虛擬校園漫游中的三維模型制作技巧分析

劉 穎

（華中師范大學(xué)武漢傳媒學(xué)院，湖北 武漢430000）

虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域的一種應(yīng)用，是由計算機制作出逼真的校園三維景觀的數(shù)字場景。瀏覽者可在空間中自主的漫游，從場景的任意角度、任意地點對校園進行觀察了解，產(chǎn)生身臨其境之感。隨著制作軟件技術(shù)的發(fā)展提高，在創(chuàng)建校園虛擬漫游時如更好的控制三維場景模型塑造質(zhì)量，而為瀏覽效果和后期交互性設(shè)計服務(wù)，是每一位美術(shù)工作者應(yīng)該思考的問題。

1 虛擬校園模型建立

在進行虛擬校園場景構(gòu)建時，要基于真實測繪數(shù)據(jù)和真實場景進行。三維場景中的展現(xiàn)不是簡單的示意或模仿，而是建立在準確地測繪的基礎(chǔ)之上，地面所有場景的結(jié)構(gòu)、外形、尺寸、比例、色澤與現(xiàn)實中的校園達到一致。同時每個三維場景中的建筑都必須體現(xiàn)出該學(xué)校獨一無二的文化特色，這就需要根據(jù)設(shè)計圖紙或現(xiàn)場多角度照片使用3ds Max獨立建模，最后整合到三維場景中。

1.1 三維模型制作規(guī)范

建筑是校園文化景觀中最為醒目的內(nèi)容，每個學(xué)校的大門、教學(xué)樓、圖書館等設(shè)施都具有該學(xué)校特有的風(fēng)格，這些標志性建筑物都需要進行單獨的建模。在建模之前，根據(jù)實際地理分布關(guān)系對每個建筑模型進行合理的命名與分組，有利于后期模型的修改、調(diào)用。

綠化模型是指三維場景中花草樹木，建造中多使用面片樹木十字交叉法，墻角線與復(fù)合線遮罩法。模型在場景中可以重復(fù)使用，單獨創(chuàng)建一個模型后，保存為專用文件格式，然后在場景中沿線進行模型匹配及成批種植即可。此方法可以極大提高場景模型的創(chuàng)建速度。

小品制作需通過對三維場景的理解靈活掌握。有些小品是每個校園特有的、固定的和必須的，如著名的雕塑、指示牌等；有些裝飾物是靈活的，如坐椅、垃圾桶等，可通過現(xiàn)場照片獨立建模或從模型庫中獲取這兩種方式構(gòu)建。

例如武漢大學(xué)的校園虛擬場景就是通過空間相對位置關(guān)系組織到一起。根據(jù)實際設(shè)計圖紙完成道路和地貌的制作，然后制作樓群、運動場、校門及其他對象，并以道路為參照放置在相應(yīng)位置。訪問者可以進入虛擬校園中，觀賞校園的自然風(fēng)貌，領(lǐng)略校園的生活氛圍，在虛擬世界中了解武漢大學(xué)。

對于地勢等自然環(huán)境的建模規(guī)范，要根據(jù)三維場景的空間范圍、數(shù)據(jù)精度、來收集相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括基礎(chǔ)紙質(zhì)地形圖或CAD圖，需要確定合適比例尺的地圖數(shù)據(jù)，控制場景地面部分的數(shù)據(jù)精度。同時，如果涉及大面積區(qū)域的三維場景，還必須運用到遙感影像或航拍影像。在保證渲染效果前提下影像空問分辨率精度越高越好，避免出現(xiàn)馬賽克。

而對于建筑和綠化建模時，需根據(jù)特定場景的模型需求規(guī)范制作標準，首先，基本制作單位統(tǒng)一設(shè)置為“m”，建筑模型為4個立面和1個頂面；三角面片不出現(xiàn)共面、漏面情況，外觀不可見的模型面片一律刪除，保證單體模型在精度滿足要求的前提下總面數(shù)小于5000。而對模型的管理上，同一物體的模型、紋理、材質(zhì)命名一致，以便統(tǒng)一管理；帶通道或帶反射的模型保持獨立，不能與其他物體進行塌陷操作。

1.2 模型的優(yōu)化

影響虛擬校園最終運行速度的三大因素分別為場景模型的總面數(shù)、總個數(shù)和總貼圖量。模型的優(yōu)化不光是要對每個獨立的模型面數(shù)進行精簡，還需要嚴格控制模型的個數(shù)，這兩個數(shù)據(jù)都是影響虛擬校園最終運行速度。所以校園三維場景模型優(yōu)化操作是必須的。

對于場景的模型個數(shù)而言，過多會直接影響到虛擬場景的打開和導(dǎo)出的速度。模型個數(shù)過多時，計算機會因為計算不過來而造成部分物體無法加載，最終得到的場景模型會不完全。而如果勉強將場景里的所有模型加載進去，其運行速度也會很慢。為了避免以上問題的出現(xiàn)，解決方法是將相同材質(zhì)的物體分別賦予材質(zhì),調(diào)整好各自的貼圖坐標后，再將這些相同材質(zhì)的物體進行合并以減少模型個數(shù)。

對于與模型的面數(shù)而言，優(yōu)化的方法有以下幾種：

（1）創(chuàng)建標準幾何體時降低分段數(shù)，例如Plane，默認為4×4，在無特殊要求的前提下，可優(yōu)化為2×2，該操作在制作圓柱體、球體等對象時同樣有效。

（2）創(chuàng)建較復(fù)雜的鏤空造型時，不要使用模型創(chuàng)建，而應(yīng)多使用透明貼圖，這種方法常用于欄桿、雕花、綠化等。

（3）刪除模型看不見的面，例如底部或不可見區(qū)域。

2 紋理貼圖的處理技巧

除了模型外，要制作出逼真的三維虛擬校園場景，真實的紋理貼圖也是關(guān)鍵。實地拍攝的建筑物及其他物體的照片，不僅有助于補充模型細節(jié)方面的不足，而且還能提高場景的真實性。紋理貼圖的獲取主要有以下三種途徑：

（1）從已有的景觀、建筑的專業(yè)攝影圖片中獲取有關(guān)景觀的紋理素材，再經(jīng)過Photoshop編輯加工，可生成各類景觀、地貌的紋理貼圖。

（2）可采用相機實地直接獲取校園各類地形、建筑、景觀的真實表面圖片。

（3）從衛(wèi)星遙感影像、航空攝影測量影像、移動測繪系統(tǒng)等也可以獲取紋理。

要拍攝實景多角度靜態(tài)的照片素材時，照片質(zhì)量的好壞也直接影響到后期紋理貼圖效果，因此對拍攝手法要求很高。相機選擇適當角度后固定在景觀中心位置，盡量使每幅照片保持焦距相同，同時讓相機的旋轉(zhuǎn)固定在三角架水平面上，盡量避免鏡頭偏斜和俯仰。其次，相鄰的照片盡量統(tǒng)一色相、亮度和對比度，并要保證一定的重疊范圍，便于后期的紋理貼圖進行重復(fù)化處理。

有時獲取的真實紋理圖像并不能直接使用。在獲取真實紋理圖像時一般會存在透視變形、顏色失真、尺寸大小不合適等問題。所以需要進行裁剪、矯正等一系列調(diào)整工作。通過從實地獲取的大量的圖片中選出可以作為紋理貼圖的大致范圍，并對其進行裁切、糾正等基本調(diào)整。裁切的范圍要比紋理的范圍大一些，以便后續(xù)處理。其次，紋理照片拍攝時受光線、角度、時間的限制，拍攝出的照片的色彩與真實物體有所不同，需要對處理后的紋理進行色彩調(diào)整，可以通過圖像復(fù)原和圖像增強來圖像改善質(zhì)量，使之恢復(fù)本來顏色。最后，因?qū)嵟恼掌嗌贂嬖谄茡p、雜點、遮擋等問題，后期還要對紋理貼圖做修補去雜質(zhì)處理，使用多角度若干小圖像拼接還原出大圖像，但必須保證各小圖像色相、亮度、對比度等指標的連續(xù)性和一致性。

處理后的照片分辨率需為2的冪次方，大小盡量小于100KB，便于后期虛擬引擎的讀取。后期通過3ds Max的紋理貼圖、材質(zhì)編輯，對模型表面材質(zhì)和貼圖進行處理，不同類型的材質(zhì)結(jié)合不同的烘焙操作方式以增加場景的精細程度和真實感。

三維模型塑造是虛擬校園制作的基礎(chǔ)，只有創(chuàng)造出環(huán)境效果逼真，瀏覽交互速度及時的虛擬場景，瀏覽者才可以對校園進行不同角度、方位、距離的觀察和體驗。本文歸納總結(jié)出虛擬校園建設(shè)中三維模型制作的經(jīng)驗，盡可能的塑造校園虛擬場景觀察和體驗的真實感，給校園的宣傳、展示提供了全新的表現(xiàn)形式。

［1］貴剛，程效軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬校園三維建模方法研究與實現(xiàn)[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2008.

［2］李清泉.三維空間數(shù)據(jù)的實時獲取、建模與可視化[M].武漢大學(xué)出版社，2003.