1 绪论
1.1 课题背景和研究意义
近年来随着科学技术的飞速发展，国家经济实力的提升以及社会对教育的愈发重视，高校不再仅限于对教学质量方面的追求，如今很多高校都致力于宣传校园文化建设，推广数字化、信息化校园的概念。但是学校想要提升知名度，让人们以直观的方式浏览学校景观和了解校园文化，仅靠学校网站、论坛等是远远不够的，而虚拟校园系统能够实现这些设想，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘等所不足以达到的。
虚拟校园漫游系统是数字化校园的一种体现，是虚拟现实技术在教育领域中的具体应用方式，它将计算机图形学和图像处理等技术相结合，打破了空间限制，在屏幕上创建一个虚拟可视化校园环境模型，并进一步实现漫游、人机交互等功能。虚拟校园漫游系统有校园文化宣传的功能，它构建了一条了解校园的新途径，使人们能够更加直观地认识校园，查询对校园中各建筑和景观的背景资料。系统的建立既能给学校树立良好的人文形象，提高学校的知名度，方便新生来学校前熟悉校园的整体规划，又能作为学校未来校园建设的辅助型工具，在对校内建筑物和环境进行改造时，为校园建设提供一个平台，可以在创建的虚拟三维校园中对学校整体环境进行全新设计。
与传统的平面数字校园相比，虚拟校园漫游系统不仅仿真了现实校园景色和建筑造型，而且能够真实再现整个校园内部活动。目前国内的很多高校都已搭建了虚拟校园系统，并以此作为展示校园文化的平台，取得了不错的效果[1]。随着教育信息化的不断发展，校园建设将趋于数字化、信息化，虚拟校园的设计对于数字校园平台的创建具有重要的现实意义。
........................
1.2 国内外研究现状
虚拟现实技术起源于上个世纪 50 年代的美国，可以说美国的虚拟现实技术代表了早期国际虚拟现实技术的发展水平。随着 1956 年第一台在系统中集成了体感设备的 3D 虚拟交互终端 Sensorama 的发明[2]，虚拟现实技术萌芽并开始探索性的发展，这也标志着 VR1.0 时代的开端。VR2.0 时代开始于上个世纪 90 年代，大量的数据随着信息技术的发展而产生，为了有效的感知、管理和利用这些大量的数据信息，人们开发了新型可视化技术，虚拟现实技术从此开始快速发展。1989 年，美国 VPLResearch 公司创始人 Jaron 创造了“Virtual Reality”一词[3]。 如今我们进入了 VR3.0 时代，信息技术特别是互联网领域快速发展，计算机软硬件能力的进步以及三维建模技术的成熟让人们对虚拟现实产品的体验得到不断加强，基于虚拟现实技术的研究和应用也不断加深。
我国从 90 年代起开始重视虚拟现实技术的研究和应用，最早涉及这一领域的研究单位有像北京航空航天大学、西安的虚拟现实工程技术研究中心等[9]。早期由于技术和成本的限制，主要应用对象为军用和高档商用，如上海大学 CIMS中心研究的关于科技园区的虚拟漫游系统、浙江大学 CAD CG 国家重点实验室研制的建筑环境虚拟现实系统等[4]。直到最近几年，随着显示技术、人机交互技术以及芯片工艺的进步，适用于普通消费者的 VR 产品才逐步进入市场。由于技术萌芽相对较晚，我国虚拟现实技术与发达国家之间还有一定的差距，但国家相关部门和的科研人员对这一领域已经高度重视，根据我国现有国情和科技水平，确定了虚拟现实技术的研究方案和发展蓝图，使我国虚拟现实技术能够蓬勃发展。
.........................
2 技术原理概述
2.1 虚拟现实技术
虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR），是一种利用电脑软硬件设备模拟自然世界而建立虚构三维空间的技术，它能基于用户视觉、听觉、触觉等方面的模拟，让用户从感官上产生沉浸其中的效果，实时而无障碍地观察三维空间内的一切虚拟物体，并实现人机交互。虚拟现实是仿真技术的一条分支，由多种技术相结合，包括计算机图形学、传感技术、多媒体技术等[6]，这是一个极具创造性和挑战性的新兴研究领域，也是一门有广阔发展前景的前沿学科。
虚拟现实技术具有几大特性。（1）多感知性：除了视觉上模拟之外，还牵涉到听觉、触觉、甚至运动行为相应等；（2）存在感：这是指使用者处于虚拟环境中时感受的逼真程度；（3）交互性：使用者能够操纵虚拟场景并从中得到反馈效果，这种反馈是否自然合理决定了交互的真实性；（4）自主性：虚拟环境中物体的运动规律与真实的物理定律相符合的程度[7]。虚拟现实使人与环境交互方式更加多样化，这些特性也会直接影响到用户的体验。
虚拟现实技术在游戏、工业、建筑、医疗、教育等许多领域都有应用。随着近年来计算机技术以及其他硬件设备的发展，许多 PC 端网络游戏以及主机端的单机游戏应运而生，它们或多或少都运用了虚拟现实技术，其优秀的感知反馈能力和三维显示的场景让虚拟现实变成一种理想的工具，用于创造各种视频游戏[8]。有的产品甚至搭配了 VR 设备，用户能够充分体验神秘梦幻的游戏场景。可以说虚拟现实技术应用最广而且最成熟的就是游戏领域，而游戏业发展的未来趋势也必定是虚拟现实。在军事上，虚拟现实的最新研究成果通常首先会被应用于航天航海等领域的军事训练中，新式武器模拟操作训练也一直是个重要的课题，利用虚拟现实技术的仿真环境，能够进行大规模的模拟军事演习，以取代危险的实际操作[9]。除此之外，医疗领域利用虚拟现实技术进行外科医生模拟手术、医学生解剖尸体练习；室内设计中设计师将自己的构思和思想转化为虚拟场景，利用虚拟现实技术以视觉形式反映出来，大大提高了设计和规划的质量与效率；汽车制造商研发中心的沉浸式实验室利用虚拟现实技术，能让工程师们在汽车生产出来以前检查发动机等部件，发现潜在问题。由此可见，VR 技术已经逐渐覆盖我们的日常生活。
.........................
2.2 虚拟漫游
虚拟漫游（Virtual Roaming），是虚拟现实技术的一个重要应用方向，它在建筑、航空航天、旅游、游戏等多种领域内发展非常迅速，由虚拟视景创建和模拟漫游两个部分组合。由于虚拟漫游具有可贵的 3 I 特性—沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Autonomy- Imagination）[10]，能够通过用户与虚拟环境之间进行相互作用的过程，并根据人们对于接触事物的认知能力，全面地获取环境所包含的所有空间信息及逻辑信息，使用户的思维得到启发，所以传统的沿用固定路径漫游手段以及其他漫游技术无法与之相比。
虚拟漫游系统可以分成两类：沉浸式虚拟漫游系统和非沉浸式虚拟漫游系统。前者可以使用配套的虚拟现实设备（比如 VR 头盔或者大型投影系统、数据反馈手套、动作追踪设备、眼动仪等等[11]）在虚拟场景之中与之交互，体验身临其境的沉浸感。而后者则一般指的是不借助虚拟现实设备，仅仅通过键盘、鼠标、显示器等计算机外设在屏幕上创建一个窗口式的模拟场景，这种环境搭建的系统成本低廉，但是沉浸感比较差。
2.2.1 Unity3D
本文以 Unity3D 作为系统开发平台。Unity3D 由英国的 Unity Technologies 公司开发，是一个多平台专业游戏开发工具和一个高度整合的综合性游戏引擎，能让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、实时三维动画、建筑可视化模拟等类型的互动内容，它内置了强大的 PhysX 物理特效引擎，能够真实模拟现实中的物理现象[12]。如今 Unity3D 被用来创建全世界半数的游戏，它灵活的实时工具为各个行业与应用的游戏开发者与创作者带来无限可能。利用三维建模技术创建模型导入 Unity3D 中，并添加图像、视频、声音、角色、脚本等相关资源，使用者就可以构建多功能的虚拟漫游。Unity3D 中有以下几个关键的概念。
...........................
3 系统设计 .......................... 11
3.2 系统结构 ........................... 11
3.2.1 系统功能结构 .................... 11
4 虚拟校园漫游系统的开发 ................................ 15
4.1 场景模块的实现 ...................................... 15
4.1.1 场景划分 .......................................... 15
4.1.2 校园场景创建 ...................................... 16
5 动态 LOD 技术引入 ......................... 35
5.1 LOD 技术原理 .................... 35
5.2 静态 LOD 技术 ......................... 35
5 动态 LOD 技术引入
5.1 LOD 技术原理
LOD 技术一般应用于有较高渲染需求的应用中，由于计算机每秒能够渲染的多边形是有限的，因此要实时地达到高仿真度需要付出大量存储、渲染和传输代价。LOD 技术的基本思想是：是按照模型在视景环境中所在的位置和显示优先级，来确定模型渲染的资源配置，当不需要精确地显示时，会减少物体的面数和细节，以此提高渲染运算的速度，从而使系统保持一定的帧数稳定显示。
渲染系统显示物体时，根据物体的不同位置或者状态，LOD 模型精细度的选择有几个判断因素：（1）物体是否能够被摄像机观察到；（2）物体在场景中的大小；（3）物体在场景中的运动速度；（4）物体离视点的距离；（5）物体处于用户视点的中心或者外围视野中等等[41]。在实际应用中，可以将各种因素综合起来判断，能更有效地提高运算效率。
LOD 技术分为两类，静态 LOD 技术与动态 LOD 技术。
.........................
6 总结与展望
参考文献(略)