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基于OSG的虚拟校园漫游系统的设计与实现


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计算机技术与发展

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V0d.19 N‘).1 Jan. 20(19

基于OSG的虚拟校园漫游系统的设计与实现
温转萍,申闰春
(北京信息科技

大学,北京100192) 摘要:基于∞G实现了北京信息科技大学北京机械工业学院的校园漫游系统,可以以多种方式和路径漫游实现自动和
手动漫游,并且可以设定背景特效,具有场景定位功能。结合OSG技术阐述了其系统功能结构及关键技术,提出了针对漫 游系统在建模中容易犯的错误,并且讨论了oSG编程过程中出现的内存泄漏问题的解决方法等。
关键词:asG;虚拟校园;校园漫游;系统仿真;虚拟现实 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2009)Ol一0217—04

Design and Implementation of Visual Campus Ramble

System Based
WEN

on

OSG

Zhuan-ping,SHEN Yan—chun

(Beijing Information Science&Technology University,Bdjing 100192,China)

Abs订嘣:m visual campus ramble驰叽for Beijing Information Science&Technology University’s
implemented hssed OSG
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campus;e卸mpus ramble;system simulaticn;visual reality

O引

拟校园漫游系统,本系统以北京信息科技大学机械工 业学院校区作为实例,通过Open
Scene

虚拟现实技术被认为是一项神奇的技术,对于现 在很多人来说已经不是一个陌生的名词,它已经广泛 应用于科学计算可视化、广告宣传、建筑设计、军事模 拟、视景仿真等领域。虚拟场景实时漫游是虚拟现实 技术的一个重要应用,因为它具有实时交互的特点,而 且没有制定具体的路线,人们可以在虚拟的环境中自 由地行走,不受时间、空间的限制,达到真正意义上的 交互。该技术被各个行业单位作为对外宣传与交流的 重要手段,尤其是大学校园虚拟漫游系统的应用越来 越广泛.通过虚拟漫游系统可以足不出户而身临其境 地畅游校园,并且在浏览过程中可以随心所欲地从不 同角度、不同方向看到整个校区的面貌…1。 很多高校已经通过VRML、Vega等实现开发了虚
收稿日期:2008—04—15 基金项目:科技部科技型中小企业技术创新基金项目(bt2006—50) 作者简介:温转萍(1982一).女。山西平遥人,硕士研究生,研究方向 为流媒体技术.虚拟现实及仿真技术;申仁I春,博士后,副教授,研究 方向为虚拟现实与系统仿真技术,网络多媒体信息技术,流媒体技 术,计算机动画与模拟仿真技术。

Graph(简称

OSG)及其三维仿真平台…来实现校园的实时漫游,北 京信息科技大学是原北京机械工业学院和原北京信息 工程学院经过多年筹建合并而成,该校园的虚拟漫游 便于对于新学校的建设、评估和宣传.该系统仿真度 高、细节丰富、操作简便,能够给人们以最直观的展
示[2?3I。



系统设计
本系统是对北京机械工业学院进行数字化采集,

得到其数据,然后通过三维建模构建大型场景,最终实 现虚拟场景的实时漫游。 (1)系统主要分为漫游路径选择、校园场景定位、 特效背景设置三个功能模块。 漫游路径选择模块:可以通过该模块选择漫游方 式及各种漫游路径,比如以某路径自动漫游校园,或者 以开车模式或飞行模式手动漫游校园等等; 校园场景定位模块:可以通过该模块对学校的各 种建筑场景进行定位浏览或生成鸟瞰图.比如选择定

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第19卷

位图书馆,系统便会自动定位到图书馆的位置,可以以 此处为起点自由漫游或定位浏览; 特效背景设置模块:可以通过该模块添加关闭背 景音乐,或添加雾效、阳光等环境天气特效,令漫游有
更完美的视听效果。

舍占地面积约13.6万平方米。主要建筑有15处,整 个校园的结构如图1所示。


地形I I墙饬I I地辘

(2)系统开发具体主要包含如下几个部分。 场景建模与优化:利用Google Earth工具进行卫 星航拍,以学校门口的地图为参考依据,收集相关实体 的结构数据以及大量的照片,对校园实体进行实体建 模。同时兼顾光照、纹理、材质等多方因素。建模通过 使用3ds Max以及SkrtehUp软件完成。在建立场景 数据的基础上,对大场景进行优化【4】。 建立三维场景模型:利用基于OSG技术开发的软 件三维仿真软件进行编辑并导出三维场景模型。当将 场景模型导入3dvri软件中进行编辑,主要是进行摄影 机的路线校正,以及天空盒的创建还有镜头光斑的设 置等,最后将场景文件保存为ive格式的文件u.5 J。 实现实时漫游:基于0SG技术,在Microeoft
al Studio.NET Visu.

囱由睦
教 学 接

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图1校园场景层次图

辜{道 紧i路

1.1.2场景模型的优化

对于初次接触可视化仿真建模者来说,最大的愿 望就是创建初惟妙惟肖、以假乱真的三维模型,总是试 图追求场景真实可信、使人身临其境,而很少考虑为此 可能要付出的各种代价。当然,这种要求和动机都是 无可厚非的,但是对于可视化仿真应用而言,最关心的 并不是模型的本身在建模软件环境中的“离线视觉效 果”(即非实时的可视效果),而是所创建的模型数据库 对实时系统的有效程度。需要指出的是,场景模型数 据库越大并不意味着会取得越好的仿真效果,然而模 型数据库拥有优良的实时性能却常常意味着可以运用 更多的建模技巧,添加更多的模型对象来创建更加丰 富、逼真的可视化虚拟场景[6t 71。 因为模型数据库最终还要通过实时系统进行调用 和检验,实时仿真系统会以每秒30次的频率对模型数 据库进行各种计算、遍历和渲染,在对虚拟场景中所有 的物体进行准确重绘的同时还要时时响应各种外部输 入的信息。所以必须象重视构建模型本身一样重视对 模型数据库的调用和优化…。
1.2实时漫游实现
1.2.1

2003平台下开发的一个基于加陀的演

示窗口,实现虚拟校园的漫游功能。
1.1建立场景模型

实体建模通过数据采集、确定模型的层次结构、进 行可视建模、去除冗余、使用纹理等步骤完成,但对于 实现漫游这一特定目的要注意建模中常出现的问题: (1)过分强调细节。 一般来说,模型的细节程度是影响其逼真的重要 因素之一,细节程度越高,模型越逼真。但是,建立模 型的目的是为了给虚拟现实系统创造一个虚拟环境, 并在其中实现漫游等特定任务。因此在建模时还需要 考虑到整个系统的综合性能。如果在建模时过分强调 细节,对于所有结构和表面特征都采用多边形来实现, 而忽略了场景数据库整体结构的优化设计,不仅会使 工作量骤然增大,而且可能导致整个漫游系统的运行 速度下降,性能降低。因此。在建模过程中一定要有整 体观念,意识到模型细节和系统性能之间的相互制约 性,不可盲目追求真实而无限细化模型。在系统构建 中,可将实体进行细致建模,其余采用纹理映射技术。 (2)实体拼接组合的位置关系不正确。 许多物体不是用一个简单的几何形状就可以描 述,它们常常是由多个实体拼接而成的。但是并不是 简单的搭积木,如果拼接组合的位置关系不正确,在漫 游时会产生模型的局部闪烁的现象,严重影响漫游视
觉效果。 1.1.1校园场景层次结构

内核功能实现

对三维模型浏览。要设计自主风格的浏览器,必须 定义自己的类,来继承OSG中提供的接口中的许多方

法,主要为魄P幽r接FI中的类。其中osgProduc.
下的几个操作。需在MFC中用到它,就得将它继承下 来,然后重载其成员函数来实现。在该系统中,重装载

er::Viewer是一个普通功能的浏览器,只实现了D()S

了它的setUpViewer函数,该函数设置浏览器的初始
状态,以实现不同漫游方式。

对于漫游,在OSG中主要是利用摄像机控制类来 实现,主要控制摄像机的各种拍摄操作,包括前进后退

北京机械工业学院校园面积约15.7万平方米,校

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温转萍等:基于()双;的虚拟校园漫游系统的1“计与实现

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左右移动等等,不同的摄像机,对应不同的摄像机控制 类。摄像机的各种运动主要是通过它的矩阵变换实现 的。方法为: (1)计算并设置摄像机的位置和方向,位置和方向 都是由位置向量和方向向量定义的。要改变它们,就 得对它做矩阵变换。 (2)计算摄像机初始位置,在程序初始加载时,都 要计算一下摄像机的初始位置,如果不计算初始位置, 程序运行时可能就会将场景显出在视口外面,从而在 屏幕什么都看不到了。 (3)添加鼠标事件,在漫游中要用到鼠标控制,因 此必须计置添加鼠标事件来接收鼠标控制消息并作以 响应。 (4)设置摄像机高度。
1.2.2

erfl的一个成员对象.要获取Reltder Surface对象l可以 使用Csllqel"8对象的getRenderSufface()方法得到,该函 数返回~个RenderSurface*的对象指针。
1.2.4

内存泄漏问题解决方案

一般用户在面向对象编程中,使用new运算符刨 建对象实例之后,没有及时用delete运算符释放对象, 而造成部分内存空间被浪费的后果,也就是所谓的内 存泄露错误。 由于a沁中与场景图形有关的大多数类均派生 自Referenced类,因此oSG大量使用了智能指针来实 现场景图形节点的管理。在aSG中,智能指针的概念 指的是一种类的模板,它针对某一特定类型的对象(即 Referenced类及其派生类)构建,提供了自己的管理模 式,智能指针的使用为用户提供了一种自动内存释放 的机制,即,场景图形中的每一个节点均关联一个内存 计数器,当计数器的计数减到零时,该对象将被自动释 放。而用户如果希望释放整个场景图形的节点的话, 则只需要删除根节点,根节点以下的所有分支节点均 会因此被自动删除,不用担心内存泄露的问题。

oSG场景渲染

一个场景图形系统可以允许程序保存几何体并执 行循环的绘制工作,此时所保存于场景图形中的几何 体信息以OpenGL指令的方式发送到硬件设备上。但 是,这种执行机制无法实现许多特性【9】。为了实现动 态的几何体更新、拣选、排序和高效渲染,OSG场景图 形提供的不仅仅是简单的循环绘制,事实上,有三种需 要遍历的操作: (1)更新:更新便利(有时也称作程序遍历)允许程 序修改场景图形,以实现动态场景。更新操作由程序 或者场景图形中节点的回调函数完成。例如,在飞行 模拟系统中,程序可以使用更新遍历来改变一个飞行 器的位置,或者通过输入设备来实现与用户的交互。 (2)拣选:在拣选遍历中,场景图形库检查场景里 所有节点的边界体积。如果一个叶节点在视口内,场 景图形库将在最终渲染列表中添加该节点的标志。此 列表按照不透明物体与透明物体的方式排序,透明体 还要按照深度再次排序。 (3)绘制:在绘制遍历中(有时也称作渲染遍历), 场景图形将遍历由拣选遍历生成的几何列表,并调用 底层的API,实现几何体的渲染【1 0J。
1.2.3

要注意的是使用Ⅸ好的智能指针,需要满足以下
两个条件: (1)用户的类必须派生自Referenced类,这样才能 使用与其自身关联的内存计数器; (2)使用智能指针模板osg::ref—ptr<class T>来 定义类的实例,当用户使用该模板定义实例时,内存计 数器即被启用并加一;同理,当ref—ptr模板超出其生 命范围时,类实例的内存计数器将被减一,如果减到零 则对象自动被释放。 1.2.5碰撞检测 在虚拟漫游中要使用户具有沉浸感,实现碰撞检 测是非常必要的。本系统采用基于视点向前的线段探 测【.7J的碰撞检测算法。 OSG中提供了osg::LineSegmen,一个包含一个起 点和一个终点的线段类;osgUtil::IntersectVisiotr是一 个接受线段的类,用于判别与节点的交集,其中的函数 addLineSegrnent(1ine.get())用来添加一条线段到列表 当中;osgUtil::IntersectVisitor::FlitList可以得到相交 点的具体位置,从而计算出距离。
1.2.6文字标注

0SG嵌入到腻

Q沁不能直接嵌入Ⅶ陀窗口,得需要摄像机类 来支持,它使用Producer接口来实现Ⅶ陀方面的
GUl。

Producer接口中有一个叫Camera的相机类,摄像 机内部有个叫Render Surface的渲染面,该渲染面就相 当于计算机的屏幕。摄像机所摄影像就投放在该面的 投影矩阵中,因此要设置显示窗口大小就可使用Ren.
der

为方便漫游和快速定位,漫游系统一般会在场景 中用特大醒目字体标注各主要建筑,如图2所示。 通过控制摄像机方向的方法来标注功能,所标注 的文字即text必须总是朝向屏幕,可通过setAxis-

Surface来设置,要将()sG窗口嵌入到MFC中,也

AIignment(oe,gText::Text::溉EN)(即摄影机对
齐),同时如何将该text放置在目标位置上也是一个有

同样用Render Surface来设置,Render Sdflce是Cam.

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待解决的问题,其在屏幕中位置用makeTranslate(x,Y, z)来设置,其中参数为x,y,z,分别为三个坐标轴上的 坐标,即text在空间的具体位置。这是一个十分繁琐 的过程,因为现在不能得到场景中模型的原点位置的 坐标函数,所以只能通过不停的试验来逐步逼近目标 位置。

联沿编程过程中出现的内存泄漏问题等,使漫游系统 无论从界面还是底层都很完善,方便操作,仿真度高, 令虚拟现实技术在实际应用中获得了较好的效果。
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图2视景效果

的实现[J】.计算机与信息技术,2006(7):28—30. [8]丁建浩,王毅刚,潘志庚.采用大屏幕投影系统的虚拟河坊 街漫游[J].杭州电子科技大学学报,2005,25(1):56—59.

2结束语
对基于虚拟现实技术的虚拟场景漫游系统的设 计、实现进行了研究,总结了漫游系统的开发方法和流 程,并在通过OSG及其三维仿真平台实现了场景较为 复杂的北京机械工业学院虚拟校园漫游系统,讨论了 针对漫游系统在建模中容易犯的错误,并且解决了

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(2):263—267.

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?■—?叫--——-—卜—-●-?叫卜?—卜——卜—-+—-■—?■—-——-■--■-?-+-?■--■—-叫—-■—--●—-+——●——■—-—卜——+—?■-?■一?叫—-■—-■—-叫—?■-?——??+?-—卜——+?-■--■—-叫—?—卜—-+-?-卜——+—-+?■-?+ (上接第216页)

格变化趋势进行模拟预测,取得了较好的效果。与利 用静态BP网络进行预测相比,有更高的精度和收敛 速度。实验证明,利用Elman网络实现股票价格预测 是可行的,是一种具有发展前景的预测方法。
参考文献: [1】高钦和,王孙安.基于Elman神经网络的非线性动态系统
皋帽警定面0s卅£区徭

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东风汽车50日内收盘价预测结果图

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的波动性和不确定性,建立了一种基于改进型Elman 神经网络的股价预测模型,并利用GA的寻优能力对 网络结构和权值进行优化。应用该模型对东风汽车价

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基于OSG的虚拟校园漫游系统的设计与实现
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 温转萍, 申闫春, WEN Zhuan-ping, SHEN Yan-chun 北京信息科技大学,北京,100192 计算机技术与发展 COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT 2009,19(1) 7次

参考文献(10条) 1.陈勇;马纯永;陈戈 基于VC/OpenGL的虚拟海大校园导航系统[期刊论文]-计算机辅助设计与图形学学报 2007(02) 2.丁建浩;王毅刚;潘志庚 采用大屏幕投影系统的虚拟河坊街漫游[期刊论文]-杭州电子科技大学学报 2005(01) 3.桂琳;殷宏;王金虎 虚拟校园环境的构造及漫游系统的实现 2006(07) 4.Hubbard P M Collision Detection for Interactive Graphics Application 1995(03) 5.Bow man D A;Kruijff E;LaViola J 3D user interfaces:theory and practice 2004 6.李小青 基于MAX脚本和OSG的树木可视化算法研究与实现[学位论文] 2006 7.李辛沫 基于VRML的五邑大学虚拟校园漫游系统[期刊论文]-五邑大学学报(自然科学版) 2004(02) 8.龚建华;林珲;谭倩 虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验[期刊论文]-测绘学报 2002(01) 9.施仁奈;徐波 OpenGL编程指 2006 10.申闫春;朱幼虹;曹莉 基于OSG的三维仿真平台的设计与实现[期刊论文]-计算机仿真 2007(06)

本文读者也读过(10条) 1. 申闫春.朱幼虹.曹莉.温转萍.SHEN Yan-chun.ZHU You-hong.CAO Li.WEN Zhuan-ping 基于OSG的三维仿真平台 的设计与实现[期刊论文]-计算机仿真2007,24(6) 2. 鱼江海.占怡 基于OSG的三维场景构建[期刊论文]-黑龙江科技信息2010(1) 3. 程菊明.李梅莲.刘连芳.CHENG JUMING.LI MEILIAN.LIU LIANFANG 虚拟场景的管理及其在OSG中的应用[期刊论 文]-微计算机信息2008,24(6) 4. 陈奎.王毅刚.晏福兴.CHEN Kui.WANG Yi-Gang.YAN Fu-Xing 基于OSG的混合系统三维仿真技术的研究与实现[期 刊论文]-计算机系统应用2010,19(5) 5. 闫晓东.YAN Xiao-dong 基于OSG的飞行视景仿真平台开发[期刊论文]-计算机仿真2008,25(5) 6. 万定生.徐亮.Wan Dingsheng.Xu Liang 基于OSG的水利工程三维可视化系统研究与应用[期刊论文]-计算机与数 字工程2009,37(4) 7. 张艳丽.谭同德.赵新灿.郭志敏.ZHANG Yan-li.TAN Tong-de.ZHAO Xin-can.GUO Zhi-min 基于OSG的虚拟化学实 验平台的构建设计[期刊论文]-计算机工程与设计2010,31(12) 8. 高文广.孙继银.刘浩.GAO Wen-guang.SUN Ji-yin.LIU Hao 基于OSG的镶嵌式三维仿真平台的开发[期刊论文]无线电工程2010,40(3) 9. 张颖超.邹丽萍.刘佳.ZHANG Yingchao.ZOU Liping.LIU Jia 基于OSG和粒子系统的雪效仿真[期刊论文]-南京信 息工程大学学报2010,2(2) 10. 华文元.王家润.康亮.聂芸.HUA Wen-yuan.WANG Jia-run.KANG Liang.NIE Yun 基于OSG五维气象可视化软件的 设计及实现[期刊论文]-计算机工程与设计2009,30(5)

引证文献(7条) 1.常琳林 基于OSG的体育场馆三维展示系统[期刊论文]-电脑知识与技术 2012(12) 2.张彤.王大虎 基于OSG的虚拟校园漫游系统的设计与实现[期刊论文]-计算机时代 2011(6)

3.刘巧红 基于Vega的虚拟校园天气特效视景仿真研究[期刊论文]-信息技术 2011(7) 4.卜雷 塔式起重机的虚拟场景浏览与实现[期刊论文]-湖北工业大学学报 2011(4) 5.孙乐丰.董云峰.马俊 基于OSG的卫星运行数据可视化仿真实现[期刊论文]-硅谷 2010(3) 6.高文广.孙继银.刘浩 基于OSG的镶嵌式三维仿真平台的开发[期刊论文]-无线电工程 2010(3) 7.李露.陈定方 基于OSG的粒子系统特效控制的研究[期刊论文]-湖北工业大学学报 2009(4)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wjfz200901061.aspx


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