桌面式三維虛擬校園實現的關鍵技術研究

朱喜基

摘 要：隨著虛擬現實技術的不斷發展，三維虛擬校園的建設成了數字化校園建設的一項重要項目。三維虛擬校園不僅可以幫助校園的規劃管理，還可以作為學校的宣傳名片，甚至還可以進行多媒體教學，發展虛擬教學課堂。文章就桌面式三維虛擬校園實現的關鍵技術進行了研究，分別從數據收集、制作三維場景、制作漫游動畫、生成人機交互等方面進行了探討。

關鍵詞：虛擬校園；建模；漫游動畫；交互

虛擬現實是通過計算機來模擬一個三維空間的虛擬世界，為使用者創建一個具有身臨其境感覺的環境。三維虛擬校園正是將虛擬現實技術應用到校園文化建設，生成三維虛擬校園，其不僅可以幫助校園的規劃管理，還可以作為學校的宣傳名片，讓來訪者足不出戶領略校園風光和校園文化，甚至還可以進行多媒體教學，發展虛擬教學課堂。常見的三維虛擬校園有兩類，即桌面式虛擬校園，其是通過計算機屏幕來觀察虛擬環境，外部輸入設備主要為鍵盤鼠標；沉浸式虛擬校園，其需要佩戴虛擬現實設備來實現與虛擬環境中的對象進行交流，比如頭盔顯示器。桌面式虛擬校園制作成本低，功能簡單，易于推廣，深受廣大高校喜歡，文章就桌面式三維虛擬校園的實現，談談其關鍵技術，主要包括數據數據收集、制作三維場景、制作漫游動畫和生成交互。

1 數據收集

三維虛擬校園都是在真實校園基礎上進行構建的，力求客觀、精美、符合實際，所以關于校園的相關數據收集是實現虛擬校園最基礎的環節，這些數據主要包括地理信息和紋理貼圖素材。

地理信息，主要包括各個建筑物的大小、高低及名稱等，關于這部分的數據的采集可以自己親自去測量并作簡單的估算，當然也可以到學校的相關部門去獲取校園規劃工程圖紙文件（CAD文件）。

紋理貼圖素材的收集主要是靠實景拍攝，拍攝時要使用高像素的相機從不同的角度去拍攝可以表現材質特征的部分，在拍攝的過程中要注意曝光過程、使用自然光線并保持均勻，盡量避開建筑物，在拍攝后根據各建筑進行分類歸檔。

2 制作三維場景

三維虛擬校園場景的實現一般是通過Auto CAD和3ds max這兩款軟件，其中Auto CAD主要是用來生成平面圖，為后面三維立體模型的制作提供依據。3ds max主要是用來對各建筑物進行建模。在創建的模型的時候，我們要時刻把握一條準則，即模型制作要精簡，也就是說，在不影響模型質量的前提下，讓模型的點面數要盡量的少，否則整個工程的數據量會非常大，實時渲染會非常吃力。三維虛擬模型主要包括建筑樓群、道路、小湖水、樹木和草地，不同的模型選擇適合其的建模方法。比如，建筑樓群模型的創建主要是采用多邊形建模，采用調整點、線、面來完成模型的制作；道路模型可以在二維圖形的基礎上進行擠出生成三維模型，然后為其添加合適的修改器，對細節進行微調；樹木模型，近景樹木就用樹木插件來制作，因為其能看到細節，而遠景樹木對細節要求不是很高，就可以使用兩個交叉的十字平面，為其賦予帶透明通道的貼圖即可。另外，建模時需要注意的是由于場景中模型較多，可以適當的將建好的模型隱藏或凍結以防誤操作。

僅僅模型還不能夠呈現真實的三維校園，最后我們要為三維場景中的模型穿上“衣服”，即為模型添加材質和紋理貼圖，它將直接關系到所建模型的逼真程度和視覺效果。材質可以讓物體展示出其本質，我們可以利用3ds max自身的基本材質和Vray渲染器來完成；紋理貼圖可以呈現模型表面是什么圖案，比如草地，我們可以為草地模型重復草的貼圖，從而得到較真實的草地。需要說明的是，一般情況下紋理貼圖都是要通過Photoshop來編輯加工，使紋理圖像符合要求。

3 制作漫游動畫

生成的漫游動畫，燈光必不可少，因為自然界中物體的顏色和質地都要靠燈光來表現，校園漫游動畫的燈光效果一般分為日景效果和晚景效果。在制作日景效果時，主光源應選擇目標平行光和vary燈光來模擬日光和太陽光，輔助光源可以根據場景需求添加，主要用來改善由主光源造成的陰暗面。在制作夜景效果時，大部分采用泛光燈，在夜晚，建筑細部的可見度取決于亮度，通過設置泛光燈的數量、位置和投射角度可以得到增強立體感的效果。一般來說，用分隔的成組泛光燈沿同一方向向受照對象投射，或從兩個方向以對比的色調投射。需要說明的時，有的建筑中的燈光效果只有在夜晚才能體現出特點，而建筑在夜景中的表現比白天的表現有時候更吸引人。

燈光設置好就可以根據漫游動畫腳本進行設置漫游動畫了，漫游動畫的實現一般是通過攝影機來完成的，設置攝影機動畫的時候一般就兩個步驟：（1）根據腳本為攝影機創建一條動畫路徑。（2）使用路徑約束將設定好的路徑賦給自由攝影機，這樣就可以渲染漫游動畫了。這里需要說明的是最終生成的漫游動畫不是在3ds max場景中一口氣全部渲染完成的，而是根據動畫腳本渲染多個片段，最后通過后期編輯軟件合成的。比如對校園中的小湖進行展現時就是通過多個角度，多個方向來展現的，其就無法一口氣渲染完成，而是渲染多個片段，最后合成。

4 生成交互

當然，有時候僅僅觀看三維虛擬漫游動畫還不能夠真正有身臨其境的感覺，因為所觀看的都是制作者根據自己的思路來完成的，真正的身臨其境的感覺是通過交互完成的，來訪者通過交互來觀看校園的每個地方，而不是受制作者影響。在制作虛擬交互時，有多個平臺可以實現比如：（1）VRML，它是虛擬現實三維立體網絡程序語言。3ds max提供了VRML的接口，將3ds max建立的模型導入到其中，再利用VRML對模型進行動態交互的編程空控制。（2）virtools，用戶可以利用它快捷地生成具有真實互動行為的虛擬交互場景，最終是發布成EXE或基于WEB瀏覽的文件。（3）Unity3D，主要是為虛擬現實開發簡易軟件而發布的，其提供了簡單易操作的三維優秀創作平臺。

這里筆者為大家推薦的是VRP，VRP是一款由中視典數字科技有限公司獨立開發的具有完全自主知識產權的直接面向三維美工的一款虛擬現實軟件，其操作簡單、適用性強、所見即所得、高度可視化。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式進行，不需要程序員參與。VRP平臺安裝好后，在3ds max中會生成一個VRP導出插件，我們正是通過該插件將建設好的三維虛擬場景導入到VRP-builder中。需要說明的是，如果VR場景較大時我們要進行分批烘焙，分批導出。接著我們就可以在VRP中生成虛擬漫游系統，創建行走和飛行相機，設置好檢測碰撞，設計好漫游路線，整個虛擬場景就可以用第一人稱的視角來瀏覽了。為了效果更加逼真，我們可以為場景添加自帶的各種用動態貼圖制作的情景動畫（如花園噴泉、校車、師生員工等）和天空盒、舞效、太陽光暈等特效。當完成了上面的操作后，就可以將場景文件生成WEB文件進行網絡發布了，其文件是VRPIE。

5 結語

三維虛擬校園已經在逐漸走進各個高校，正是其具有真實、互動、情景化的特性，深受廣大使用者喜愛。目前大部分高校的三維虛擬校園僅局限于校園風景的瀏覽，隨著虛擬現實技術的日益成熟，虛擬校園將會陸續添加虛擬網上課堂、虛擬實驗室等，使得三維虛擬校園真正成為學校的名片，成為學生學習的場所，使真正意義上的數字化校園走進我們的生活。

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