基于VRGIS的虚拟校园三维仿真技术应用

第22卷　第2期

2006年4月福建师范大学学报(自然科学版) Journal of Fujian N o r m al U niversity (N atural Science Editi on ) V o l 122　N o 12A p r 12006文章编号:100025277(2006) 0220109205

基于VRGIS 的虚拟校园三维仿真技术应用

江辉仙, 张文开, 林广发, 黄万里

(福建师范大学地理科学学院, 福建福州　350007)

　　摘要:采用客户机 服务器结构, 应用Java 和V RM L 210开发工具, 设计并开发了基于因特网的虚拟校园环境, 并以福建师范大学长安校区为例, 建立了系统原型. 利用V R G IS ,

用虚拟空间场景代替传统的抽象地图及其相应的描述文件, .

以人机互动方式来实现校园三维景观的实时漫游, 人机交互平台.

关键词:虚拟现实地理信息系统; 中图分类号:T P 39119Si m ula tion Ba se on VRGIS

J I ANG Hu i -x i an , ZHANGW en -ka i , L IN Guang -fa , HUANGW an -l i

(Colleg e of Geog rap h ical S cience , F uj ian N or m al U niversity , F uz hou 350007, Ch ina )

Abstract :W ith a study case of Changan b ranch cam pu s of Fu jian N o r m al U n iversity , a system p ro to typ e w as con structed based on a clien t server structu re In ternet u sing Java and V RM L 210. In the virtual cam p u s , the traditi onal u sed ab stract m ap s and their describ ing files w ere rep laced by the virtual scenes . So as to si m u late and disp lay the 3D space w ith a vivid m odel , and to realize a 3D real ti m e cru ise in a style of in ter 2activity betw een hum an and com pu ter . T he cam pu s si m u lati on system p rovided a scien tific , si m p le and visual w ay fo r the m anagem en t of the cam pu s .

Key words :virtual reality geograp h ical info r m ati on system ; virtual cam pu s ;

si m u lati on ; V RM L 3di m en si on

1　虚拟现实地理信息系统

通常将传统的以平面制图和平面分析为主要功能的G IS 称为2D G IS , 传统2D G IS 仅是将平面坐标(x , y ) 作为独立参数来进行平面对象的几何建模. 2D G IS 的本质是将3D 现实世界中的地物与地理现象投影到某一2D 平面(通常为X Y 平面) 上进行表达, 虽然简化了空间信息理解与表达的过程, 却损失了空间信息量(尤其是高程信息Z 和3D 拓扑空间信息) , 是以牺牲空间信息的真实性和完整性为代价的, 从而不能真实表现空间数据如地形、环境、景观等. 又因为它以二维地图为基础进行分析和规划, 采用二维空间数据进行组织与管理, 所以大大限制了其应用范围, 对三维信息处理能力非常有限. 于是将V R 技术与G IS 融合, 形成了一个全新的系统, 即虚拟现实地理信息系统(V irtual R eality Geograp h ic Info r m ati on System , V R G IS ) . V R G IS 结合了V R 的可视化特点和G IS 的空间处理能力—

. 因此, V R G IS 具有以下几个方面的G IS 提供丰富的空间信息, V R 则以接近真实的形式实现视觉化

特征:①空间数据的真实表现(如地形、环境等的真实再现, 也包括对未来与过去不存在的事物的模　收稿日期:2005209213

　基金项目:福建省自然科学基金资助项目(D 0510015) ; 国家自然科学基金资助项目(40401049)

　作者简介:江辉仙(1975—　) , 男, 福建仙游人, 讲师, 硕士, 主要从事虚拟地理环境及G IS 研究.

110福建师范大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　2006年　拟真实表现) ; ②用户可从任意角度进行观察、浸入、实时交互, 可在所选择的地理带(地理范围) 内外自由移动; ③具有基于三维空间数据库的基本G IS 功能(如查询、空间分析等) ; ④可视化部分应作为用户接口一个自然而完整的部分[1-2].

V R G IS 是地理信息系统与虚拟现实技术相结合的产物, 是目前地理信息系统和虚拟现实技术研究的热点和前沿方向之一. 它可用于重现或建造不存在的景观和城市环境, 这些景观和城市环境或许己经不复存在或许从来就没有过. 比如在城市和环境规划, 尤其是具有强烈可视化要求的建筑工程(如道路、桥梁和水库) 方面扮演着重要角色. 尽管许多商业G IS 软件能够导出可视化的分析结果, 但结果很难给人三维感觉, 飞行穿越动画比较机械, 用户只能沿着固定路线来观察. 利用V R G IS 三维动态仿真技术能较好地模拟真实场景, 同时W eb 2G IS 以及R S 技术发展使得模拟三维景观更加真实、直观、生动.

在虚拟现实地理信息系统技术的支持下, , 实现校园的交互漫游; 可建立校园查询系统, . 用电子计算机进行平面规划, 以文字V R G IS 建立虚拟校园规划能够逼真动态地展现规划设计方案, , 这样一来, 很, 遗憾, [3]. V G IS 技术将整个校园在计算机上虚拟再现, 在构建虚拟场, 为校园管理和服务提供一个科学简便、形象直[4本文以福建师范大学长安校区为例构建虚拟校园模型.

2　虚拟校园三维仿真系统构建原型

211　研究方法

运用地理学、资源环境学和计算机网络等有关理论和方法, 利用G IS 与V R 技术, 采用Java 和

. V RM L 相结合, 构建虚拟校园三维仿真漫游管理系统

212　技术路线

技术流程图见图1.

213　研究依据

结合V R G IS 的功能, 具体分析了基于V R G IS 的

三维交互式虚拟校园场景设计的关键技术, 并以虚

拟师大校园的建造为背景, 提出了开发三维交互式

虚拟校园场景的整体解决方案. 利用三维图形图像

处理软件建立可视化仿真场景, 建立相关的三维场

景漫游管理系统, 增强对校园工作管理与决策分析

手段. (1) 首先要获取校园的基础数据, 并对源数据

进行整理和数据库建设如D E M , T I . (2) 利用N 等图1　技术路线流程图三维虚拟仿真的一些实现技术模拟出校园环境, 以三维地图的形式体现. (3) 建立相应的空间数据库, 并根据用户需求实现所需方位或地点的查询功能、漫游功能、最佳路线指明功能. (4) 对校园管理要素与三维空间进行整合, 运行研究成果, 把本项目成果真实地运用, 实现三维空间内的要素关系查询、分析.

214　VR ML 软件简介

V RM L 是面向对象的一种语言, 它类似W eb 超级链接所使用的H TM L 语言, 也是一种基于文本的语言, 并可以运行在多种平台之上, 能够更多地为虚拟现实环境服务. 它提供对三维世界及其内部基本对象的描述, 如球体、平面、圆锥、圆柱、立方体等, 并把它们同二维的页面链接起来, 是一种非常简洁的高级语言. 最新的V RM L 210版除了提供V RM L 110版的基本功能外, 最主要的特点是加

　第2期　　　　　　　　　　　江辉仙等:基于V R G IS 的虚拟校园三维仿真技术应用111入了行为功能和多用户环境, 使W eb 网上的三维世界动起来了. 另外, 它将支持动画、交互性、与

. V RM L 的出现, 是由于当代网络技术与虚拟现实技术的迅猛发展JAVA Scri p t 和JAVA 的集成及声音

的需要, 它使得W eb 的页面不再局限于二维空间. V RM L 增加动作、动画模拟、传感器和声音后, 网络站点创作人员可以制作规模大、交互性强的三维应用程序[5-6].

3　应用示例

311　数据采集

福建师范大学现有两个校区(长安校区与新校区) , 本系统以福建师范大学长安校区为例构建虚拟校园模型. 系统模型的底图采用福建师范大学长安校区平面图及等高线图; 本系统的信息文字说明参考福建师范大学网站的相关资料; . 312　系统模型的建立

31211　数据准备

征的D E M ; 外观照片, (因为在V RM L 编程中主要的贴图操作一般都需要窗户、门, ) . 接着进行系统编程设计, 所需的软件有vp s m W o rlds 、co rtvr m l 2、JC 、j 2sdk 1—3—02. 其中vpad 20用w in 及文本编辑器

于编写V RM L ; co m l 2是V RM L 浏览器; Co s m o W o rlds 的主要作用是将做好的模型放到底图上相应的位置, 和调整模型的水平高度, 使整个虚拟校园的高度保持在相应水平位置上.

31212　设置空间背景及建立底图

通过B ackground 这个节点在V RM L 中编辑这个系统的空间背景色. 其中在V RM L 中的造型颜色通常使用R GB 色彩进行度量, 造型材质的颜色外观分别用R ed 、Green 、. 利B lue 三原色进行调制设置用Box 节点来建立一个(2100, 0101, 1064) 的立方体, 再使用tex tu re I m age T ex tu re 的贴图功能把福建师大的平面图贴到该立方体上, 这就是系统所需要的底图, 然后以FJNU 命名该V RM L 文件. 31213　构建虚拟校园里的建筑物

福建师范大学的建筑物大致分为三类:(1) 教学楼; (2) 宿舍楼; (3) 其他. 下面以文科楼为例介绍建筑物的模型的构建方法.

首先对文科楼的数码照片进行有选择性的截取, 并根据文科楼的实际大小定出比例, 根据编程需要把文科楼模型的构建拆分为几部分, 再根据V RM L 的In line 节点的功能把拆分的几部分按实际的位置排列起来. 把文科楼拆分成楼梯、主体教学楼、大门、两层教学楼、十二层办公楼等几部分. 主体教学楼部分的具体制作过程如下:①利用box 节点建立一个立方体, 使用tex tu re I m ageT ex tu re 节点的贴图功能把一间教室的前面图片贴到该立方体上, 使用这个节点的不足之处是整个立方体的六个面都贴上教室前面图片, 所以必须再利用box 节点建立一个相同的立方体贴上该教室的后面图片, 接着利用T ran sfo r m 节点中的tran slati on 功能把两个立方体重叠起来, 得到一间教室的外观模型, 这样可以调用该节点名以避免在同一场景文件中重复设置相同节点所造成的程序代码冗余; ②利用编组节点中的空间转换节点和引用节点名的功能来构建出其余3间教室, 并合并为第一楼层; ③利用box 节点和计算得出栏杆的位置, 把二楼的过道和栏杆加到一楼的上面, 这样就完成一个楼层的制图; ④使用和上面相同的方法做出二楼模型. 这里要注意的是二楼共有5间教室, 所以要把立方体的大小改为[1**********]. 利用节点定义把这层楼定义为楼1, 然后在一楼的基础上引用楼1这个节点名和空间转换节点把二楼添加到一楼上面. 因为二楼到五楼的楼层结构都相同, 所以重复以上引用的操作, 就可以做好5个楼层. 接着利用box 节点做好楼顶和两边的墙壁, 这样就完成主体教学楼的制图. 利用同样的方法构建剩余部分的模型, 再分别对这些模型进行节点定义, 利用In line 节点把做好的模型融合到主体教学楼的场景文件中, 同时利用T ran sfo r m 节点中的tran slati on 和ro tati on 将所调用的模型进行位置合并. 效果图如图2.

112福建师范大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　2006年　

图2　文科楼正面

31214　视点控制与导航

. 视点转换有两V RM L 种方式——跳跃式和非跳跃式. 一路段的自动导航.

31215　以Java 与V RM L 以文科楼为例, w x 文件中, 加入以下代码到w x 1w rl 中, 再利用Co s m o W o , 并对其大小及水平高度进行适当调整. Java 文件并对该楼进行介绍. 定义一个ou t . class 的Java 文件, :

i m po rt Java . app let .

i m po rt Java . aw t .

i m po rt Javax . s w ing . 3; 3;

3;

3; 3; . ex ternal . i m po rt vr m l . ex ternal . field . i m po rt vr m l

pub lic class ou t ex tends A pp let {

　　p rivate T ex tA rea info =nu ll ;

　　pub lic vo id in it (){

　　　　sup er . in it ();

　　　　setL ayou t (nu ll ) ;

　　　　th is . setSize (386, 120) ; Generated

　　　　th is . add (getinfo (), nu ll ) ; Generated

　　　　info .

　　　　info . ) ; setT ex t (“欢迎您来到福建师范大学”setEditab le (false ) ;

　　　　validate ();

　　}

　　p rivate T ex tA rea getinfo (){

　　　　if (info ==nu ll ) {

　　　　　info =new T ex tA rea ();

　　　　　Fon t f =new Fon t (″, 1, 30) ; D efau lt ″

　　　　　info . setFon t (f ) ;

　　　　　info . setBounds (9, 8, 660, 130) ; Generated

　　　　}

　　　　retu rn info ;

　　}

　　B row ser b row se ;

　第2期　　　　　　　　　　　江辉仙等:基于V R G IS 的虚拟校园三维仿真技术应用113

N ode w enkelou ;

31216　网络发布

建立虚拟场景之后, 完成以上操作打开以index 命名的网页就可以进行福建师范大学虚拟校园的游览, 效果图见图3、图4

.

图3

　校门口漫游图4　综合楼漫游

4　小结

、. V R G IS 建设虚拟校园, 为实现校园规划管理现代化提供了一种有效的手段校园三维景观可视化为校园规划设计提供了一种最直观的表现形式, 基于全景图像的虚拟现实技术有助于校园房产管理, 同时将基于全景图像的虚拟现实界面应用到校园网网页设计中, 可以改变传统的单纯基于文本和图形的用户界面设计, 使得通过计算机网络查询和访问校园信息更为方便; 虚拟校园作为数字大学工程的重要组成部分, 可以为数字大学建设提供一个重要的平台:虚拟校园作为一个新的概念, 在建设过程中尚有许多值得研究的问题, 如如何快速准确地获取建筑物几何和纹理数据, 如何更好地为校园信息化建设服务等.

参考文献:

[1]刘晓艳, 林珲, 张宏. 虚拟城市建设原理与方法[M ]. 北京:科学出版社, 2003:14-16.

[2]邓红艳. 虚拟现实地理信息系统(V R G IS ) [J ]. 计算机应用研究, 2002(9) :33-35.

[3]张力猛. 虚拟现实与三维可视化仿真技术及其在地理信息系统中应用[J ]. 新疆大学学报, 2003(1) :41-45.

[4]邓俊峰, 李利军, 吴海涛. 校园V R G IS 系统的设计与实现[J ]. 计算机与数字工程, 2004(6) :102-105.

[5]段新昱. 虚拟现实基础与V RM L 编程[M ]. 北京:高等教育出版社, 2004:8-12.

[6]汪兴谦. V RM L 与Java 编程实例讲解[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 2001:102-203.

(责任编辑:林　敏)