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基于虚拟现实的智慧校园三维可视化平台

发布时间:2023-03-20

编辑人:灵图互动

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1. 平台背景

虚拟现实是一项覆盖计算机图形、仿真操作、人工智能等学科的综合技术,其目的是用计算机生成一个逼真的三维可视化世界,给观众以如同真实世界的体验。虚拟现实技术在军事模拟、工业仿真、智慧校园、智能建造等领域已得到广泛的应用。随着计算机技术的发展,结合虚拟现实技术,还可以实现智慧校园中的三维可视化仿真,虚拟现实技术在智慧校园的三维可视化综合管理、能源综合管控方面,可提供高度逼真的视觉场景。

基于虚拟现实的智慧校园三维可视化系统

2. 场景建模

2.1 建筑物三维可视化

智慧校园三维可视化平台在校园综合布局的基础上,对整体校园进行测量,绘制各建筑物的位置尺寸信息,同时通过倾斜摄影等技术手段,获取对应建筑的综合三维信息。根据获取的三维可视化数据,在虚拟现实软件中,进行三维场景搭建,形成一套完整的建筑三维可视化系统。

以学校教学楼建模为例,大部分教学楼结构比较规则,在建模软件中,只要做好截面图,并设置对应的高度和材质,就可以做出教学楼的基本外形。同时为了保证场景的真实性,可在模型外部进行对应贴图处理。

建筑物三维可视化

2.2 地形三维可视化

地形模型是整体场景的主文件,需要在虚拟现实软件中创建一个地形数据库。首先将扫描的高程数据转化为对应的三维可视化模型;然后考了要生成地形的面积和精细程度、地形范围、硬件配置等因素,在虚拟现实软件中采用地形转换模块,设置对应三维可视化参数;最后进行地形创建的计算。在智慧校园中,地形三维可视化处理一般有如下步骤:

地形三维可视化

2.2.1 地形的生成

采用虚拟现实软件的地形数据库模块,能实现面向三维可视化的三维地形,并能够完成批处理操作,生成逼真的地形表面,实现纹理映射。

首先进行地形原始数据描述,包括数字高程模型、文化特征数据及地表的数字正射影像数据。在场景构建过程中,首先要获得真实地形的高程数据。之后对高程数据进行预处理,用虚拟现实软件提供的多种转换工具转成其专用的三维可视化格式。

2.2.2 地面模型的建立

对模型逼真度要求不高的部分场景,可以直接导入三维可视化数据,快速生成地形、楼房、道路、水系、绿地等三维可视化场景。可以根据需要,利用虚拟现实软件完成精细模型的建立。

道路的三维可视化场景,根据需要可以给予新的特征数据,例如道路信息或者特殊模型。利用虚拟现实软件提供的专业道路模块,可以迅速构造出曲线超高、缓和曲线和竖曲线在内的三维可视化场景。

2.2.3 纹理的建立与映射

纹理是指映射到三维物体表面的二维图像。纹理映射技术可以极大降低场景的复杂性,实现逼真度和运行速度的平衡。

先进行纹理素材的处理。地形纹理素材的处理决定了地形的精细度,要将地形特征经扫描、图形定向、几何纠正及色彩矫正后才能形成的精确三维可视化模型。物理模型的纹理可以由平面图像软件通过处理完成。

再进行纹理映射。虚拟现实软件使用纹理贴图和修改功能,给对象赋予纹理,其中细节在于:在节点属性中加载的纹理,会被自动忽略纹理的压缩、放大过滤;纹理图片的装载要注意其排列顺序,以防止重复装入纹理,占用内存。

三维可视化系统纹理的建立与映射

2.3 天空三维可视化

在虚拟现实软件中生成天空,先创建一个天空环境,设置颜色和显示类型。同时虚拟现实软件中可以生成随时间改变的灯光。这样三维可视化系统会随着时间的改变而调整天空的明亮程度,形成逼真的可视化环境。

天空三维可视化

2.4 树木

三维可视化场景中的树木通常采用十字交叉面片树,分别映射相同的纹理,在不同角度总可以看到不同的树木效果。同时也可以采用广告板,每棵树都是一个竖立的、贴上树木图片的矩形面。图片除了树叶和树干,其他都设置为透明样式。广告板在实时漫游时会自动旋转,始终朝向观察视角的方向。

2.5 三维可视化场景层次关系的建立

一个三维可视化场景,其层次关系对视景系统的运行质量影响较大。适当的层次关系是提高系统实时性的关键技术。按照智慧校园地貌特性分布情况,对场景进行区域分割。

整个场景由光源、地形、道路和实体构成。这些实体所包含的元素基本相似,可以通过外部调用命令进来。如果实体中的树需要调整,只要选中树,则实体中的树就全部被选中,然后就可以对它们进行所需的操作。

3. 实时三维可视化展示和碰撞检测

3.1 实时三维可视化展示

整体三维可视化场景模型完成后,便可以导入到虚拟现实软件中进行实时展示。虚拟现实软件一般是实时视景仿真模拟驱动软件,用于环境渲染、视觉特性定义和场景描述。其包含多类可交互的可视化脚本,通过可视化操作建立三维场景仿真模型,并将其存放在应用定义文件中,然后应用程序就可以调用对应的函数库对已建好的三维可视化场景进行渲染驱动。

3.2 碰撞检测

为了增强三维可视化场景的真实感和逼真度,虚拟现实软件还可自定义碰撞检测功能。假设三维空间中有多个运动模型,随着时间改变位置和姿态,碰撞检测就是判断模型之间是否发生了碰撞。在具体操作中,可通过虚拟现实软件的碰撞检测工具,在不需要编写程序代码的前提下,可以通过设置物体中某个部分的参数来实现,从而达到碰撞检测的效果。


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