三维虚拟校园设计
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1 绪 论
1.1 论文选题背景与意义
1.1.1 本文选题背景
在如今一个网络化高速发展的年代，计算机科技逐渐改变着人们的生活。本文正是以虚拟建设技术最前沿的技术为基础，探讨关于这种新型科技在社会生活中实际应用。随着全球化的不断进展，不同地区的人们之间的联系越来越多样化，因此人们需要的信息往往比较快捷，及时。地球概念的提出和成功实践，对现实大学校园的数字化和虚拟化，即对虚拟校园的研究与构建也越来越多，前景也越来越广。正是在这样的前提下，本文联系到与大学校园有关的内容，探讨有关三维虚拟校园的设计任务。
虚拟校园(virtual campus)是基于地理信息技术、虚拟现实技术、计算机网络技术等高新技术，将校园地理信息和其他校园信息结合，以三维虚拟可视化境界面实现校园景观、校园信息的浏览、查询，并可连接到到计算机网络，提供远程用户方便访问的一个新的校园空间。这个校园空间是利用虚拟现实技术建立起来的，所以它也有虚拟现实技术的一些特点--沉浸感和交互性，即用户能体会到计算机带来的真实感。从而对校园进行更真实的观察和访问。
1.1.2 研究的意义
国家教育部多次涉及提到了虚拟校园的建设，阐明了虚拟校园的地位和作用。
建设虚拟三维数字校园可以比较直观的了解校园的各个区域，在这个三维的校园里，给用户以逼近真实的视觉理解和感知，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉，其中的各种办公楼、食堂、道路及绿化地带和植物，都栩栩如生的呈现在人们的眼前，三维虚拟校园模拟现实世界，提供了一个生动的校园空间。三维虚拟校园用途广泛：可直接嵌入到大学的网站，直接通过网络察看，丰富其人性化的信息查询功能，有效提高大学的知名度，有助于大学的宣传和信息的集中和互动。三维虚拟校园的直观特性，可以便捷领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够更全面的掌握。虚拟现实技术应用在数字校园中，使用计算机技术来生成一个模拟的三维校园景观，并赋予其可控性，让浏览者可以与这一虚拟客体进行交流，是体现校园风貌、特色和实力的标志，其主要核心是帮助校园推广、宣传，招生等方面的要，主要通过以下几个方面体现：
（1）更直观的呈现方式，利用三维成像技术将学校直接呈现在观察者面前，而这只要使用者在联网即可。
（2）更先进的呈现手段，随着多媒体网络的发展，每一个用户都可以通过互联网体验到这种先进的技术，再者管理者更轻松，便捷的管理。提高了管理效率，同时满足了用户的需求。
（3） 最便捷的编辑工具，本文利用Google Earth 影像为数据源，以 Sketchup 为三维建模工具，其数据来源快捷准确，操作软件简单快捷。两者的有机配合更是为建设虚拟校园提供了更高的效率。
综上所述：以Google Earth 和 Sketchup 为三维建模工具实现的虚拟校园有更广的发展前景，更实用的发展品台。
（4）更光广泛的应用前景，众所周知谷歌是世界上最流行的网络巨头之一，随着谷歌对虚拟产业的关注，三维虚拟产业也将会有更好的前景。
1.2.2虚拟现实技术国内研究现状
网络虚拟校园已在国内许多地方都有成功的例子，哈尔滨工业大学、湖南大学、北京大学、中南大学、西南交通大学、中国石油大学等多所高校，都已采用VR技术建设了虚拟校园。大学对每个上过大学的人来说是有着特殊的，不一样的感情，在大学生活过的人都知道，大学生活给每一个学生留下了最美好的回忆。大学校园的学习氛围、校园风景，文化底蕴对人的教育有着非常深远的影响。我们生活过，娱乐过，学习过的教学楼更是每一位学生在大学时代难以忘怀的美好回忆。教室、食堂、图书馆这些学校的标志性建筑，以及校园内的每一寸风景树木都在影响着每一个人。这些都是人们从书本中难以得到的。VR技术的应用和网络技术的发展，使我们可以更亲近，更逼真的体验校园环境，即使不在校园，远在天边，也能面对面真实的感受到身临其境的感觉。因此虚拟校园成了VR技术与网络在教育领域最早的应用。当前的虚拟校园主要功能是满足浏览功能以及查阅功能等，但是在不久的将来将会有更强大更灵活的功能。让使用者能身临其境的感觉未来，能亲眼目睹随着网络科技的不断进步与创新，在未来我们肯定能对VR技术进行更广泛的应用与研究。
1.3本文主要内容
本文以商丘师范大学的环境与规划学院设计为研究对象，通过最普遍的应用型软件Google Earth 与最便捷的三维建模软件 Sketchup（草图大师）建立起三维虚拟校园。并详细给出其中主要运用的方法和技术，并作详细介绍。以及对这些技术提出的改进和对未来的展望。希望这种应用型软件Google Earth和三维建模软件 Sketchup（草图大师）能在将来的使用中不断改进和完善。
主要包括内容如：国内外研究状况，三维建模软件 Sketchup（草图大师）和应用型软件Google Earth的结合方法，这种方法研究的意义与前景； 三维虚拟校园建设理论基础；Google Earth 与 KML；建模软件 SketchUp ：对此种方法提出的建议以及对未来的展望。
将虚拟技术引入到现代校园建设中，变出现了三维虚拟校园技术。这种以虚拟技术为基础的虚拟校园有许多优点：有多感知性（及多种感官系统感知）；临场感（及现场的感觉）；构想感（用户不单单的以平面，可以更多元化的观察）。三维虚拟校园的建设方法有很多种，其中各有各的特色，但是就虚拟校园建设的快捷，简单，方便来讲。本文以三维建模软件
Sketchup（草图大师）和应用型软件Google Earth的相互配合，充分体现高效快捷的主题。本文以虚拟现实技术的理论为依托，快捷的空间数据资源获取，借助强大的建模功能软件
SketchUp，与最便捷的三维展示平台Google Earth，完美的生成此套设计方法。下面对涉及到的理论部分进行简述。
2.1.2虚拟现实语言KML
Google Earth 中的标注都是通过 KML 来描述的。KML 是一种文件格式，用于在地球浏览器（例如 Google 地球、Google 地图和谷歌手机地图）中显示地理数据。
KML 被 Google Earth viewer 显示的过程和 HTML 网页被浏览器处理差不多，而且和HTML一样，KML也使用一种基于标签(名称和属性)的语法格式来描述地里标注信息，可以说，Google Earth viewer是一个 KML文件浏览器。可以通过以下几个方式编写 KML：
1.使用Google Earth client 撰写KML文件：
2.使用文本编辑器：
3.使用开发环境来自动生成 KML文件：
3 虚拟校园的设计与实现
3.1基本数据
基本数据是指建设虚拟建筑时所需要相关建筑的空间地理位置，空间高度，以及跟周边环境的相互关系和地理位置。本论文主要以讨论虚拟校园建设，校园空间基本数据是指所属地区的主要建筑物空间数据，包括空间位置，实体高度，方位和建筑纹理等。这些数据是构成三维立体建筑最基础不可缺少的资料。
3.1.1 建筑物、地物影像获取及处理
获取目标建筑物或者地形物的高清影像图，需要高精度数字地图。但是由于缺乏精确的CAD底图以及其他方式的高清晰影像，不能获得到相对精确的资料，更无直接参考的地形图。因此校园基础数据主要来源于卫星影像图，而 QuickBird、SPOT这些卫星遥感的高精度影像需要购买，并且价格昂贵，所以本设计采用 Google Earth 正射影像。这种影像虽然精确度不高但是建筑物平面数据包括的建筑物外围轮廓，周边环境，地物地貌等基本上足够满足使用者的使用要求，部分地区最精确已经能达到0.61m的高清影像精度。所以综合这两方面考虑，Google SketchUp的优越性就显露无疑了。
将图片导入SketchUp步骤：
在SketchUp中点击“添加位置”按钮，选定商丘师范学院，长按鼠标拉选整个校区，然后点击“选择区域”，影像就会保存在 SketchUp 文件中，选择打开保存的文件作为底图。然后选择另存为”，选择路径，将底图保存为 Skp 文件，待模型建立好以后直接导入。
3.1.2建筑物的高度数据
建设三维立体虚拟校园，必须获得相应建筑物高度数据。
经过实地测量与调查，本文中高度采用（3）（4）结合的方法得知环境与规划学院楼建筑物高度为12 米。
3.1.3建筑物及地物纹理数据
卫星影像数据只能获得建筑物顶端纹理，但是对于建筑物四周和环境纹理却由于位置限制不能得到，所以必须利用数码相机进行数据现场采集。屋顶纹理借助Google Earth获得，商丘师范学院
3.2.1建筑物平面图生成
由于直接在底图上建模比较麻烦，所以对底图进行矢量化处理就相对简便了处理步骤。我们借助CAD软件进行处理，对数据进行矢量化处理，即可得到平面图。
地形平面图的处理与建筑物平面图的处理类似，都是首先获取卫星影像数据，然后进行矢量化。生成要的平面图。
地物平面生成：
构建虚拟校园的数据采集完毕之后，下面进行虚拟模型的建立和渲染。最后展示在Google
Earth 中。
Google Earth 中三维模型建立的方法
以环规系楼为例，展示应用 SketchUp 设计建筑物三维模型的具体过程。
(1)打开SketchUp 软件，设置合理参数，将谷歌地图导入SketchUp，生成全新平面图。去除周围无关建筑。根据SketchUp功能软件提示做出所需建筑物周边闭合平面图。如图 3.2所示
(2)利用SketchUp 的拉伸工具，在高度上维拉3000mm。这是一层的层高高度。根据现场拍摄的照片等资料，绘出建筑物表明纹理所需的门窗等细节。由于每一层可能各不相同，所以在绘制完成后要对整栋建筑模型进行结合实际修改。
模型建立完成后，打开对应卫星图，选择：“文件”的导入命令，把设计完成的模型导入相应的影像图中，通过平移，缩放，旋转等命令按钮，将建筑模型摆放在最精确的位置上。
命令功能截面图如下图3.5所示：
3.3三维模型的渲染
三维模型的渲染是指纹理贴图的过程，纹理贴图的含义在是建模中通过对物体对象进行
贴图，使物体本身更接近真实物体的效果。
3.3.1纹理贴图
建模中最关键的环节就是纹理贴图，这直接将影响到最后生成场景的质量。对生成逼真的三维场景十分重要。
SketchUp 中SketchUp 提供了强大的纹理映射功能。按照使用要，贴图分为三种：普通贴图、包裹贴图、投影贴图。
3.4.1 导入并制作地标文件
要将设计的模型导入进Google Earth中，要加入相应建筑物的说明。作商丘师范大学图书馆为例展示地标文件的制作过程。
在谷歌earth中选择添加命令，点击地标，在地标栏中输入商丘师范学院环规楼。并可以根据需要设置自己想要的地标符号。也可以输入简单的介绍内容如下图3.6。
3.4.2 校园数据的发布与共享
完成地标制作后，按照上述的摆放方法正确摆放建筑模型，就完成了从Sketch Up 中输出三维校园模型到Google Earth上所有步骤。
4.1本篇论文结论
本篇论文以 Google Earth 影像为数据源，使用 Sketchup 为三维建模工具，建设成的虚拟校园具有成图快，效果清晰明显，相对于其他建模方式有着较大的优势。因此这种方法未来的使用中，有很好的前景。通过对本论文的长期探讨和研究，得到以下收获：
