桌面式三维虚拟校园实现的关键技术研究

    朱喜基

    摘 要：随着虚拟现实技术的不断发展，三维虚拟校园的建设成了数字化校园建设的一项重要项目。三维虚拟校园不仅可以帮助校园的规划管理，还可以作为学校的宣传名片，甚至还可以进行多媒体教学，发展虚拟教学课堂。文章就桌面式三维虚拟校园实现的关键技术进行了研究，分别从数据收集、制作三维场景、制作漫游动画、生成人机交互等方面进行了探讨。

    关键词：虚拟校园；建模；漫游动画；交互

    虚拟现实是通过计算机来模拟一个三维空间的虚拟世界，为使用者创建一个具有身临其境感觉的环境。三维虚拟校园正是将虚拟现实技术应用到校园文化建设，生成三维虚拟校园，其不仅可以帮助校园的规划管理，还可以作为学校的宣传名片，让来访者足不出户领略校园风光和校园文化，甚至还可以进行多媒体教学，发展虚拟教学课堂。常见的三维虚拟校园有两类，即桌面式虚拟校园，其是通过计算机屏幕来观察虚拟环境，外部输入设备主要为键盘鼠标；沉浸式虚拟校园，其需要佩戴虚拟现实设备来实现与虚拟环境中的对象进行交流，比如头盔显示器。桌面式虚拟校园制作成本低，功能简单，易于推广，深受广大高校喜欢，文章就桌面式三维虚拟校园的实现，谈谈其关键技术，主要包括数据数据收集、制作三维场景、制作漫游动画和生成交互。

    1 数据收集

    三维虚拟校园都是在真实校园基础上进行构建的，力求客观、精美、符合实际，所以关于校园的相关数据收集是实现虚拟校园最基础的环节，这些数据主要包括地理信息和纹理贴图素材。

    地理信息，主要包括各个建筑物的大小、高低及名称等，关于这部分的数据的采集可以自己亲自去测量并作简单的估算，当然也可以到学校的相关部门去获取校园规划工程图纸文件（CAD文件）。

    纹理贴图素材的收集主要是靠实景拍摄，拍摄时要使用高像素的相机从不同的角度去拍摄可以表现材质特征的部分，在拍摄的过程中要注意曝光过程、使用自然光线并保持均匀，尽量避开建筑物，在拍摄后根据各建筑进行分类归档。

    2 制作三维场景

    三维虚拟校园场景的实现一般是通过Auto CAD和3ds max这两款软件，其中Auto CAD主要是用来生成平面图，为后面三维立体模型的制作提供依据。3ds max主要是用来对各建筑物进行建模。在创建的模型的时候，我们要时刻把握一条准则，即模型制作要精简，也就是说，在不影响模型质量的前提下，让模型的点面数要尽量的少，否则整个工程的数据量会非常大，实时渲染会非常吃力。三维虚拟模型主要包括建筑楼群、道路、小湖水、树木和草地，不同的模型选择适合其的建模方法。比如，建筑楼群模型的创建主要是采用多边形建模，采用调整点、线、面来完成模型的制作；道路模型可以在二维图形的基础上进行挤出生成三维模型，然后为其添加合适的修改器，对细节进行微调；树木模型，近景树木就用树木插件来制作，因为其能看到细节，而远景树木对细节要求不是很高，就可以使用两个交叉的十字平面，为其赋予带透明通道的贴图即可。另外，建模时需要注意的是由于场景中模型较多，可以适当的将建好的模型隐藏或冻结以防误操作。

    仅仅模型还不能够呈现真实的三维校园，最后我们要为三维场景中的模型穿上“衣服”，即为模型添加材质和纹理贴图，它将直接关系到所建模型的逼真程度和视觉效果。材质可以让物体展示出其本质，我们可以利用3ds max自身的基本材质和Vray渲染器来完成；纹理贴图可以呈现模型表面是什么图案，比如草地，我们可以为草地模型重复草的贴图，从而得到较真实的草地。需要说明的是，一般情况下纹理贴图都是要通过Photoshop来编辑加工，使纹理图像符合要求。

    3 制作漫游动画

    生成的漫游动画，灯光必不可少，因为自然界中物体的颜色和质地都要靠灯光来表现，校园漫游动画的灯光效果一般分为日景效果和晚景效果。在制作日景效果时，主光源应选择目标平行光和vary灯光来模拟日光和太阳光，辅助光源可以根据场景需求添加，主要用来改善由主光源造成的阴暗面。在制作夜景效果时，大部分采用泛光灯，在夜晚，建筑细部的可见度取决于亮度，通过设置泛光灯的数量、位置和投射角度可以得到增强立体感的效果。一般来说，用分隔的成组泛光灯沿同一方向向受照对象投射，或从两个方向以对比的色调投射。需要说明的时，有的建筑中的灯光效果只有在夜晚才能体现出特点，而建筑在夜景中的表现比白天的表现有时候更吸引人。

    灯光设置好就可以根据漫游动画脚本进行设置漫游动画了，漫游动画的实现一般是通过摄影机来完成的，设置摄影机动画的时候一般就两个步骤：（1）根据脚本为摄影机创建一条动画路径。（2）使用路径约束将设定好的路径赋给自由摄影机，这样就可以渲染漫游动画了。这里需要说明的是最终生成的漫游动画不是在3ds max场景中一口气全部渲染完成的，而是根据动画脚本渲染多个片段，最后通过后期编辑软件合成的。比如对校园中的小湖进行展现时就是通过多个角度，多个方向来展现的，其就无法一口气渲染完成，而是渲染多个片段，最后合成。

    4 生成交互

    当然，有时候仅仅观看三维虚拟漫游动画还不能够真正有身临其境的感觉，因为所观看的都是制作者根据自己的思路来完成的，真正的身临其境的感觉是通过交互完成的，来访者通过交互来观看校园的每个地方，而不是受制作者影响。在制作虚拟交互时，有多个平台可以实现比如：（1）VRML，它是虚拟现实三维立体网络程序语言。3ds max提供了VRML的接口，将3ds max建立的模型导入到其中，再利用VRML对模型进行动态交互的编程空控制。（2）virtools，用户可以利用它快捷地生成具有真实互动行为的虚拟交互场景，最终是发布成EXE或基于WEB浏览的文件。（3）Unity3D，主要是为虚拟现实开发简易软件而发布的，其提供了简单易操作的三维优秀创作平台。

    这里笔者为大家推荐的是VRP，VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，其操作简单、适用性强、所见即所得、高度可视化。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式进行，不需要程序员参与。VRP平台安装好后，在3ds max中会生成一个VRP导出插件，我们正是通过该插件将建设好的三维虚拟场景导入到VRP-builder中。需要说明的是，如果VR场景较大时我们要进行分批烘焙，分批导出。接着我们就可以在VRP中生成虚拟漫游系统，创建行走和飞行相机，设置好检测碰撞，设计好漫游路线，整个虚拟场景就可以用第一人称的视角来浏览了。为了效果更加逼真，我们可以为场景添加自带的各种用动态贴图制作的情景动画（如花园喷泉、校车、师生员工等）和天空盒、舞效、太阳光晕等特效。当完成了上面的操作后，就可以将场景文件生成WEB文件进行网络发布了，其文件是VRPIE。

    5 结语

    三维虚拟校园已经在逐渐走进各个高校，正是其具有真实、互动、情景化的特性，深受广大使用者喜爱。目前大部分高校的三维虚拟校园仅局限于校园风景的浏览，随着虚拟现实技术的日益成熟，虚拟校园将会陆续添加虚拟网上课堂、虚拟实验室等，使得三维虚拟校园真正成为学校的名片，成为学生学习的场所，使真正意义上的数字化校园走进我们的生活。

    [参考文献]

    [1]胡晋山，康建荣，吴庆忠.基于3ds max三维校园地图漫游的实现[J].测绘与空间地理信息，2008，31（5）：5-7+11.

    [2]钱晓贤，沈雅萍.基于VRP的数字校园构建与实现[J].科技信息，2010（13）：113-116.

    [3]刘兴建.肇庆工商学院虚拟校园的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2012.

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