三維校園虛擬漫游系統的設計與實現

白學明，趙 剛

(泰山學院信息科學技術學院，山東泰安 271021)

1 引言

虛擬現實是一種集成計算機圖形學、人機交互、傳感技術、人工智能等技術的新型學科，是人們通過計算機對現實中復雜的三維數據進行可視化交互的全新方式，通過模擬現實世界場景或構建虛擬建筑場景，生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，充分發揮其浸沒感、交互性、構想性的特征，廣泛運用于現實中的各行各業以及3D游戲等［1］.其中一個重要的應用就是三維虛擬校園.目前，在國內有許多高校都建起了自己的虛擬校園，如清華大學、浙江大學、南京大學、中國海洋大學、華中科技大學等.這些虛擬校園大致分為兩類，一類以清華大學的虛擬校園為例，整個系統仍然是以平面俯瞰圖的形式來展現的，每個建筑物只是簡單的文字標號，并沒有實際的模型，因此，導致立體感不強.另一類以浙江大學的虛擬校園為例，雖然每個實物模型采用了三維立體的形式，增強了立體感，但只能在固定的角度查看校園場景，不能夠旋轉視角，從多個角度進行查看［2－4］.本文設計開發的系統采用三維立體的方式以增強立體感，而且還可以以任意視角漫游整個校園.

目前，三維虛擬校園的實現主要有兩種方式:一種是發揮高級編程語言的優勢，完全運用編程方式實現，如VRML、OpenGL、Java3D等，另一種則運用集成的3D建模軟件建模實現，如3Dmax、Maya等［5－6］.本文介紹運用3D建模軟件建模的方式，發揮3Dmax建模和3D視景仿真平臺交互等軟件的優勢，方便快捷地實現三維虛擬校園漫游系統，而且更加注意模型細節的處理，簡化系統開發和實際操作，方便用戶的使用和系統的擴展.開發的系統專業性很強，可在3D演示平臺環境下實現沉浸式漫游.

2 開發步驟

山東泰山學院三維虛擬校園漫游系統的開發共分為如圖1所示的五個步驟，分別為數據采集、三維模型創建、模型優化、導入3D視景仿真軟件和系統形成.

圖1 系統開發步驟

實施系統的前期準備工作主要是進行基礎數據采集，也是系統開發至關重要的一步，直接影響整個系統數據的準確性和實時性，關系全局.首先，根據泰山學院提供的實地情況，記錄相關建模對象的數據信息.然后借助網絡的優勢，在Google Earth上采集泰山學院的地理數據，對校園整體進行截圖.接著再借助現有的泰山學院建筑平面圖，補充新的建筑模型.最后在Photoshop中合并繪制出校園完整的建筑平面圖.

在對校園實地考察時，使用高分辨率數碼相機拍下各個建筑物的紋理圖.采集時注意圖片的格式，要求既能反映現實數據的準確性，又要盡量接近建筑物本身的比例.我們采用JPEG格式的圖片.不僅從宏觀上拍攝建筑物的大體構造，又在微觀上注意建筑物的細節，如圖2所示.目的是方便后期三維模型的創建.由于受建筑物的高度、拍攝距離及相機自身成像特點的影響，拍攝的像片往往比例失調，須對每張照片使用圖形處理軟件Photoshop進行各種處理.例如，用自由變換把比例失調的圖片拉正，裁剪周圍其他的場景，去除圖片中的雜景等.關鍵是對拍攝的圖片加以細致處理，調試好建筑物的紋理.

圖2 圖片采集與處理

2.1 基本模型創建

首先要進行的是地形的創建，參照校園的建筑平面圖以及從Google Earth上的截圖(如圖3)，導入到3Dmax頂視圖中，然后用線條描繪出地形的輪廓來，再擠出形成面，然后根據實際地形的相對高低對線條進行調整，確保與實際地形的情況大致相符.特別地，要提前約定相同的3Dmax版本3Dmax8和系統單位為米.

接著就是最細致的工作，要對整個校園進行合理分區，再對分區內的所有建筑物模型進行建模.例如，把鄰近的體育場和文體館合并到一個分區里，這樣方便實際的基礎數據采集.首先抽取每個分區里特有的建筑物模型，如樓房，湖水，橋等，然后再創建一些樹木、花、草、石頭等共有模型，方便以后組合時.根據實際地形需要分配這些模型.在創建模型時要用到基礎數據采集時的照片，盡量精細地反映實際建筑模型.在建模時最好做簡模，不然可能導致場景的運行速度緩慢或無法運行.為此需要遵循一定的建模準則:盡量簡化模型，模型的數量不要太多，并在不影響整體效果的情況下，最大程度減少構建的模型中存在的點、線、面，合理分配模型的密度，用面片表現復雜造型，刪除看不見的面等.這都是為了方便后期的處理和提高系統顯示的速度.

圖4 貼圖前(左)和貼圖后(右)的圖書館

圖3 Google Earth上的校園俯視圖

然后對建好的模型，附加材質和貼圖，如圖4所示.參照前期采集的基礎數據，選擇合適的材質類型和貼圖，調節材質和貼圖盡量接近實際情況，尤其是對不合適的貼圖需要在Photoshop中先做細致處理，然后再附于特定的建筑物模型上.由于貼圖和材質直接關系到模型的協調與美觀，需要對貼圖和材質文件進行統一化管理.對于材質，3Dmax中通過漫反射調出的顏色，不同于3D視景仿真軟件的顏色.同樣的白色導入到3D視景仿真軟件中，就可能比在3Dmax中顯示的顏色深.對于材質中的二維貼圖，物體必須具有貼圖坐標，這個坐標確定二維的貼圖以何種方式映射在物體上，它不同于場景中的XYZ坐標系，而是使用UV或UVW坐標系.

2.2 模型整合

把固定分區內的模型進行組合，形成特定小塊區域的模型組合塊，然后標上記號并保存，由于本系統場景較大，涉及的模型文件較多，因此對生成的文件要進行合理的命名以方便系統管理和整合.組合時要對小塊區域的模型，選擇多個角度渲染查看，檢查是否有黑面、破面等問題，并仍然要遵循建模時的準則.從小塊區域的模型做起，保證把每個小塊區域的模型做精細，才能保證整個系統模型的精確度.

在創建好的地形模型中，依次合并導入各個小塊分區的模型，并通過移動和縮放工具調整模型，使模型分布到地形的合適區域上.在此合并模型過程一定要注意檢查模型的編號問題，保證每個模型的名稱在這個系統中是唯一的，這樣才能確保貼圖時不出現錯位、混亂等顯示不正確問題.為此可以借助一些3D插件來進行檢查.圖5所示就是使用VRP插件檢查系統中是否存在重名模型.如果存在，則自動重命名模型，保證模型名稱的唯一性.

2.3 模型優化處理

在對整體模型進行整合之后，還要對其它環境進行優化完善.依照建模時遵循的準則，刪除看不到的點，線，面，對復雜造型物體用面片貼圖來表現，如草地、樹木、湖水等模型.虛擬場景中的樹木通常采用十字形相交叉的兩個固定矩形面來構造，分別映射相同的紋理，因其角度間隔為90°，所以在不同的角度總可以看到不同的樹木效果.如圖6就是場景中樹木的模型.一般在一個大的區域內添加有限的幾個樹木模型做代表既可，否則添加的模型過多會直接導致模型面數過多無法導入到VRP中或使系統的整體運行速度下降.模型面數的多少對計算機內存大小是一種考驗，為此我們強調時刻遵循建模準則，以最大程度減少面數.

2.4 模型導出

為了使模型能夠在3D視景仿真軟件中進行后期處理，需要在3DMax中安裝相應的插件.安裝成功后，在3DMax中選擇3D視景仿真導出插件，導出特定適合3D視景仿真軟件處理的FYF格式文件，并保存以備后續步驟的使用.圖7所示為在3DMax中使用插件導出模型的界面.

3 3D視景仿真軟件后期處理

在3D視景仿真中，在原始位置導入從3Dmax中導出的FYF格式文件，然后就可以對系統進行調整設置.為了能在創建的虛擬環境中進行漫游，與周圍環境交互產生身臨其境的感覺，需要對漫游系統進行模型調整、燈光設置、天氣環境、漫游路徑和漫游速度的設置等.在系統中添加平面文字或三維文字，對關鍵步驟起到提示作用，還可以調節系統的顯示方式和觀察方式.在天氣系統中可以添加雨水和雪花兩種天氣效果.另外，最關鍵的是進行漫游路徑的設置，其直接關系到系統的整體效果.最后可以輸出效果圖打印保存，也可以保存場景文件在需要時進行漫游瀏覽.在具有3D視頻演示功能的顯示器上就可以在軟件中打開已經保存好的工程，手動漫游，或者按設置好的路徑進行漫游.這是真正具有3D效果的漫游場景，佩戴3D偏振片鏡能夠實現具有沉浸感的效果.至此，泰山學院三維校園虛擬漫游系統就開發完成了.圖8所示為三維校園虛擬漫游系統的宏觀效果圖.

圖8 三維校園虛擬漫游系統宏觀效果圖

4 結束語

本文討論了一種可視化的三維虛擬漫游場景開發方法，通過各種軟件的集成使用，最終實現了泰山學院的三維校園虛擬漫游系統.用戶可以在其中漫游查看校園的不同位置和視角的場景.但是由于受人員3D建模水平的影響，創建的部分模型不夠精簡，地形的創建不夠精細，與現實世界還有一定的差距.隨著虛擬現實技術的發展，三維可視化虛擬校園將會引起更多人的關注和實踐，我們也將繼續完善校園漫游系統的虛擬效果.

［1］鄒湘軍，孫健，等.虛擬現實技術的演變發展與展望［J］.系統仿真學報，2004，16(9):1905－1909.

［2］陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/OpenGL的虛擬海大校園導航系統［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2007，19(2):263－267.

［3］陳敏，陳道禮，魏國前.虛擬現實技術在校園漫游系統中的應用［J］.武漢科技大學學報，2006，(8):407－409.

［4］朱志輝，孫自廣，徐奕奕.基于虛擬現實技術的校園漫游系統的設計［J］.科技信息，2007，(18):73－74.

［5］黃秀常，全秋燕，葉春紅.基于VRML的虛擬校園漫游系統［J］.電腦知識與技術，2005，(10):228－230.

［6］岳俊梅.基于OpenGL的虛擬校園漫游系統的設計與實現［J］.計算機時代，2007，(11):65－66.