系。常用的坐标系有：1、世界坐标系：建立了描述其他坐标系所需要的参考框架，用来描述其他坐标系的信息，如每个物体的位置和方向、摄像机的位置和方向、每一点的地形是什么、各物体的运动描述等等。在“虚拟山商”虚拟校园系统中，世界坐标系以东大门为坐标原点o、上方为+y轴、北方为+x轴、西方为+z轴。其他所有模型的位置以及空间关系描述均使用此坐标系。例如，第一教学楼的坐标为（20,0,320），第二教学楼的坐标为（18,0,-460），二者之间直线距离为158，度量单位均为“米”。2、物体坐标系：也称模型坐标系或身体坐标系，是与特定物体相

50、关联的坐标系，可以描述模型中物体的坐标信息和自身运动情况，如向左转、向前走等等。在“虚拟山商”虚拟校园系统中，对于不同的楼体以及其他对象模型均设计了物体坐标系，以底平面中心为坐标原点o、上方为+y轴、正前方为+z轴、正右方为+x轴。这样，各模型自身的不同组成部分之间的位置和空间关系可以直接使用物体坐标系描述，减少了计算量，提高了速度。另外，当物体运动时使用自身的物体坐标系作为参照系，简化了处理过程。例如，第二教学楼2413办公室门口相对于第二教学楼的物体坐标系的坐标可以描述为（9,7.3,-2）；虚拟场景中行人及车辆运动时前进2米的含义是沿其+z轴方向前进2米，向右旋转30度的含义是以其+y轴

51、为旋转轴向右旋转30度。3、摄像机坐标系：和观察者密切相关的坐标系，在摄像机坐标系中，摄像机在原点，x轴向右，z轴向前，y轴向上，在该坐标系中，需要确定多个物体之间的遮挡问题，即哪些物体应该显示出来；在虚拟校园漫游时，大量用到了摄像机坐标系。当访问者漫游或者切换视点与视角时，屏幕所显示的内容均应为当前视点与视角所确定的场景，并且不会显示被遮挡的物体，这属于可见性检测的内容。例如，访问者进入某房间后不能看到其他房间的物体。4、惯性坐标系：其原点与物体坐标系的原点重合，而坐标轴与世界坐标系的轴平行，因此，从物体坐标系转换到惯性坐标系只需要旋转，从惯性坐标系到世界坐标系只需要平移，它简化了物体坐标系

52、和世界坐标系之间的转换36,37,39-41,43,44,46。系统中经常涉及坐标变换，常用的有36：1、平移：物体在场景内移动（前进、后退）时，涉及到平移变换，其变换矩阵为 (3-1)例如，物体前进5米的平移变换矩阵中值为5，后退时其值为5，其他两个值均为0。在虚拟漫游系统中，很少用到向左和向右的平移，若需要此种动作，一般也是转换为“先左转再前进或后退”或“先右转再前进或后退”的动作。2、旋转：复杂的旋转可以分解为沿x轴、y轴和z轴旋转的组合，沿x轴、y轴和z轴旋转角度的变换矩阵分别为 (3-2)在虚拟校园漫游中，用的最多的是沿y轴的旋转，例如人、门的旋转，很少用到沿其他轴的旋转，一般旋转更

53、少。3、比例变换：在物体缩放时需要用到比例变换，其变换矩阵为 (3-3)4、透视变换：视点在x轴、y轴、z轴上的透视变换矩阵分为别 (3-4)3.1.2 几何建模法几何建模法是充分利用计算机图形学技术进行虚拟环境的建模和绘制。首先对真实世界进行抽象，用多边形构造虚拟景观(包括地形、建筑、实体、树木等)的三维几何建模，并建立虚拟环境中的光照和材质模型，然后进行纹理映射及控制参数设定，利用计算机由模型实现多边形处理、着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程，产生虚拟场景，在输出设备上实时渲染绘制视景画面，从而完成对整个场景的漫游和交互。几何建模法实现的虚拟场景大多具有精确对应的几何模型，得到的场景

54、显得比较细腻、逼真，同时便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互，以及对虚拟对象的深度信息进行直接获取。即使在规划设计阶段，只要有相关的建筑图纸，按照对应比例与尺寸，一样能够完成场景的构建与漫游，即能够实现虚物实化。几何建模法应用时间较长，技术路线比较成熟，国内外都研发了许多建模工具及控制集成软件，这些都使得几何建模法目前实际应用比较广泛。但在场景模型比较复杂的情况下，几何建模技术也存在一些不足：一是对复杂场景进行详细建模太过烦琐，工作量大，费时费力；二是当场景模型复杂时，实时显示的计算量较大，而使用户与虚拟场景无法实时交互，用户对场景中虚拟对象的操作也无法得到实时的反馈，场景难以达到完全逼真；三是

55、场景实时渲染绘制对计算机软硬件要求较高。这将使场景的复杂性因硬件的处理能力而受到限制，对复杂场景的建模难以实现。在“虚拟山商”虚拟校园系统中，楼体建模大量使用了几何建模法，例如教学楼、办公楼、宿舍楼、餐厅、商业中心等等。而对于树木，则仅对道路两旁较近的采用几何建模法进行了精细建模，远处的树木则使用了下面将要讲到的贴图技术进行粗略建模。3.1.3 贴图贴图是物体材质表面的纹理，通过贴图可以增加模型的质感，完善模型的造型，使其更接近于真实；另外，在建模过程中，不可能对所有物体、角色进行精细、准确地建模，这样不仅需要很大的工作量，且不利于控制，更主要是占用更多的资源从而严重影响系统的运行速度，并且当

56、远距离观察时，并不需要显示虚拟环境的太多细节。因此，对于比如教学楼、宿舍楼的墙面、门、窗户及其它次要景物建模时，可以配以适当的贴图。通过在模型的隐蔽区域中完成漂亮的接缝，可以使展开u-v纹理坐标的过程更加容易。但此技术对于移动物体效果不好，并且不能用于表面复杂度较高的物体，物体复杂度越高，面平面所表现出的方向个数越大，该技术的可用性越低。另外，贴图是物体材质表面的纹理，利用贴图可以不用增加模型的复杂程度就可突出表现对象细节，并且可以创建反射，折射，凹凸，镂空等多种效果，从而更加接近于真实情况17-18,27,47-48,52-54。常用的贴图有：1、2d maps二维贴图：二维平面图像，用于环境贴图创建场景背景或映射在几何体表面。最常用也是最简单的二维贴图是bitmap，其它二维贴图都是由程序生成的。2d贴图包括bitmap（位图）、checker（方格）、combustion、gradient（渐变）、gradient ramp（渐变度）、swirl（漩涡）、tiles（平铺）。2、3d maps三维贴图：是程序生成的三维模板，如wood木头，在赋予对象的内部同样有纹理。被赋予这种材质的物体切面纹理与外部纹理是相匹配的。