基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现
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
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基于X3D的虚拟校园漫游系统设计与实现
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
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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 Visual C++,Visual Basic,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]（virtual reality modeling language）。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
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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
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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。
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