基于VRP的虛擬校園系統構建方法的研究

摘 要：近幾年來，虛擬現實行業在全球迅速發展。虛擬現實技術的其中一個應用就是虛擬校園的建設，文章利用3ds Max建模軟件進行三維虛擬校園的建模，利用VRP三維交互仿真平臺實現虛擬校園的交互仿真。該方案能夠確切保證模型的精度和實時渲染的要求，可供今后校園漫游建設借鑒。分別從數據收集、模型建立和優化及交互實現等方面進行探討。

關鍵詞：VRP；虛擬校園；三維建模；模型優化

引言

虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域。它具有多感知性、沉浸感、交互性、構想性等特征。將虛擬現實技術應用于虛擬校園的建設，可以做到實時交互，能讓用戶在虛擬空間中有身臨其境之感。

通過虛擬校園，能讓人對整個學校有清晰的認識，方便用戶熟悉校園內部的交通環境、對校園信息的訪問；另一方面可以用來輔助解決校園規劃、設計中方案的一些問題，促進了學校的建設發展[1]。虛擬校園漫游系統的設計流程如圖1所示。

1 素材收集

三維虛擬校園的構建，力求精美、客觀、符合實際，所以實現虛擬校園最基礎的環節是關于校園地理信息和紋理貼圖素材的相關數據收集。

地理信息的數據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），也可以自己親自去測量并作簡單的估算，主要獲取各個建筑物的大小、高低及名稱等。

通過實景拍攝表現材質特征的部分來收集紋理貼圖素材，在拍攝時盡量避開建筑物，使用自然光線并保持均勻并注意曝光過程，拍攝后的圖片用Adobe Photoshop軟件進行處理，處理完成后進行分類歸檔。

2 場景建模流程

校園場景中包含大量的建筑和景觀，3ds Max場景建?？煞譃榈孛娼?、建筑物建模（包括室內建模）、環境小品建模等，方便建模操作和后期修改以提高建模速度。

2.1 地面建模

根據圖紙利用CAD繪制出由多個小區域組成的校園輪廓圖。將平面圖導入3ds Max中并將所有小區域轉化成平面，繪制出校園的地面模型。

2.2 建筑物建模

3ds Max有多種建模方式，常用的有幾何體建模、修改器建模、多邊形建模、NURBS曲線、細分曲面等[2]。考慮到要控制數據量和對比各建模特點，選擇多邊形建模為主，其他建模為輔。將校園輪廓圖導入到3ds Max中并根據相應的尺寸進行相應擠出。利用連接、插入、分離、輪廓、倒角、放樣和布爾運算等功能對于復雜的建筑物和室內再進行精細建模。建模完成后進行優化處理。

2.3 環境小品建模

環境小品相當多，如樹木、石頭、旗桿等。VR場景的導出及VR場景的打開速度受VR場景的模型個數影響極大。所以，對環境小品的建模，我們采用Billboard技術，用單個面片賦予其鏤空貼圖的方式來表現花草樹木的效果[3]。在導入VRP后，面片自動面向相機，在保證精度的同時，提高了系統運行流暢性。以樹木的創建為例說明：

（1）在3ds Max中創建一個面，并將其前綴修改為“bb-”；（2）在材質編輯器中，將樹的彩色位圖與灰度位圖分別賦予“漫反射顏色”和“不透明度”通道。并且在“不透明度”通道下的“單通道輸出”方式下勾選“Alpha”選項；（3）將編輯好的材質賦予面片物體；（4）此時渲染可得到真實的樹的模型[4]。如圖2所示。

2.4 材質貼圖

材質是是指在著色物體表面出現方式，用來指定物體的表面或數個面的特性?！百N圖”是指定到材質上的圖形。紋理的作用是給物體提供豐富的細節，用簡單的方式模擬出復雜的外觀，是在視覺效果上對真實材料的模擬。對于簡單的模型，只需對模型材質的漫反射通道設置位圖貼圖即可；UVW貼圖可以在自己想把貼圖位置詳細設置的時候使用，所以對于復雜的模型可進行UVW貼圖和UVW變化設置。如圖3所示。

2.5 燈光布置

燈光是虛擬現實三維仿真中很重要的部分，燈光的調整可讓整個場景更趨于真實，直接影響其模擬的逼真程度。本設計中用的是“三點照明”。但是由于場景大而復雜，我們把場景分隔成一個個較小的區域，然后各個區域再利用“三點照明”的方式解決照明問題[5]。

3 模型優化

VR場景的模型個數過多也會直接影響到VR場景的導出及VR場景的打開速度。所以對于校園這樣一個大規模的復雜場景來說，模型優化是非常必要的，優化方法如下：（1）將相同材質的物體進行合并或塌陷從而減少模型個數；（2）通過刪除模型與模型之間的重疊面、刪除模型底部看不見的面、刪除物體之間相交的面、創建bb-物體等方法減少模型的面數；（3）烘焙貼圖時要遵循一個優化原則：對重要的建筑模型烘焙尺寸盡量大；對于比較小的模型，其烘焙貼圖尺寸適當小。其中鏤空貼圖不需進行烘焙，另外盡可能的重復利用已有的貼圖，以減少貼圖量[4]。

4 導入VRP并添加效果

在3ds Max中處理完成后，利用VRP-for-Max插件，將場景導入到VRP編輯器中進行交互設計。

（1）創建天空盒，可使場景更加逼真和美觀，增加真實感。（2）添加霧效，讓場景更豐富多彩。（3）添加路徑，并創建骨骼動畫使其更加有生氣。（4）添加行走相機、旋轉相機和飛行相機等，并添加控件來控制相機的切換。用戶可以自由漫游、繞點漫游以及從空中鳥瞰整個校園。（5）開啟重力和碰撞檢測，可增強漫游的真實感。（6）編輯二維界面，添加指北針和導航圖，方便找到自己的實時位置。（7）添加背景音樂，使自己更加舒服的漫游在虛擬世界。（8）利用腳本編輯器中221個腳本命令，完成各種交互功能的設計。

5 結束語

文章主要研究利用3ds Max和VRP平臺場景漫游系統的構建方案和流程，在滿足漫游真實感的同時對場景和模型的優化方法進行了深入探討。VRP平臺提供了交互功能，文章中添加了天空盒、霧效、碰撞檢測等效果使校園場景更加逼真，利用VRP提供的221個腳本完成了對虛擬校園的構建。

參考文獻

[1]李建軍，李釗，原慶凱，等.虛擬校園系統關鍵技術研究[J].專題技術與工程應用，2010，40（3）：58-60.

[2]申蔚，夏立友.虛擬現實技術[M].北京：希望電子出版社，2002.

[3]梁智杰，李眾立.VR-Platform校園漫游系統研究與實現[J].計算機系統應用，2011，20（9）：124-127.

[4]馬賀清，陳建平，于淼，等.VRP虛擬校園建設及其關鍵技術[J].計算機系統應用，2012，5：153-157.

[5]崔新友，王培培.貼圖烘焙技術及其在城市三維景觀系統中的應用初探[J].科技信息，2010，15：473-474.