三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫的構(gòu)建與問題解決

☆鮑青 袁曉斌

（安徽師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，全球的信息化表征越來越突出。信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化給人們帶來便捷的同時(shí)更帶來與眾不同的體驗(yàn)。尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日漸成熟，能夠模擬出現(xiàn)實(shí)空間無法或難于表現(xiàn)的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅在軍事、商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，近些年來在教育領(lǐng)域的發(fā)展也卓有成效。其中虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用。很多高校都通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來開發(fā)自己的三維虛擬校園，利用三維技術(shù)的空間表現(xiàn)力來展示校園的風(fēng)光。以三維虛擬校園的形式來宣傳校園較之文字、圖片及實(shí)景視頻，更加形象、生動(dòng)，更具視覺沖擊力。同時(shí)，用三維的形式展現(xiàn)校園，能在仿真校園實(shí)景的同時(shí)加入一些設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意內(nèi)容，更具藝術(shù)觀賞性。

本文亦是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來構(gòu)建安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院的三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫，通過虛擬的攝像機(jī)鏡頭帶領(lǐng)觀賞者游覽整個(gè)校園，向大家展示這所年輕學(xué)校的整體風(fēng)光。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)及三維虛擬校園概述

“虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶投入到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。”根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用以及用戶參與VR的不同形式和沉浸程度的不同，可把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分為四類：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)。其中桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)較為簡單，需要投入的成本也不高，在教育領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用的范圍很廣，推廣價(jià)值高。

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（desktop virtual reality,DVR）主要是在個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級別的工作站上進(jìn)行圖形圖像仿真，依靠計(jì)算機(jī)的屏幕提供給用戶一個(gè)虛擬平臺，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬世界場景之間的交互。三維虛擬校園即是運(yùn)用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形圖像再現(xiàn)真實(shí)校園的景物；能夠?qū)ρ劬λ吹降男@景象進(jìn)行仿真，通過三維場景來表現(xiàn)校園風(fēng)貌。虛擬校園是校園信息化建設(shè)的重要組成部分，而較之傳統(tǒng)的二維虛擬校園更具空間表現(xiàn)力，也更加逼真，是虛擬校園的又一大進(jìn)步。

二、三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫的構(gòu)建過程

筆者根據(jù)設(shè)計(jì)的流程將三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫構(gòu)建過程概括為布局規(guī)劃、校園立體模型制作及貼圖、燈光的添加和后期動(dòng)畫合成三個(gè)過程。

（一）布局規(guī)劃

三維虛擬校園建模是構(gòu)建三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫的基礎(chǔ)。在建立虛擬校園模型之前要做好前期的準(zhǔn)備工作，對校園的布局要有整體的把握，需要繪制出整個(gè)校園的建筑結(jié)構(gòu)草圖，并且收集校園各部分建筑的圖片資料。

1.繪制草圖

首先要繪制出整個(gè)校園的草圖，即是將整個(gè)校園的構(gòu)造繪制出來，包括教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館、學(xué)生宿舍區(qū)、操場等的大致位置，以便在制作時(shí)作為建模的參照。校園的鳥瞰圖可以通過AutoCAD軟件繪制，再導(dǎo)入3ds max軟件中。由于沒有安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院的航拍照片，拍攝鳥瞰校園的照片難度比較大。因此，較之簡單的方法是通過谷歌地球（google earth）來找到安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院的地理位置，調(diào)至能夠看清楚的合適比例，保存截圖，根據(jù)截圖中各建筑的位置、比例來繪制出草圖。

2.收集圖片資料

草圖是對布局的總體把握，而各個(gè)建筑的具體造型需要借助數(shù)碼相機(jī)來拍攝，可以拍攝校園建筑的圖片作為建模的參考圖。為了使模型更加的逼真，會(huì)對模型賦材質(zhì)，因此可單獨(dú)拍攝各種校園建筑的外部造型圖片作為虛擬建筑的材質(zhì)。

（二）模型制作

將AutoCAD中繪制的草圖導(dǎo)入3ds max中，在3ds max中進(jìn)行三維虛擬校園的模型制作、貼圖、燈光的添加以及渲染工作。

1.三維虛擬校園模型制作

在3ds max中制作三維虛擬校園模型，主要通過使用內(nèi)置幾何模型，對圖形擠壓、車削、放樣、布爾運(yùn)算等實(shí)現(xiàn)的，如對內(nèi)置的幾何模型圓柱體進(jìn)行布爾運(yùn)算來制作花壇；畫出建筑物的線條和作為窗戶的方框線條，把它們附加后擠出就得到了建筑物的各個(gè)側(cè)面墻體；制作窗簾時(shí)用到放樣命令等。

圖1為制作的三維虛擬校園模型圖：

圖1 安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院三維虛擬校園模型

2.賦材質(zhì)

在建好虛擬校園的模型后，為了使模型更加的逼真，需要對模型賦材質(zhì)，材質(zhì)主要用于描述物體如何反射和傳播光線，材質(zhì)中的貼圖主要用于模擬物體質(zhì)地、提供紋理圖案、反射、折射等其它效果（貼圖還可以用于環(huán)境和燈光投影），依靠各種類型的貼圖，可以創(chuàng)作出千變?nèi)f化的材質(zhì)。

三維虛擬校園模型制作中使用到的材質(zhì)有清玻璃材質(zhì)、金屬材質(zhì)、平面鏡材質(zhì)、大理石材質(zhì)、水材質(zhì)、透空貼圖以及各種地面的材質(zhì)等，常用的玻璃、金屬、水材質(zhì)有固定的參數(shù)，各建筑物獨(dú)有的外部材質(zhì)可以使用拍攝的材質(zhì)照片來賦材質(zhì)。

此外，整個(gè)虛擬校園是基于白天的環(huán)境，所以，也要模擬出白天的天空，可以通過建立一個(gè)半球，將其翻轉(zhuǎn)，并賦上天空的貼圖作為球天，將整個(gè)校園至于球天的下方，就可以得到如圖2的效果。

圖2 賦材質(zhì)效果

3.賦燈光

賦材質(zhì)后的模型逼真感明顯增強(qiáng)，但是還需要通過為場景打燈來增強(qiáng)場景的真實(shí)感，以及增加場景的清晰度和三維縱深度，三維虛擬校園動(dòng)畫中使用的燈光是用標(biāo)準(zhǔn)燈光中的泛光燈來模擬天光的效果。

4.動(dòng)畫漫游及渲染

在整個(gè)校園的三維虛擬模型制作完成后，接下來制作三維虛擬校園的瀏覽動(dòng)畫過程，本設(shè)計(jì)是為展現(xiàn)校園的整體風(fēng)貌，因此，通過加入3ds max中的攝像機(jī)來帶領(lǐng)觀看者游覽。從校園大門處繪制一條攝像機(jī)的軌跡，沿著軌跡繞整個(gè)校園一周，可以游覽整個(gè)校園風(fēng)光。

動(dòng)畫制作好后，要想看到整個(gè)動(dòng)畫的過程，還需要借助3ds max的渲染功能，渲染即是依據(jù)所指定的材質(zhì)，所使用的燈光，以及諸如背景與大氣等環(huán)境的設(shè)置，將場景中創(chuàng)建的幾何體實(shí)體化現(xiàn)實(shí)出來。

由于安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院三維虛擬校園動(dòng)畫的模型龐大、材質(zhì)繁多，一般配置的獨(dú)立計(jì)算機(jī)無法渲染或需要相當(dāng)長的時(shí)間渲染出動(dòng)畫格式的文件，因此，本設(shè)計(jì)利用多臺計(jì)算機(jī)同時(shí)渲染，并采用了先渲染出圖片，再將圖片合成為動(dòng)畫的方式。動(dòng)畫的長度設(shè)置為2000幀，每400幀一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行渲染，利用5臺計(jì)算機(jī)同時(shí)渲染，圖3、圖4為渲染后的截圖。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)樓

圖4 虛擬學(xué)生食堂

（三）后期合成

要將渲染出的圖片制作成視頻，就要借助視頻編輯軟件，本設(shè)計(jì)選用的視頻編輯軟件是premiere，premiere是可以將序列號是連續(xù)的圖片制作成視頻效果，以.avi格式保存。

在將三維虛擬校園動(dòng)畫的圖片渲染出后，要先檢查渲染出的圖片是否是序列號連續(xù)的圖片后才能向premiere中導(dǎo)入圖片，導(dǎo)入時(shí)要將彈出對話框中“靜幀序列”前的勾打上，這樣才能一次性導(dǎo)入所有圖片，并且是以視頻的方式在premiere中顯示。

接下來，只需在premiere中檢查視頻播放是否流暢，達(dá)到滿意效果后，就可以將視頻導(dǎo)出，選擇avi格式，最終形成三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫視頻。

三、三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫構(gòu)建中的若干問題解決

在安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫的制作過程中，遇到很多技術(shù)上的問題，這些問題也是在制作其他三維動(dòng)畫作品中經(jīng)常遇到的問題，現(xiàn)將制作過程中的問題歸納為如下五項(xiàng)，并從各項(xiàng)問題出發(fā)提出筆者在設(shè)計(jì)中是如何解決這些問題的，以供借鑒。

（一）建模方面的問題

整個(gè)安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院的三維虛擬校園模型的建設(shè)是一個(gè)比較大的工程，加上3ds max本身對電腦配置的要求比較高，一臺配置較好的計(jì)算機(jī)必不可少，計(jì)算機(jī)的配置要達(dá)到2G的內(nèi)存，最好是獨(dú)立顯卡。這樣隨著建模的越來越多，3ds max才能正常運(yùn)行不出現(xiàn)卡死。在3ds max中建模時(shí)要注意盡量減少“面”的量，例如：樹的建模，如果使用3ds max中自帶的樹，由于自帶的樹有很多“面”，這將會(huì)使整個(gè)場景中的“面”數(shù)劇增，在場景中大量的復(fù)制使用，增多面的數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致制作的模型占用很多內(nèi)存，以至3ds max運(yùn)行速度減慢，渲染時(shí)出現(xiàn)內(nèi)存不夠的問題，這可以通過減少樹的面來解決，方法是不使用3ds max中自帶的樹模型，而通過制作十字交叉的平面，給平面賦樹的透空貼圖來完成，這樣可以大大地減少面的數(shù)量，節(jié)省內(nèi)存的使用并且減少文件的大小。

（二）材質(zhì)方面的問題

對模型賦材質(zhì)是通過給材質(zhì)編輯器中的材質(zhì)球設(shè)置參數(shù)，賦上材質(zhì)后，再賦給場景中的模型，而材質(zhì)編輯器中的材質(zhì)球只有24個(gè)，整個(gè)安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院三維虛擬校園模型使用的材質(zhì)肯定會(huì)超過24個(gè)，這樣材質(zhì)編輯器中的材質(zhì)球肯定不夠用，材質(zhì)球也不可以再增加，所以，可以通過刪除一些已經(jīng)用過了，不再使用的材質(zhì)球上的貼圖，使材質(zhì)球可以重新被利用，在刪除時(shí)要注意選擇“僅影響編輯器示例窗中的材質(zhì)／貼圖？”如果選擇的是“影響場景和編輯器示例窗中的材質(zhì)／貼圖？”，這會(huì)將所有已經(jīng)賦過的材質(zhì)都刪除。

（三）燈光方面的問題

設(shè)計(jì)中將三個(gè)泛光燈放置在建筑物上方的三個(gè)點(diǎn)來模擬天光，由于渲染時(shí)要計(jì)算燈光，計(jì)算時(shí)間的長短會(huì)直接影響渲染時(shí)間的長短，所以，在能夠模擬出一定的天光感覺的情況下，將泛光燈的“強(qiáng)度／顏色／衰減”下的倍增參數(shù)設(shè)置小一點(diǎn)，這樣會(huì)降低渲染的時(shí)間。

（四）渲染方面的問題

由于機(jī)器配置的限制，安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫的渲染不能通過常規(guī)的渲染視頻方式完成，而是通過在多臺計(jì)算機(jī)上同時(shí)渲染出圖片后，進(jìn)行后期合成來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫B續(xù)的動(dòng)畫實(shí)際上也是通過一幀一幀的圖片組成的，因此，只要渲染出圖片，再經(jīng)過后期的視頻編輯，就可以合成完整的動(dòng)畫。

此外，因?yàn)橐诓煌?jì)算機(jī)上同時(shí)渲染，所以3D文件要拷貝到其它計(jì)算機(jī)上，而3D中賦了大量材質(zhì)，一旦路徑改變，材質(zhì)將缺失，所以，可以通過把3ds max源文件“歸檔”（格式為.zip），來避免當(dāng)文件拷貝到其它計(jì)算機(jī)上時(shí)會(huì)丟失材質(zhì)貼圖。

（五）后期合成的問題

渲染出的圖片要經(jīng)過合成后才能成為視頻，合成的軟件有很多，如 After effects、premiere等，After effects是一款通用的后期軟件，也是現(xiàn)在為止使用最為廣泛的后期合成軟件，它可以和大多數(shù)的3D軟件進(jìn)行配合使用，但如果要將圖片導(dǎo)入After effects中渲染出視頻，還需要安裝一些插件，比較麻煩；而premiere直接可以將序列號相連的圖片導(dǎo)入成為視頻，操作比較方便，因此，本設(shè)計(jì)選擇premiere作為合成軟件。

四、結(jié)束語

目前，安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院三維虛擬校園瀏覽動(dòng)畫已經(jīng)初步完成，可以通過動(dòng)畫帶領(lǐng)觀賞者游覽整個(gè)校園。隨著今后學(xué)校的發(fā)展，也會(huì)繼續(xù)對三維虛擬校園進(jìn)一步完善，如可以增加交互操作，使觀賞者可以進(jìn)入虛擬圖書館、虛擬教室、虛擬寢室的內(nèi)部進(jìn)行游覽，實(shí)現(xiàn)更加全面、完善、多功能的虛擬校園。

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