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摘要：虚拟漫游技术是虚拟现实技术的一个重要分支，在建筑设计、航空模拟、军事演习及医疗等领域都得到了快速的发展。随着近几年计算机技术的飞速发展及在VR领域的探索，虚拟现实技术所表现出的交互性，构想性和沉浸感越来越受到VR研究者们的青睐，同时也吸引了大量游戏玩家的关注。随着越来越多VR游戏的出现及数字城市的提出，使得这一领域获得大量资本的支持，而传统的校园领域因为缺少整个行业的关注及使用者的特定群体化，使得校园三维漫游成为时下急需关注的领域。
本文基于这一现象，着手研究宁夏师范学院虚拟校园漫游与导航系统，本课题主要研究虚拟校园漫游系统的碰撞检测算法、场景建模、交互漫游以及GIS导航等相关技术。采用Open Scene Graph（OSG）与C++的语言程序设计，完成一个多任务，多功能的虚拟校园漫游与导航系统。
关键词：OSG；虚拟现实；漫游；导航
前言
虚拟现实系统（Virtual Reality，简称VR），是一种高级的人机交互系统，它可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的“虚拟世界”进行交互式的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。它具有多媒体信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特点。
Open Scene Graph（OSG）是一种开源、高效、强大、新颖和可操作性强的三维渲染引擎，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化功能。它使用可移植的c++编写，并使用已成为工业标准的OpenGL底层渲染API。本文所介绍的虚拟校园以宁夏师范学院校园作为应用实例，通过OSG及其三维仿真平台来实现校园的实时漫游与导航。
1基于OSG的校园漫游与导航系统设计的研究内容
本文基于研究宁夏师范学院设计的虚拟校园漫游与导航系统，该基于OSG的三维校园漫游与导航系统的简单开发，可实现一些基本功能。包括：对于三维数字校园模型的选择，校园场景的移动、旋转、缩放，并实现了校园场景的道路漫游、飞行漫游、建筑室内漫游。还完善了信息查询功能可以实现通过查询教师姓名寻找其所在建筑物的功能，为用户提供了简单的寻路功能。在此基础之上模拟了手机GPS导航的效果，为以后三维数字校园系统在手机中的应用奠定了一定的基础。
2基于OSG的校园漫游与导航系统设计的关键技术
本虚拟校园主要研究以下功能：
虚拟校园模型：主要通过osgEXP插件将在3DMAX中处理好的模型保存为IVE后缀格式，并利用OSG的读取函数将模型加载到场景中，其中包含教学楼、宿舍楼、树木、路灯以及车等模型。
二维导航模块：OSG结合HUD（Heads Up Display）技术来实现该模块，二维导航图可以准确的确定用户所在的位置，以便更好的浏览校园。
交互控制模块：主要是响应鼠标和键盘的消息响应，实现在虚拟校园中各种方式的漫游等功能。
自然环境控制模块：该模块主要是在虚拟校园中实现，场景的环境效果对虚拟校园的真实感和逼真感有着很重要的作用。
音效模块：该模块运用osgAudio开源场景声音库来实现，三维虚拟声音能够提高虚拟环境的沉浸感。
碰撞检测模块：该模块提出了一种新的解决方案——基于空间划分和线性规划的快速碰撞检测算法。
空间划分法将整个三维空间划分为规则单元格，并将实体划分入不同单元格内，最后只对占据同一单元格的实体进行相交测试。典型的空间划分法有八叉树法和二叉空间剖分法以及均匀网格法。线性规划法是对多面体间的相交查询计算的一类数学优化方法，不同于传统几何计算问题，我们可以将多面体看成是多个半空间的交集，而多面体的布尔相交测试则等价于线性规划的可行性问题。
该研究旨在结合空间划分法和线性规划法，综合发挥二者的优势，提出在碰撞检测的粗略检测阶段，通过将空间按照一定的规则划分为一系列子空间，然后只对处于同一子空间内的物体进行精确检测，缩短计算时间，以提髙多物体碰撞检测的效率。
场景建模模块：该模块采用了Skeptchup建模软件和OSG图像宣染引擎相结合的建模方法，Skeptchup软件在建筑建模、植物建模及其他建模等方面发挥了重要作用，而OSG对搭建天空模型和环境渲染方面也起到很好的作用。
漫游系统的设计，首先包括基于OSG模型加载的方法、天空弯场景的实现、基于OSG粒子系统的光照、天空、雨、雪及雾等自然环境效果的模拟等，使得虚拟校园漫游系统具有真实感和更好的沉浸感。
3 基于OSG的校园漫游与导航系统设计框架
在设计漫游系统的总体框架时，本文将整个系统分解成三个模块，分别为：用户与场景的交互模块，三维真实场景的虚拟建模模块，虚拟场景漫游模块，这三个模块独立运作，通过数据接口相互联系。
（1）真实校园的虚拟建模
首先真实校园的虚拟建模问题，目前基本的建模方法还是采取基于几何的建模技术，该技术可以在计算机图形软件中搭建一个类似的虚拟场景，通过搭建基本的外形轮廓和在轮廓表面贴上纹理图片，再在灯光摄像机等辅助下实现虚拟场景的场景遣染。而目前市面上流行的三维建模软件为Sketchup，3D Maxs，AutoCAD等。为了建模的效率还有模型的质量，本文采用这类建模方法，再通过这类建模软件把建好的模型转换成系统所支持的格式。
采用选好的建模软件后，对场景中的模型建模，需要分为两个步骤：首先利用建模软件的基本几何搭建方法，搭建场景中的建筑物，草木，道路等模型的粗模，然后对粗模进行细节设计，雕饰模型表面的窗户，阳台，台阶等。然后直接在建模软件材料库中搭配合适的纹理图片，给建好的窗户配上玻璃，门配上木材，亦可以就现场采集建筑物，草木的纹理照片，直接在模型表面贴图，再在这类软件中，添加灯光，摄像机等辅助设备，以实现场景逼真的效果。
（2）虚拟场景漫游及交互
搭建好了模型，需要对模型作进一步的处理，首先需要把该模型导入已经配置好的环境系统，在系统中让整个模型动起来，完成现场的漫游。而模型能够显示出来，还要实现能够实时参观场景中各处景观，这个需要系统提供的程序来完成场景的游览与切换。
所有的漫游过程都与场景发生了交互作用，本文在系统框架阶段对于用户与场景的交互模块中还提出了环境控制功能，通过对粒子系统的运用和雾化效果的使用，实现雨雪，大雾等天气的变换。
4 結语
虚拟现实技术在现有计算机技术的发展下，正越来越受到研宄者的关注，未来该技术必将还有一个大的革命突破，本文在现有技术上，设计实现了昆明理工大学校园漫游系统，并在三维渲染引擎（OSG）下实现交互漫游，也完成了环境渲染、碰撞检测、路径漫游等功能，本系统在校园网站得到应用，其运行结果基本达到了设计要求。
参考文献：
[1]邱有春.虚拟校园场景建模和漫游系统实现[D].成都：电子科技大学硕士学位论文，2009.
[2]张峰.虚拟校园漫游系统的研究及实践[D].西安：长安大学硕士学位论文，2007.
作者简介：
罗晓丽（1990.04--），宁夏省固原市，硕士研究生，专业：计算机技术，单位为宁夏师范学院。
本文基于这一现象，着手研究宁夏师范学院虚拟校园漫游与导航系统，本课题主要研究虚拟校园漫游系统的碰撞检测算法、场景建模、交互漫游以及GIS导航等相关技术。采用Open Scene Graph（OSG）与C++的语言程序设计，完成一个多任务，多功能的虚拟校园漫游与导航系统。
关键词：OSG；虚拟现实；漫游；导航
前言
虚拟现实系统（Virtual Reality，简称VR），是一种高级的人机交互系统，它可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的“虚拟世界”进行交互式的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。它具有多媒体信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特点。
Open Scene Graph（OSG）是一种开源、高效、强大、新颖和可操作性强的三维渲染引擎，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化功能。它使用可移植的c++编写，并使用已成为工业标准的OpenGL底层渲染API。本文所介绍的虚拟校园以宁夏师范学院校园作为应用实例，通过OSG及其三维仿真平台来实现校园的实时漫游与导航。
1基于OSG的校园漫游与导航系统设计的研究内容
本文基于研究宁夏师范学院设计的虚拟校园漫游与导航系统，该基于OSG的三维校园漫游与导航系统的简单开发，可实现一些基本功能。包括：对于三维数字校园模型的选择，校园场景的移动、旋转、缩放，并实现了校园场景的道路漫游、飞行漫游、建筑室内漫游。还完善了信息查询功能可以实现通过查询教师姓名寻找其所在建筑物的功能，为用户提供了简单的寻路功能。在此基础之上模拟了手机GPS导航的效果，为以后三维数字校园系统在手机中的应用奠定了一定的基础。
2基于OSG的校园漫游与导航系统设计的关键技术
本虚拟校园主要研究以下功能：
虚拟校园模型：主要通过osgEXP插件将在3DMAX中处理好的模型保存为IVE后缀格式，并利用OSG的读取函数将模型加载到场景中，其中包含教学楼、宿舍楼、树木、路灯以及车等模型。
二维导航模块：OSG结合HUD（Heads Up Display）技术来实现该模块，二维导航图可以准确的确定用户所在的位置，以便更好的浏览校园。
交互控制模块：主要是响应鼠标和键盘的消息响应，实现在虚拟校园中各种方式的漫游等功能。
自然环境控制模块：该模块主要是在虚拟校园中实现，场景的环境效果对虚拟校园的真实感和逼真感有着很重要的作用。
音效模块：该模块运用osgAudio开源场景声音库来实现，三维虚拟声音能够提高虚拟环境的沉浸感。
碰撞检测模块：该模块提出了一种新的解决方案——基于空间划分和线性规划的快速碰撞检测算法。
空间划分法将整个三维空间划分为规则单元格，并将实体划分入不同单元格内，最后只对占据同一单元格的实体进行相交测试。典型的空间划分法有八叉树法和二叉空间剖分法以及均匀网格法。线性规划法是对多面体间的相交查询计算的一类数学优化方法，不同于传统几何计算问题，我们可以将多面体看成是多个半空间的交集，而多面体的布尔相交测试则等价于线性规划的可行性问题。
该研究旨在结合空间划分法和线性规划法，综合发挥二者的优势，提出在碰撞检测的粗略检测阶段，通过将空间按照一定的规则划分为一系列子空间，然后只对处于同一子空间内的物体进行精确检测，缩短计算时间，以提髙多物体碰撞检测的效率。
场景建模模块：该模块采用了Skeptchup建模软件和OSG图像宣染引擎相结合的建模方法，Skeptchup软件在建筑建模、植物建模及其他建模等方面发挥了重要作用，而OSG对搭建天空模型和环境渲染方面也起到很好的作用。
漫游系统的设计，首先包括基于OSG模型加载的方法、天空弯场景的实现、基于OSG粒子系统的光照、天空、雨、雪及雾等自然环境效果的模拟等，使得虚拟校园漫游系统具有真实感和更好的沉浸感。
3 基于OSG的校园漫游与导航系统设计框架
在设计漫游系统的总体框架时，本文将整个系统分解成三个模块，分别为：用户与场景的交互模块，三维真实场景的虚拟建模模块，虚拟场景漫游模块，这三个模块独立运作，通过数据接口相互联系。
（1）真实校园的虚拟建模
首先真实校园的虚拟建模问题，目前基本的建模方法还是采取基于几何的建模技术，该技术可以在计算机图形软件中搭建一个类似的虚拟场景，通过搭建基本的外形轮廓和在轮廓表面贴上纹理图片，再在灯光摄像机等辅助下实现虚拟场景的场景遣染。而目前市面上流行的三维建模软件为Sketchup，3D Maxs，AutoCAD等。为了建模的效率还有模型的质量，本文采用这类建模方法，再通过这类建模软件把建好的模型转换成系统所支持的格式。
采用选好的建模软件后，对场景中的模型建模，需要分为两个步骤：首先利用建模软件的基本几何搭建方法，搭建场景中的建筑物，草木，道路等模型的粗模，然后对粗模进行细节设计，雕饰模型表面的窗户，阳台，台阶等。然后直接在建模软件材料库中搭配合适的纹理图片，给建好的窗户配上玻璃，门配上木材，亦可以就现场采集建筑物，草木的纹理照片，直接在模型表面贴图，再在这类软件中，添加灯光，摄像机等辅助设备，以实现场景逼真的效果。
（2）虚拟场景漫游及交互
搭建好了模型，需要对模型作进一步的处理，首先需要把该模型导入已经配置好的环境系统，在系统中让整个模型动起来，完成现场的漫游。而模型能够显示出来，还要实现能够实时参观场景中各处景观，这个需要系统提供的程序来完成场景的游览与切换。
所有的漫游过程都与场景发生了交互作用，本文在系统框架阶段对于用户与场景的交互模块中还提出了环境控制功能，通过对粒子系统的运用和雾化效果的使用，实现雨雪，大雾等天气的变换。
4 結语
虚拟现实技术在现有计算机技术的发展下，正越来越受到研宄者的关注，未来该技术必将还有一个大的革命突破，本文在现有技术上，设计实现了昆明理工大学校园漫游系统，并在三维渲染引擎（OSG）下实现交互漫游，也完成了环境渲染、碰撞检测、路径漫游等功能，本系统在校园网站得到应用，其运行结果基本达到了设计要求。
参考文献：
[1]邱有春.虚拟校园场景建模和漫游系统实现[D].成都：电子科技大学硕士学位论文，2009.
[2]张峰.虚拟校园漫游系统的研究及实践[D].西安：长安大学硕士学位论文，2007.
作者简介：
罗晓丽（1990.04--），宁夏省固原市，硕士研究生，专业：计算机技术，单位为宁夏师范学院。