虛擬仿真場景及交互漫游系統*

鄒紅 楊紅 崔曉微 安向明 大慶師范學院計算機科學與信息技術學院

虛擬仿真場景及交互漫游系統*

鄒紅 楊紅 崔曉微 安向明 大慶師范學院計算機科學與信息技術學院

以大慶師范學院主校區為原型，利用3dsMax構建三維模型，借助VR—Platform引擎交互漫游的功能優勢，生成三維虛擬場景漫游系統，可以實現多種漫游效果，既可以制作場景展示效果，又可以用于特殊場景的培訓、演練等。此系統制作的經驗和方法，可以廣泛地應用于油田各個行業虛擬漫游系統的制作中，尤其是制作虛擬崗位培訓，將是一種高水平、高效率、低費用的培訓模式，虛擬現實技術在油田建設中有著廣闊的應用前景。

虛擬現實；數據；漫游系統；建模

1 虛擬場景的構建

開發虛擬漫游系統面臨的問題是場景的真實度和整體布局設計。結合地形圖、場景規劃圖和實際測量計算，用Auto CAD作整體布局設計，再利用3dsMax將CAD繪制的二維地形圖和模型框架建成三維模型，導入VRP虛擬現實平臺實現漫游和交互功能，用戶可多視角地瀏覽場景全貌。通過與數據庫連接，還可以了解場景信息、觀看視頻等。

1.1 基礎數據準備

制作模型的數據準備包括搜集圖紙、實地測量計算、拍攝照片等，然后用Auto CAD繪制地形和建筑模型的二維圖形。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，須對每張圖片使用圖形處理軟件Photoshop進行技術處理，如去除圖片中的雜景、扭曲、光線陰暗，調整比例、色階等。還有一些建筑因為建成時間久遠，建筑墻體和配套設施老化，需要在Photoshop軟件中對圖像進行修復拼接處理，以便建模參考和做紋理貼圖材質使用。

1.2 三維場景建模

結合前期收集到的建筑物數據和拍攝的圖像，將Auto CAD中繪制場景二維平面圖導入3dsMax做底圖，在3dsMax中通過對底圖上的建筑平面Extrude進行建筑物模型創建。針對建筑物不同的外形，運用修改器Modify面板中的Polygon對模型進行具體修改，獲得準確的形狀模型。對于復雜的建筑，還要通過插入頂點、連接、倒角、擠出等各種操作進一步細化，使模型與實際建筑相符。場景中的大部分建筑模型、地物模型均使用這樣的方法建造，而作為場景裝飾的花草樹木、人物等，則采用Boarding和Doubleboarding技術進行建模，以減少場景模型的面數。采用Boarding方式建模時，模型命名需加前綴“bb-”，這樣在交互場景中模型會跟隨鏡頭改變角度。

1.3 模型及場景優化

過多的使用模型處理命令會大大增加模型的面數和點數，所以在建模時要注意優化，既方便材質的處理，又可提高系統整體運行速度。

模型的優化方法：①在維持模型顯示效果的前提下，使用盡可能少的點、面和多邊形；②盡量不使用布爾運算和切割工具，用增加點和點間連線的方法減少面的數量和出錯的可能性；③不用或看不到的面全部刪除掉；④盡量統一比例，減少組合階段不必要的麻煩；⑤建模時數據的小數點位數不應太多，以提高運行速度。

場景優化方法：①將模型導入到VRP之前，對其相同材質的模型進行塌陷，并防止平移、旋轉等操作時出現問題；②建模完成后對模型再次添加Editable Poly進行優化，并且根據不同建筑物的外觀，采取相同建筑部件公共使用的原則，降低和減少在建模過程中的工作量和復雜程度。

1.4 紋理貼圖

場景的模型可以用Polygon加紋理貼圖的方法來代替精細模型。如果只展現模型外觀，建筑的門窗、雨檐等都可以用紋理貼圖代替，且不分離對象。用“UnwrapUVW”配合“UVWmaping”進行更精確的貼圖操作，這樣可以大大降低模型的個數和總面數。

1.5 材質烘焙及模型導出

通過上述方法建模后，還需要對模型進行烘焙。烘焙能把在非實時環境中渲染完成的燈光材質等效果轉換到實時交互的環境中，即把3dsMax光照信息渲染成貼圖，然后再把烘焙后的貼圖回貼到場景中。尤其使用“多維/子對象”材質，在導入VRP的過程中會出現錯誤，需要通過烘焙才能成功地導出。由于烘焙紋理的質量直接影響最終效果，所以提高烘焙技術至關重要。烘焙時要考慮不同紋理貼圖的分辨率大小，分組進行烘焙。玻璃、不銹鋼、水等材質不需烘焙，在VRP中調節即可。

2 交互漫游的實現

虛擬漫游系統一般可完成場景的固定線路瀏覽和虛擬角色漫游等功能。

三維模型導入VRP后，先對部分材質進行調整，改變材質過濾方式，將不正常顯示的透明材質改為“使用貼圖Alpha”；對于Boarding和Double-Boarding方法創建的模型要進行雙面渲染。

為了便于交互，要設計一個交互界面，放置按鈕、操作提示信息、圖形LOGO、導航圖等，用戶通過該界面可以輕松地對系統進行自由瀏覽和自主漫游。

2.1 角色與相機設置

在場景中添加相機，用來呈現漫游中所感受到的視覺效果。可以創建行走、飛行和動畫相機，通過設置不同的相機水平角度、相機高度等屬性（也可將行走相機綁定到場景中的人物或汽車上），實現固定線路游覽，還可用飛行相機鳥瞰整個虛擬漫游場景的概貌。同時可在場景中創建角色，通過模仿真實的人物來達到場景虛擬漫游的效果，為角色綁定角色控制相機，然后用鼠標或鍵盤控制角色行走達到漫游效果。

2.2 鼠標事件和導航設置

在場景中設置相應的按鈕并添加按鈕的鼠標事件，通過腳本控制點擊鼠標左鍵、右鍵或鼠標劃過時進行各種操作。漫游者可以根據設定的按鈕來更加直接、直觀地選擇并進行漫游活動。

導航圖可使人物在虛擬場景漫游時更加具有方向感和方位感，并隨時了解所處的位置。導航效果的制作關鍵是箭頭游動范圍邊界坐標的確定，需在3dsMax中捕捉導航范圍的坐標值。在VRP導航屬性中將在3dsMax中記錄的各個坐標值輸入，完成實時導航效果的創建。用鼠標點擊導航圖中的某個點，可以快速地將角色切換到場景中的相應位置，提高了漫游效率，增強了交互性。

2.3 數據庫連接

虛擬場景的交互功能是讓用戶不僅能夠看到場景的外貌，還能了解到場景的相關信息，這些資源信息用Access數據庫存儲。在VRP平臺中連接好數據庫，并將建筑模型與數據庫信息綁定，通過腳本設置信息顯示窗口。在VRP場景運行時，可以點擊場景中的某一建筑、物體或區域，實時查詢相關信息。用戶對數據庫進行更新，場景內相應的信息也隨之更新。

3 結語

以大慶師范學院主校區為原型，利用3dsMax構建三維模型，借助VR—Platform引擎交互漫游的功能優勢，生成三維虛擬場景漫游系統。此類場景漫游系統既可以制作場景展示效果，又可以用于特殊場景的培訓、演練等。此系統制作的經驗和方法，可以廣泛地應用于油田各個行業虛擬漫游系統的制作中，如石油勘探、石油開采、石油化工等行業的虛擬仿真系統，尤其是制作各行業的虛擬崗位培訓，將是一種高水平、高效率、低費用的培訓模式，虛擬現實技術在油田建設中有著廣闊的應用前景。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.013