三維虛擬數(shù)字化校園實用技術(shù)實現(xiàn)研究

孫君菊，曾雪松

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，河南 信陽 464000）

隨著社會發(fā)展和招生宣傳的需要，數(shù)字化校園建設(shè)已成為各所高校信息化建設(shè)的工作重心，三維虛擬校園建設(shè)更是其核心。早期的2DGIS主要以平面制圖和平面分析為主，現(xiàn)在已被淘汰。中期的3DGIS主要以Flash和360全景技術(shù)應(yīng)用為主，但交互性和沉浸性差，也被新技術(shù)所取代。現(xiàn)在最多使用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和地理信息技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的綜合應(yīng)用來讓大學(xué)校園優(yōu)美的地理環(huán)境和高尚的人文信息以三維虛擬場景形式呈現(xiàn)給我們,實現(xiàn)大學(xué)校園數(shù)字化和虛擬化建設(shè)。我們不到學(xué)校，就可以上網(wǎng)瀏覽校園的一樓一室，一草一木，感受積淀深厚的校園文化，讓我們在計算機所創(chuàng)造的三維虛擬校園中漫游，猶如“身臨其境”。

本文主要以信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維虛擬數(shù)字化校園建設(shè)為例，對三維虛擬校園的設(shè)計方案和流程，數(shù)據(jù)收集與處理，三維建模與材質(zhì)貼圖等進行詳細的研究，給我們提供了一套完整仿真技術(shù)參考方案。

一、系統(tǒng)分析與開發(fā)流程

學(xué)校新校區(qū)占地2000多畝，坐落在交通便利的羊山新區(qū)。學(xué)院南大門緊靠312國道，西大門門前是通往滬陜高速的“咽喉”的信陽24大街，東邊緊臨信陽高鐵火車站，北邊是正在建設(shè)中的龍飛山森林公園。學(xué)院環(huán)境優(yōu)美，是莘莘學(xué)子求學(xué)和生活的好地方。學(xué)院設(shè)有20個黨政群團部門和19個教學(xué)院部，開設(shè)51個專業(yè)，圖書館藏書125萬冊，在校生19486人。校區(qū)與山相依，依景造景，校園建筑素雅清新，將學(xué)校文化底蘊與現(xiàn)代教育特色相融合，不斷營造出綜合、科技、人文、生態(tài)為主題的三維虛擬數(shù)字化校園系統(tǒng)。

虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)流程主要包括四個方面，分別是三維建模前期數(shù)據(jù)準備與處理、三維場景模型的創(chuàng)建、漫游系統(tǒng)的設(shè)計、交互功能的實現(xiàn)。實施步驟如下:首先，按照三維虛擬校園設(shè)計構(gòu)想，采集與收集相關(guān)平面圖設(shè)計原始資料和現(xiàn)有景觀圖片，并做好相關(guān)處理。其次，按照校園實際尺寸比例構(gòu)建三維校園模型，主要包含學(xué)校地形、主體建筑、花草樹木和規(guī)劃綠地等。再次，建立漫游系統(tǒng)，即設(shè)計三維虛擬場景漫游系統(tǒng)。最后，實現(xiàn)交互功能，真實地體驗三維虛擬校園仿真功能。

虛擬校園三維模型主要分為建筑模型、地物模型、地形模型三類。目前，主流三維設(shè)計軟件有3dsMax、MAYA和VRP等。本系統(tǒng)采用3dsMax2010建模，3ds Max是Autodesk公司研發(fā)的一款三維動畫設(shè)計軟件，其功能強大，易學(xué)易用，廣泛地應(yīng)用于動畫游戲設(shè)計、建筑設(shè)計、人文景觀設(shè)計等三維建模領(lǐng)域。

二、三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）數(shù)據(jù)收集與處理

一般來說，數(shù)據(jù)收集與處理主要是校園景觀平面圖和校園設(shè)計圖紙等相關(guān)資料。因為三維建模需要，我們可以用相機把現(xiàn)有的學(xué)校建筑物，人文景觀等外觀照片拍下來，然后用PS軟件預(yù)處理，以便作為紋理貼圖。考慮制作成本和優(yōu)化方案，結(jié)合我校實際情況，我們采取借閱學(xué)院新校區(qū)建設(shè)原始設(shè)計資料。校園原始設(shè)計CAD文件都可以從學(xué)校檔案室找到，這就大大減少了我們設(shè)計工作量。AutoCAD和Photoshop軟件在此就不做詳細介紹。

（二）3dsMax三維建模

1.建筑模型建模

校園建筑物建模是建三維虛擬校園模型的重點。3dsMax軟件基于Windows平臺，與Auto CAD同是Autodesk公司的產(chǎn)品，使用3dsMax進行三維建模可以實現(xiàn)與Auto CAD文件很好的兼容，二者配合能夠做出精準模型。大概過程是先導(dǎo)入CAD參考圖到3dsMax軟件，然后建立灰色輪廓模型，展開UV圖，不斷進行貼圖繪制，最后添加燈光，進行效果圖渲染輸出。下面以信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)汽車學(xué)院辦公樓為例進行分析建筑物建模。

第一步，將原來處理好的AutoCAD平面圖導(dǎo)入3ds Max軟件的頂視圖中，作為參照圖，截圖如下圖1所示:

圖1辦公樓模型參考圖

第二步，采用最優(yōu)化模型設(shè)計思想，盡可能減少面數(shù)，把窗戶和墻體盡可能設(shè)計在一個平面上，但對突出的部分輪廓，必須按原型建模，避免模型失真。3dsMax幾何建模方法分3類，即Polygon（多邊形建模）、NURBS（非均勻有理B樣條曲線建模）、Subdivision Surface（細分曲面技術(shù)建模）。本文采用Polygon法建模，該方法主要是用一個個小平面支拼合物體表面，然后利用修改器進行修改，最后制作成規(guī)則的物體。此法特別適合建筑物建模。做出模型截圖如下圖2所示。

圖2辦公樓模型圖

第三步，模型建好后，為多邊形曲面創(chuàng)建貼圖，首先創(chuàng)建UV。UV是與多邊形頂點相關(guān)的點，為物體應(yīng)用紋理圖提供所需要的信息。每個UV點直接依附于模型的每個頂點，位于UV點的紋理像素將被映射到UV所依附的頂點上。使用UV編輯器來展示模型的UV，截圖如下圖3所示:

圖3辦公樓模型UV展示圖

第四步，利用前期照相機拍攝照片，用Photashop軟件處理好，添加材質(zhì)貼圖。其過程是首先選定需要添加材質(zhì)貼圖的模型，打開UVW貼圖選項，設(shè)置好貼圖的坐標、方式和位置等參數(shù)，準確地進行模型貼圖，截圖如下圖4所示。

圖4辦公樓UVW貼圖

第五步，燈光是提高三維虛擬仿真效果的重要方法。靈活地運用燈光組合，能夠更加有效地美化虛擬校園。 3dsMax中常見的燈光有 Skylight、Target Spot、Target Direct等，Skylight一般來自一個固定方向，能夠均勻散射，在場景中不同位置讓人感受到的亮度都是一樣的，因此在模擬天空和太陽光散射時光照效果都很好。本例使用該燈光進行渲染輸出。模型效果截圖如下圖5所示：

圖5辦公樓最終效果圖

2.地物模型建模

校園景觀主要就是樹木和花草。蔥蔥郁郁的樹木和嬌艷芬芳的花草都象征著學(xué)校深厚的歷史文化底蘊，不但給人一種幽雅寧靜感，也能給人一種真實感。系統(tǒng)采用了目前最為流行的Doubleboarding技術(shù)，使用圖像代替實物的模型設(shè)計方法，即把一個準備好的樹木或花草貼圖貼到這個模型表面上并進行透明處理，設(shè)置好Alpha。該方法操作簡單，占內(nèi)存小，生成速度快，視覺效果好。

3.地形建模

地形模型主要用于描述地面起伏狀況，用于提取各種地形參數(shù)并進行透視分析。其表達方法多種，包括等高線、三角網(wǎng)和網(wǎng)格等。常用的建模軟件有SketchUp、Auto和3dsMax等。本系統(tǒng)地形模型采用校園原始地形測繪CAD圖紙，利用Auto CAD2010進行建模，只保留等高線，其余的線條全部刪除。

本文對三維虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計的總體思路進行了分析研究，系統(tǒng)地展示了3dsMax軟件開發(fā)三維場景的方法以及流程，以實例形式設(shè)計并實現(xiàn)了信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維虛擬校園原型系統(tǒng)開發(fā)。在模型創(chuàng)建過程中，采用虛實結(jié)合的方法減少了模型數(shù)量，節(jié)省了磁盤空間，為后續(xù)交互開發(fā)和網(wǎng)上發(fā)布做好了鋪墊。但由于本文側(cè)重技術(shù)應(yīng)用研究，沒有詳細論證各種模型的設(shè)計理論，對校園復(fù)雜建筑樓群以及復(fù)雜人文景觀，還有地表空間如花園樓閣、湖泊、假山、池塘等建模均沒有提及，還需要做大量建模工作，進一步完善理論論證和實踐應(yīng)用開發(fā)。

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