三維虛擬校園漫游研究設計

□史素霞 宋志英

一、引言

在當今“數字城市”和“智慧城市”的大背景下，數字校園作為這個大背景的微觀組成部分，越來越受到大部分高校的青睞，尤其是三維數字可以通過網絡漫游系統的發布，可以更加方便地實現社會上對校園的認識和了解。目前，三維虛擬校園的實現主要有兩種方式:一種是發揮高級編程語言的優勢，完全運用編程方式實現，如VRML、OpenGL、Java3D等;另一種則運用集成的3D建模軟件建模實現，如3Dmax、Maya、Skyline等。

二、校園景觀三維建模

目前，實現三維建模的軟件較多，可以根據任務需要和各種軟件在三維建模中優缺點合理選擇三維建模方式，以下簡單介紹幾種常用到的三維建模軟件。

(一)Auto CAD三維建模。Auto CAD在三維建模方面具有速度快、精確等優點，同時Auto CAD包含工程標準、精確材質賦予以及大量的屬性數據及用于工程規劃和靜態圖形生成的、基于復雜規則的數據。但它在光照和紋理貼圖等方面的效果相對于3DSMAX差一些。AutoCAD建模時對圖上所有地物按材質進行分類，如:湖泊、苗圃、林地、路燈、建筑物、井蓋等。分類完成后再按照不同地物類別提取相應圖層，以地物分類名對圖層進行命名，并且提取每個圖層保存為一個AutoCAD文件。對比較有代表性的建筑物進行建模，為了提高建模速度最好每一個建筑保存一個文件。對于經常要用到門窗、陽臺等模型，最好先各自做好一個模型進行保存，根據需要可進行復制和修改，以提高建模效率。將建好的各部件模型復制到提取出的建筑物圖層中，完成建筑物三維建模，并移動建筑物到實際的坐標位置進行保存，其他地物建模方法同建筑物建模方法，各種地物模型建好以后，整合到一個統一的Auto CAD文件中完成整體校園的三維建模。

(二)Creator三維建模。MultiGen Crearor是美國Multi-Gen-Paradigm公司開發的一款功能強大、交互式的三維建模軟件，專門用于創建視景仿真的三維模型。它通過“所見即所得”的交互式建模環境使用戶可以方便地對模型進行編輯，其強大的建模工具箱，可以對現實世界中各種復雜對象完美表達。綜合應用Creator的建模工具和關鍵技術可以得出最優化的三維模型。

Creator校園三維建模在對校園地物進行分類基礎上，一是按照校園地物復雜程度進行二級或者三級分類，鑒于一般規模校園進行二級分類就可以，比如一級分類可包括建筑物、交通設施、綠化場、休閑娛樂設施等。在一級分類基礎上再進行更加詳細的二級分類，比如建筑物類里包括餐廳、教學樓、辦公樓、學生公寓、圖書館等，其他分類同此法。Creator校園三維建模所用數據包括通過傳統測繪方法得到的空間數據，也可以由遙感影像數據數字化得到這些空間數據，包括平面數據和高程數據，空間數據質量的好壞將直接影響模型建成后的精度，由于一般學校管理或者參考的三維模型對精度要求不是太高，所以空間數據精度對于建模容易得到保證。二是用于體現各地物真實感的紋理數據，紋理數據的質量往往直接影響地物的真實感，紋理數據的采集可以采用高分辨率的數碼相機，在紋理數據的采集過程注意從多個角度對各地物進行紋理數據采集，同時要注意數據采集的天氣情況、背景以及成像的穩定度，這些將影響到模型的美觀效果。紋理數據的后期制作主要借助于圖形處理功能，主要是光學效果處理有很大優勢的phtoshop來完成，主要是根據實際地物大小制作合適的紋理單元，再者為了將來模型美觀往往對紋理進行一些亮度、變形處理，目的是使紋理數據既能保證模型的真實感又不失其觀感性。Creator建模借助于工具箱提供的各種標準幾何體來完成，比如:一般標準矩形建筑物可由box工具直接來完成，可以根據cad等底圖勾畫出既有建筑物的平面輪廓，在根據高程數據將建筑物拉伸到實際高度即可。不同樓層可以有紋理數據來反應，一般采用四點映射法貼圖處理。對于比較復雜的觀賞性較強的建筑物則需要借助工具箱里的多種幾何體來實現。需要注意Creator在構建模式一般采用自下而上的順序來進行。三是進行模型優化處理，對于模型中數量比較多的，形狀完全一致的地物，可以采取實例化的方法減少數據冗余度，實例化方法顯示模型其實質是對內存中的原始模型進行坐標平移、比例、旋轉變換。對模型進行LOD(Level of Detai l層次細節技術)處理，應用LOD技術主要是基于提高仿真系統顯示速度考慮的，在實時應用系統運行時根據視點到對象的距離來確定繪制哪個級別的模型，因為視點距離較遠時繪制細節程度較高的模型對仿真效果沒有多大提高，反而影響系統運行速度。

(三)3DMax三維建模。3DMax是Autodesk公司開發的基于PC系統的，主要用于各種物體三維建模、可視化設計、動畫和渲染等解決方案，是一種制作建筑效果圖和動畫制作專業工具，因此3DMax在校園三維建模中具有明顯的優勢。3DMax建模的流程大致如下:首先啟動軟件，設置單位，一般單位設置為米，以CAD底圖為基礎進行三維建模，直接導入CAD底圖在此基礎上勾畫出各種地物(主要是建筑物)的輪廓，如果沒有CAD矢量圖，可以在影像圖如googleearth上截取建筑物底圖，通過測量確定所截取建筑物圖片長寬比例。然后根據這個比例創建box，截取圖片貼到box確定建筑物長寬，根據截圖進行建筑物輪廓勾畫，確定建筑物的材質。最后根據高度信息擠壓建立建筑物的立體模型，將采集的紋理數據進行貼圖，進行模型的優化，包括模型結構優化和模型貼圖優化，模型結構優化主要是在保持模型實際效果的前提下，盡量減少不必要的點、線、面造成的冗余度。貼圖優化主要是針對紋理數據進行亮度處理，根據需要調整紋理像素尺寸，以達到視覺效果更加逼真。

(四)Sketchup、skyline等比較簡單快捷的建模方法。以上每種建模方法都有其優缺點，這就要求在進行校園建模時，根據實際場景需要可以選擇多種建模方法實現優勢互補，比如為了達到逼真的視覺效果，在建筑物建模時可以采用光度處理效果比較好的3DMax，而對于數據精度要求不高的綠地植被等可以考慮建模比較方便適用于景觀設計的Sketchup建模軟件，總之在進行建模的過程中要達到效率和質量的最佳結合。

三、基于Unity3D三維數字校園漫游設計

Unity3D是一種跨平臺的三維動畫漫游軟件，該軟件除了具備常規的動畫漫游外，還具有一定的編輯功能，Unity3D作為一個整合跨平臺的專業三維動畫引擎更適合三維數字校園漫游系統的實現。除此之外Unity3D具有較高的性價比，并可以將三維效果圖以網頁方式使不同用戶進行瀏覽，且不需要任何客戶端。Unity3D支持各種腳本語言，其中包括JavaScript、C#、Python，兼容各類操作系統，真正地實現跨平臺。

Unity3D實現三維數字校園漫游首先利用各種建模軟件進行三維數字校園建模，并導出fbx.格式文件，建立場景數據庫，開發者在對用戶信息進行調查的基礎上，按相機控制、碰撞檢測最后進行Unity3D渲染完成虛擬現實的實現。由于校園場景要實現網頁瀏覽，因此對軟件大小有較高要求，必須保證用戶在網絡上瀏覽的暢通。

四、結語

要實現三維數字校園建漫游系統還需要投入更大的人力和物力，因此還有待進一步的建模、實現和開發。

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［3］顧朝林，段學軍，于濤方.論“數字城市”及其三維再現關鍵技術［J］.地理研究，2002，21，1:14～24

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［5］賈涼.基于Creator/Vega城市環境仿真系統的研究［D］.武漢大學，2005

［6］伊力哈木江·巴圖爾，崔龍，張紅忠，買買提明·買提玉蘇甫.基于Unity3D的三維數字校園漫游系統［J］.開發案例，2010，36:90～93