虛擬仿真藝術在三維地圖導航中的應用

摘 要：本項研究著眼于實際，立足于普通的計算機平臺和低廉的、可操作性強的設備設施，通過還原真實建筑環境空間視景仿真來滿足地圖導向對功能性的要求。在沒有必要的設施設備作為交互手段的前提下，利用簡單的軟件技術進行人機交互、用戶與虛擬空間交互，全面、直觀的表現建筑及建筑群體，并實現人機交互、導航與可視化設計。

關鍵詞：虛擬仿真；三維導航；交互設計

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

四川師范大學三維地圖虛擬導航系統設計是筆者主持設計的一款基于網絡瀏覽的虛擬導航系統。這款以三維地圖虛擬導航為主的校區仿真其范圍包含了四川師范大學校區的所有大型辦公、教學、學生宿舍和相關的主要配套設施，為體驗四川師范大學校園的美景及網上三維地圖查找及搜索提供了一個較為全面的交互平臺。

我們先來看看何謂虛擬仿真（Virtual Reality）：仿真（simulation）技術，或稱為模擬技術，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真實際上是一種可創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，并通過頭盔顯示器（HMD）、數據手套等輔助傳感設備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。

四川師范大學三維地圖虛擬導航系統作為以計算機軟件技術開發完成的虛擬仿真平臺，主要特性包括：自主性、便利性、互動性、擴充性、虛擬空間尺度的延展性及資源節約等特點。在此系統中，使用者可通過佩戴3D眼鏡獲得3D視覺效果、逼真的立體聲場景效果等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。

此虛擬仿真從項目立項，到項目完成并進行系統測試時一個較為龐大的過程。依據筆者所設計的虛擬校史館仿真項目來分析，我們可以將其步驟進行簡要的歸納，這里以VRP引擎作為虛擬仿真的輸出引擎為例，它分為以下幾個重要的環節：

（1）資料收集與制作準備，包含：1）相關資料收集分析。這里所囊括的資料包括要搭建的場景的具體空間尺度，或是物品的造型比例和貼圖收集；2）資料最優化處理。將上一步收集的資料和數據進行整理，保留后期模型制作中有幫助的內容，刪減掉一些不必要的數據及文檔；3）資料分類存儲。便于在模型制作階段和UI制作階段以及系統制作階段分配給不同的項目人員；

（2）模型制作，包含：1）3D美術風格規劃；2）各類模型分析；3）制作單體模型；4）制作模型材質；5）設置燈光；6）制作烘焙貼圖；7）整合模型資源及貼圖資源并導出；

（3）2D美術設計，包含：1）UI主界面及次級界面設計；2）界面按鈕及視圖導航設計、制作；

（4）虛擬現實引擎對美術資源的整合設計，包含：1）導入三維場景模型，設置碰撞對象與動畫對象；2）場景材質整體調試；3）攝像機鏡頭實現漫游及單體物品3D瀏覽；4）增加界面效果，按鈕狀態并實現按鈕工作（切換攝像機，輸出圖像，退出等）；5）加入背景音樂；6）后期調試及模擬測試；

通過以上步驟不難看出，虛擬仿真及交互在設計制作流程上有很大一部分為美術人員來完成，除進行建模、貼圖繪制和燈光設置等環節外，更多的是需要美術人員對場景視覺、聽覺所產生的場景氛圍的把控。

四川師范大學三維地圖虛擬導航系統以VRP軟件平臺為主要實現手段的視景仿真技術是此次項目研究的著眼點。在純粹的技術型研究基礎上增加數字藝術與技術的有效結合環節，力求使虛擬的建筑空間環境呈現的技術難度降到最低。在這里筆者將其設計制作的主要特點歸納如下：1）準確實測：衛星影象圖作為采集數據的一個藍本，確保了建筑物的位置準確性，和3D美工制作鋪設樓房的正確性。由于衛星圖并非即時的圖片，制作以實測為準；2）高清建模：校區地形及建筑設施采用當今國際流行多邊形建模技術，在保證還原樓房真實形狀的同時也能保證制作的速度；3）精細貼圖：虛擬校園建設及保證了對每一棟建筑進行細致的貼圖，建筑外墻、窗體、裝飾物的材質來自采集的照片或者精選的素材庫，盡量還原建筑的真實外觀；4）渲染烘焙：采用渲染效果非常接近于真實的Vray渲染器渲染并且烘焙，使虛擬校園的三維地圖有著良好的層次感和豐富的色彩，在增強立體層次的時候不會讓使用者覺得很刺眼，大大提高了產品的友好度，同時根據Vray渲染器的特點對模型、貼圖進行優化，使渲染的速度進一步的提升同時不降低產品的效果。

（5）美化環境。校區本身是按照衛星圖片來進行環境布局的，對照衛星圖片布置綠化、草地、樹木，同時在保證在真實的情況下對環境做美化處理，增強產品的可看性。

綜上所訴，四川師范大學三維地圖虛擬導航系統可以通過三維建模逼真的模擬整個校園的建筑及周邊環境，并支持數據分析、建筑設施查詢，通過這些詳實的數據和相關資料是可以直觀真實的在網絡上對校區及校園文化進行詳盡的了解的。更為重要的是它可以為多部門參與和協同工作提供了有效的平臺。這也是為什么視景仿真這項技術不僅在三維導航方面，而且在多個領域得到廣泛應用的主要原因。如“數字城市”的提出，源自前美國副總統戈爾1998年提出的“數字地球”。城市是個復雜的巨大系統，包括用地、建筑、市政設施等多個子系統，各個子系統之間具有復雜的空間關系基于空間設計和管理的建筑和城市規劃領域，雖然已經廣泛實現了CAD設計，但在論證和管理方面仍舊停留在二維平面圖紙以及物理模型等傳統表現工藝階段，還談不上真正的數字化設計與管理。

四川師范大學三維地圖虛擬導航系統就是立足于將視景仿真技術在三維地圖及導航方面普遍化，技術難度簡單化，在不改變真實空間環境原有的內容前，更加簡潔有效的利用此技術來實現虛擬空間環境中的多部門、多人的互相配合，提高各行業、各部門的工作效率。

參考文獻：

[1]張尚弘，易雨君，王興奎.流域虛擬仿真模擬[M].北京：科學出版社，2011（03）.

[2]丁克勤.虛擬仿真技術應用.北京：機械工業出版社，2010（10）.

[3]王正盛，陳征.VRP11＼3ds Max虛擬現實制作標準實訓教程.北京：印刷工業出版社，2011（09）.

[基金項目]2014年四川師范大學實驗技術與管理項目（項目編號：SYJS2014-20）。