談虛擬校園模型的創建與優化技術

張津輔

隨著虛擬現實技術應用愈來愈廣泛，各大高校虛擬校園也紛紛建設起來。其中校園場景的實現是虛擬校園系統的核心部分，而場景模型的創建與優化成為關鍵環節之一。該文研究的重點就是找到一個正確的模型的創建方法與優化技巧。以實現該系統中的模型既具有逼真的效果，又能適用于網上瀏覽和互動應用。

虛擬校園；模型；優化技術

1.模型建模方法選擇

建模是所有三維軟件的主要功能，雖然各式各樣的三維軟件花樣繁多，無論是3dmax、Rhino、Maya等都擁有下面三種建模方法。下面對它們進行比較和分析，選擇最適合虛擬校園應用的建模方法。曲面建模是使用數學函數來定義曲線和曲面，能生成光滑的曲面，主要應用于工業設計和生物建模中。多邊形建模是發展最為完善的建模體系，多應用在建筑、游戲等模型設計中。面片建模是介于多邊形和曲面之間的一種建模方法，使用率不高，主要適合角色及生物建模中。綜上所述，多邊形創建出來的模型造型良好，且快捷，適合建筑模型的創建。而且網格結構清晰，易于模型的細節處理，占用系統資源最少，運行速度最快。因此在虛擬校園系統的模型構建中，采用多邊形建模作為模型建立的最主要手段。

2.建模精度

在虛擬校園系統實現中，場景模型的數據大小是與其模型精度有關系。模型精度分為兩個類：高精度模型、低精度模型。

高精度模型其細節豐富邊角平滑，但面數過多文件大。把高精度模型導入虛擬引擎中，會導致運行速度減慢，甚至無法運行。低精度模型雖然精度不夠，但是可以使用貼圖技術彌補，同時文件小，更適合虛擬校園的應用。通過分析和比較，選擇低精度模型應用于虛擬校園系統中是最合適的。

3.模型建模與優化

虛擬校園模型主要包括道路、建筑、樹木、天空等，下面本文將分別對建筑物、樹木、天空等創建于優化的方法進行闡述。

建筑物：建筑物的建模使用多邊形進行建模。由于建筑的外觀多以正方體為為主，因此以BOX為基礎模型進行創建。將其轉換為多邊形，使用編輯多邊形工具進行分別對點，線，面，體進行編輯修改，并進行細節調整，調節關鍵節點位置制作出建筑的外部特征，并且使用擠出、倒角、焊接增加建筑的外部細節。

在虛擬校園的建筑模型中，時刻注意對模型的優化。所有建筑模型都是基于對面的處理上。因此在不破壞造型的基礎上進行精簡，優化面數有以下幾種方法：

創建低精度模型。創建低精度模型首先對建筑模型中不可見的面刪除，以建筑模型為例可以刪除的面包括內墻、內部屋頂、內部地板等看不見的面，這樣不僅可以大大模型面數，提高交互場景的運行速度，而且可以提高烘焙貼圖的利用率。建筑模型面數優化也要根據主次建筑物進行優化。主體建筑在保持細節情況下進行優化，而輔助建筑進行更多優化，這樣在游覽時主體建筑仍十分精細。漫游中視覺處于疲勞時隨之視覺要求也逐漸放松，模型的精度也可以隨之降低。另外要注意場景中的模型數量不宜太多，否則會給后面交互的實現產生不必要的麻煩。

使用貼圖表現細長條的物體。對耗費面數過多的模型和細長條的物體用貼圖的方式表現。如窗框、欄桿、柵欄等。

盡量使用三角面模型。盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現長條型。這是因為長條形的面不利于實時渲染，還會出現鋸齒、紋理模糊等現象。

合理使用二維樣條線。減少放樣物體使用二維樣條線代替。使用3dmax的二維樣條線轉換成為多邊形方式來實現電線、繩索等物體。這樣創建的物體優點是即可顯示，而且面數還為0。如果必須使用放樣建模那么就盡量減少放樣橫截面的線段數。

相同材質的模型合并，對面數過多的模型進行分割。上文提及切忌場景模型過多，因此對同樣材質的模型盡量合并，在合并時還要避免跨度較大的模型進行合并，另外面數過多的模型不要進行合并。正確的合并方法可以加快場景的加載速度。反之，如果模型面過多，會增加烘焙物體的數量和時間，影響到整個模型的效果。同時也會降低運行速度。因此如果遇到過多面數模型可以采取分割的辦法來解決。

重新創建簡模比改精模的效率更高。在實際工作中，對原有的高精度模型進行優化，可能需要更多的時間，甚至還無法達到滿意的效果。重新創建一個低模要比將一個精模優化成低模更快。

下面以虛擬校園的建筑物模型為例，原始模型面數在14600面，在使用上面敘述的優化方式，將樓體模型不可見的面刪除全部。由于窗框占有整個模型大量的面數，所以對它進行優化是必要。刪除不可見的面數的同時，將相同材質的模型合并，避免過多的模型出現。樓體走廊、主樓模型的樓梯使用重新創建簡模方式，平滑度較低到只要能在視覺上可以接受即刻，樓梯模型也要采用重新建模的方式來實現。窗戶由于細長條的物體，使用貼圖表現，可以大大降低模型的面數。最后將其他次要部分模型也使用貼圖的方式進行優化建模。這樣模型從優化前的1.4萬個面減少到7千個面，這樣模型才適合后面虛擬校園的應用。

樹木：樹木花草等自然景物是虛擬校園中最為常見的模型，由于樹木本身復雜性和隨意性，其模型創建也成為虛擬校園實現的難題之一。樹木創建方法分三大類：AEC三維樹木創建方法、公告牌技術的創建方法、偽三維模型的創建方法。本文具體分析它們的優缺點，并進行比較，最終選擇最適合虛擬校園系統中樹木的表現方法。

AEC三維樹木創建方法：AEC是3dmax中一個創建植物樹木工具。AEC創建的樹木是完全三維的樹木，樹木全部由多邊形模型組成。面數多，且文件大。遠距離觀察非常精細，而近距離觀察樹葉，全部由凌亂的多邊形模型，效果反而更差。因此不適合在虛擬校園中應用。

公告牌技術，是使用帶透明貼圖的四個面片進行交叉建模方式，并且使模型始終朝向攝像機的方法來模擬樹木物體。這種創建樹木模型方法顯示速度最快、面數最少、文件最小，但是真實感稍差。不過在虛擬校園中使用這種方法是個比較好的選擇之一。

偽三維模型的創建方法：是使用二維、三維技術的結合方法進行創建。創建的模型樹干和主要樹枝是用多邊形建模來模擬。而樹葉和其他次要樹枝使用賦予透明貼圖的面片來代替，偽三維模型的樹木面數少，文件小。遠近距離觀察均可達到比較真實的效果。創建100顆偽三維模型的樹木，只相當于一顆AEC三維樹木面數。使用這種方法應用于虛擬校園中也是個比較好的選擇。

本文推薦使用公告牌技術模擬樹木群，而對需要突出表現的地方選擇了偽三維模型的創建方法，這樣效果即做到了有效的精簡，又在局部達到了應有的逼真的效果。

天空：在虛擬校園中，天空的表現是必不可少的。對于天空的仿真模擬，有四種模擬方法：藍色背景模擬法：簡單、粗糙、逼真度差。天空盒模擬法：正方體模型賦予無縫貼圖模擬天空；逼真度好，但是對紋理的要求非常高。八棱錐模擬法：賦予紋理貼圖的八棱錐模型模擬天空，其逼真度不如天空盒。半球型模擬法，創建半球體模型并賦予無縫貼圖模擬天空，其符合天空籠罩在大地自然規律。這種方法更符合虛擬校園應用。通過上面分析比較得出最終的結論。推薦的半球型天空模型創建方法。

本文主要介紹了建模的理論基礎、建模方法與優化技術。以及在遇到問題時，具體解決方案。總之，在模型的創建中，始終把“優化”為指導思想，以實現既有逼真的效果，又適用于網上的瀏覽與交互為目標，最終構建一個效果與效率兩者兼得的虛擬校園系統。

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