虛擬校園漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：虛擬校園漫游是校園景觀和教學(xué)環(huán)境在計(jì)算機(jī)中的虛擬再現(xiàn)，是對大學(xué)校園的數(shù)字化和虛擬化。本文以南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)模教學(xué)工廠內(nèi)部的虛擬漫游設(shè)計(jì)和制作為例，進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：虛擬漫游；數(shù)模教學(xué)工廠；3DS MAX；VIRTOOLS

1 虛擬校園漫游的概念

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字地球和數(shù)字城市概念為前提的大背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究、開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于教育、軍事、建筑、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。

虛擬漫游，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要分支。虛擬校園漫游是校園景觀和教學(xué)環(huán)境在計(jì)算機(jī)中的虛擬再現(xiàn)，是對大學(xué)校園的數(shù)字化和虛擬化。數(shù)模教學(xué)工廠作為南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的一個(gè)重點(diǎn)實(shí)訓(xùn)基地，在校園漫游中處于非常重要的地位。

虛擬校園漫游的制作結(jié)合了美術(shù)和程序，這就要求美術(shù)專業(yè)和程序?qū)I(yè)的同學(xué)組成團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行合作。美術(shù)制作人員要完成程序制作人員所提出的要求，并在制作過程中加入藝術(shù)元素，是整個(gè)場景真實(shí)、自然、和諧。程序制作人員需要在美術(shù)完成后才真正進(jìn)入工作，整合場景模型和材質(zhì)貼圖，運(yùn)用實(shí)時(shí)3D虛擬實(shí)境編輯軟件VIRTOOLS進(jìn)行制作，實(shí)現(xiàn)場景漫游。任何創(chuàng)作都不可能一帆風(fēng)順、一次完成，這個(gè)過程需要美術(shù)和程序不斷溝通，反復(fù)修改。整個(gè)過程中，以學(xué)生為主導(dǎo)，利用所學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作；教師從旁指導(dǎo)。

2 制作過程解析

2.1 前期策劃與準(zhǔn)備

（1）收集整理相關(guān)素材。主要工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像的收集處理，為后續(xù)工作打好基礎(chǔ)。1）地形的規(guī)劃。由于數(shù)模教學(xué)工廠的地形平坦，工作區(qū)劃分明顯，因此只需對其長寬比例進(jìn)行設(shè)定。2）收集建模素材。根據(jù)三維建模的要求收集素材，通過拍照、攝像等手段采集。3）收集教學(xué)儀器信息。除了向教學(xué)儀器的使用者請教，基本了解各儀器的功用和操作，還需對教學(xué)儀器進(jìn)行多角度的拍攝，按比例生成真實(shí)數(shù)據(jù)。4）紋理準(zhǔn)備。紋理貼圖是3DS MAX 里面非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對生成逼真的三維場景至關(guān)重要。紋理數(shù)據(jù)對于虛擬世界建設(shè)速度、運(yùn)行效率、逼真效果、沉浸感都有著重要的作用。我們采用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝的方法，得到相關(guān)物體、地貌的紋理。

（2）進(jìn)行人員分工。四名同學(xué)進(jìn)行美術(shù)制作，包括地形、內(nèi)部構(gòu)造、相關(guān)儀器的模型及貼圖制作，整合場景。一名同學(xué)進(jìn)行程序制作，實(shí)現(xiàn)數(shù)模教學(xué)工廠的自主漫游。

（3）確定制作格式及規(guī)范。1）CAD文件要按照原來尺寸1∶1 單位使用米為佳，導(dǎo)入3DS MAX，導(dǎo)入的CAD 圖線要根據(jù)用途確定位置，并以此作為描圖的根本依據(jù)。2）3DS MAX統(tǒng)一使用MAX2009版本，內(nèi)部單位和顯示尺寸單位設(shè)定為米。3）虛擬引擎對貼圖分辨率敏感，嚴(yán)格限制貼圖的分辨率；烘焙光影貼圖輸出成32 位帶通道TGA 格式的位圖。4）流程中所有模型，貼圖，輸出文件命名要統(tǒng)一使用字母、數(shù)字，不使用中文，且命名長度以8位為限。模型成品和貼圖在同一目錄存放，不能把貼圖分散存放于其他目錄。

2.2 美術(shù)制作

（1）創(chuàng)建模型。三維模型是整個(gè)虛擬校園漫游的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響運(yùn)行效果和場景真實(shí)度。本項(xiàng)目我們采用了3DS MAX進(jìn)行建模，用其建立的模型有很強(qiáng)的仿真立體效果。虛擬應(yīng)用的模型以精簡模型為主，模型表現(xiàn)出主體結(jié)構(gòu)就可以了，配合貼圖來完成整體和細(xì)節(jié)的表現(xiàn)。要在建模精度與實(shí)時(shí)渲染要求之間取得某種協(xié)調(diào)，保證模型精度的情況下盡可能的減小場景規(guī)模。建模之前，根據(jù)場景中每個(gè)儀器的空間位置以及模型之間的相互關(guān)系，合理的命名與分組，由學(xué)生負(fù)責(zé)人進(jìn)行整體協(xié)調(diào)和分配。場景模型不允許出現(xiàn)微小的裂縫或殘缺，盡量減少體塊堆積的建模方式， 使用SPINE/POLYGON 的工具進(jìn)行合理布線、擠壓，使模型呈單面空殼狀態(tài)，視野內(nèi)看不見的面盡量刪除，這樣也大大減少模型面數(shù)和個(gè)體數(shù)量，便于后期的運(yùn)行。對于具有多材質(zhì)屬性的單體模型或者由不同材質(zhì)多個(gè)物體組成的單體模型要進(jìn)行細(xì)致的材質(zhì)ID 劃分，內(nèi)部多材質(zhì)要分別對應(yīng)一個(gè)材質(zhì)ID 號，物體的每一個(gè)材質(zhì)ID 也要全部有材質(zhì)對應(yīng)。

（2）材質(zhì)貼圖的制作。采用PHOTOSHOP對得到的影像進(jìn)行處理，處理內(nèi)容包括：紋理的修正，破損修補(bǔ)，圖像分割、拼接等。烘焙是在模型紋理完成，燈光布好之后，通過平鋪展開模型表面UV 渲染貼圖。其目的是保存紋理上所添加的光照效果，細(xì)節(jié)紋理等信息來提高貼圖的質(zhì)量，其優(yōu)勢是增強(qiáng)虛擬場景的光影效果，而且能夠減少三維引擎的運(yùn)算量提高程序運(yùn)行的效率。烘焙能把在非實(shí)時(shí)環(huán)境中渲染完成的燈光材質(zhì)等效果轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)交互的環(huán)境中去，即把3DS MAX 光影信息固定在貼圖上，然后把烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術(shù)。因此，烘焙前一定要在場景中添加適當(dāng)?shù)墓庠?，各個(gè)角度都渲染滿意后方可進(jìn)行，否則在烘培過程可能會(huì)出現(xiàn)黑面，直接影響三維漫游的可視化效果。

（3）模型整合。模型制作完成后不得將所有物體塌陷，需保留制作過程，特別是貼圖坐標(biāo)部分，以方便下一環(huán)節(jié)制作人員修改。模型制作完成后，必須刪除模型中所有的雜線，并將GROUP打散，按建筑結(jié)一個(gè)大的GROUP，取好相對應(yīng)的物體名稱，并將GROUP的重心移至Z軸零點(diǎn)位置。

2.3 程序整合、實(shí)現(xiàn)自主漫游

利用實(shí)時(shí)3D虛擬實(shí)境編輯軟件VIRTOOLS進(jìn)行制作。該漫游平臺下的虛擬漫游環(huán)境的圖形渲染是“實(shí)時(shí)”的，并且具有很強(qiáng)的人機(jī)交互性。VIRTOOLS提供給用戶最大的控制權(quán)，用戶可以任意設(shè)置視點(diǎn)，在虛擬場景中可通過鼠標(biāo)鍵盤控制視點(diǎn)變換和漫游路徑，隨意前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等。

首先要將3DS MAX中的場景導(dǎo)出為VIRTOOLS可執(zhí)行文件，就需先安裝VIRTOOLS-max導(dǎo)出插件。然后執(zhí)行文件-導(dǎo)出命令，選擇保存類型為.nmo，保存的路徑與文件名采用英文，否則將文件導(dǎo)入VIRTOOLS后，有時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。VIRTOOLS允許場景以對象、角色和動(dòng)畫的形式輸出。

此外還要進(jìn)行碰撞檢測，這對增強(qiáng)虛擬場景漫游的真實(shí)感和逼真感非常重要。當(dāng)角色在虛擬場景中漫游時(shí)，主要是與地形的碰撞檢測和與建筑物的碰撞檢測。假設(shè)三維空間中有N個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，隨著位置和姿態(tài)的改變，碰撞檢測就是判斷模型之間是否發(fā)生了碰撞，也就是說虛擬角色在三維場景中行走時(shí)不會(huì)陷到地下或穿墻而過，碰到墻壁上會(huì)沿著墻壁繼續(xù)前進(jìn)。

3 結(jié)語與展望

利用虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)知識和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)校園環(huán)境中的三維景觀、教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，對高校的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和遠(yuǎn)程訪問等都具有重要意義，是未來校園數(shù)字信息化的重要發(fā)展方向之一。學(xué)生參與真實(shí)項(xiàng)目的制作，其學(xué)習(xí)自主性、團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)能力和專業(yè)技能都得到了很大提升。

作者簡介： 羅恒，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)碼藝術(shù)學(xué)院教師。