基于三維激光掃描技術(shù)和VR-Platform的校園虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計

楊曉波, 陳邦澤, 張文翔, 曹海龍, 李欣亮, 趙 青

(西藏民族大學(xué) a.信息工程學(xué)院, 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點實驗室; b.教育學(xué)院, 陜西 咸陽 712082)

基于三維激光掃描技術(shù)和VR-Platform的校園虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計

楊曉波a, 陳邦澤b, 張文翔a, 曹海龍a, 李欣亮a, 趙 青a

(西藏民族大學(xué) a.信息工程學(xué)院, 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點實驗室; b.教育學(xué)院, 陜西 咸陽 712082)

為了緊跟高校信息化和數(shù)字化校園建設(shè)的步伐，利用三維激光掃描技術(shù)和VR-Platform設(shè)計，實現(xiàn)三維校園虛擬漫游系統(tǒng)。運用三維激光掃描技術(shù)采集校園主要建筑點云，用3ds Max建立校園建筑三維模型，以衛(wèi)星地圖截取校園地圖為背景制作校園地形、道路、輔助設(shè)施、樹木花草三維模型，合并簡化三維模型、材質(zhì)貼圖、燈光布置、烘焙后將模型導(dǎo)入VR-Platform ；制作導(dǎo)航圖、架設(shè)多臺相機、設(shè)置碰撞檢測、添加骨骼角色、嵌入多媒體；通過鍵盤、鼠標(biāo)和距離觸發(fā)查看校園介紹等內(nèi)容，實現(xiàn)虛擬場景的人機交互控制。結(jié)果表明：通過這種方法建立的虛擬校園場景逼真，沉浸感強，可多角度全方位自由漫游，在校園處突等方面能發(fā)揮一定的作用。

虛擬校園漫游系統(tǒng)； 點云； 三維模型； 虛擬現(xiàn)實； 交互

0 引 言

虛擬校園漫游系統(tǒng)(Virtual Campus Roaming System)是利用虛擬現(xiàn)實、地理信息系統(tǒng)、多媒體和計算機圖形學(xué)等高新技術(shù)將校園地理空間信息和校園特有屬性信息相結(jié)合，構(gòu)建逼真而且具有視覺、聽覺的虛擬校園景觀，用戶可以在虛擬校園中漫游、查詢等操作。

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的建立主要分為場景建模和在虛擬現(xiàn)實軟件中實現(xiàn)漫游兩大部分。3ds Max簡單直觀的建模方式和其強大的材質(zhì)貼圖功能，及其與 VR-Platform的完美兼容性使得虛擬校園漫游得以很好地實現(xiàn)。本文利用三維掃描技術(shù)、3ds Max多邊形建模技術(shù)和VR-Platform 虛擬現(xiàn)實平臺軟件相結(jié)合實現(xiàn)了校園三維虛擬漫游和人機交互功能。

1 三維虛擬校園漫游系統(tǒng)總體架構(gòu)

本漫游系統(tǒng)利用三維激光掃描技術(shù)對校園主要建筑進(jìn)行掃描采集點云數(shù)據(jù)，以點云為參照物利用3ds Max軟件對主要建筑進(jìn)行建模，通過衛(wèi)星地圖等數(shù)據(jù)取得校園平面圖，以校園平面圖為藍(lán)本將校園主要建筑以合適的比例擺放在其合適的位置，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出校園道路、其他輔助設(shè)施以及樹木花草，通過實地拍攝照片和PS技術(shù)獲得真實的建筑和道路紋理，設(shè)置材質(zhì)貼圖、設(shè)置燈光并經(jīng)過烘焙后將場景導(dǎo)入VRP，在VRP中加入碰撞檢測、相機、導(dǎo)航地圖、骨骼動畫并添加背景音樂，進(jìn)行腳本設(shè)置以及界面設(shè)計，達(dá)到交互漫游的目的，最后完成具有多種漫游方式的三維虛擬校園漫游系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 校園虛擬漫游系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱為實景復(fù)制技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的特點，通過掃描采集到掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，解決了大型建筑結(jié)構(gòu)尺寸難以測量的問題，并節(jié)省了大量的人力物力。

本文利用Trimble TX5三維激光掃描儀對校園主要建筑進(jìn)行掃描采集到彩色點云。下面以主教學(xué)樓為例進(jìn)行介紹，主教學(xué)樓結(jié)構(gòu)較復(fù)雜由多個部分構(gòu)成，需要設(shè)置多個站點進(jìn)行掃描，既要保證相鄰站點之間有重疊的區(qū)域(以便后期的配準(zhǔn))又要保證站點不能太多(否則會產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù))，接著對采集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接，配準(zhǔn)后的點云數(shù)據(jù)再經(jīng)過刪除雜點，去除噪聲，處理冗余點，數(shù)量優(yōu)化后保存[1-3]。進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入3ds Max中的主教學(xué)樓點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入3ds Max中的點云數(shù)據(jù)

3 三維模型建立

三維模型是整個工程的基石，在VRP中制作場景實現(xiàn)漫游效果都依賴于此，模型建立得好與壞關(guān)系到最終交互系統(tǒng)的效果。在建立模型時，可根據(jù)校園內(nèi)場景的實景情況，優(yōu)先選擇大型建筑物建模，然后再把大型建筑物周圍的對象依次建模形成一片完整的區(qū)域，最后把場景中所有的模型按照實際位置以相應(yīng)的比例擺放到合適的位置。

3.1校園主要建筑的三維模型建立

下面以綜合實驗樓為例，介紹通過點云數(shù)據(jù)在3ds Max中建模的過程。建模過程中以點云數(shù)據(jù)為參照物捕捉綜合實驗樓底部點云勾勒出主要綜合實驗樓輪廓線，用修改器中的擠出命令將樣條線擠出完成墻體，將其塌陷成可編輯多邊形，然后用分割、連接、擠出、輪廓和倒角等命令制作出門、窗、柱子等細(xì)節(jié)，門、窗、柱子等的位置和尺寸也是通過點云精確取得。因為三維模型最終要導(dǎo)入VRP中并實現(xiàn)漫游，所以在建模時應(yīng)盡量減少模型的面片數(shù)，以達(dá)到簡化模型的效果從而兼顧速度和精度；對距離相近或相連的模型可合并處理[4]。另外應(yīng)注意每建出一個子模型都要用樹狀命名法進(jìn)行命名，最終完成的綜合實驗樓模型如圖3所示。

圖3 貼圖后的綜合實驗樓三維模型效果

3.2材質(zhì)和貼圖

虛擬校園是虛擬現(xiàn)實世界真實存在的場景，其所表現(xiàn)的視覺效果和逼真程度很大一部分是由三維建筑物的紋理所決定的，因此給三維模型賦予相應(yīng)的真實貼圖也是建模過程中重要的環(huán)節(jié)，尤其是對于過于復(fù)雜的模型可以直接用貼圖表現(xiàn)，構(gòu)造出復(fù)雜程度適中的模型，以達(dá)到模型質(zhì)量和系統(tǒng)速度間的平衡[5]。因此對校園進(jìn)行數(shù)碼相機實地拍攝采集圖片是非常必要的，并用圖片處理軟件如Photoshop對其進(jìn)行光線、色彩等的處理，以保證貼圖效果真實自然。為了使效果最優(yōu)，應(yīng)對金屬支撐架、大理石臺階和玻璃門窗等細(xì)節(jié)處單獨精細(xì)拍照，編輯、調(diào)色等處理后加以使用[6]，也可后期在VRP中對金屬、玻璃材質(zhì)進(jìn)行更精細(xì)處理。為了更好地管理和處理貼圖用PS制作uvw展開貼圖，貼圖時uvw貼圖和uvw展開修改器可方便地對貼圖進(jìn)行調(diào)整[7]。

3.3模型的擺放和道路等其他輔助設(shè)施的三維建模

通過衛(wèi)星地圖方式找到校園地圖制作出校園平面圖并保存成“AI”文件，將制作好的校園平面圖導(dǎo)入3ds Max，根據(jù)校園平面圖顯示的位置將模型導(dǎo)入并依次擺放。隨后在其基礎(chǔ)上建立道路和周邊的輔助設(shè)備模型，此期間注意多采用捕捉、對齊等方式以避免模型之間出現(xiàn)不必要的縫隙。道路、路燈、長椅和樹木及其他輔助設(shè)施在校園中可能所占幾何空間并不大，但是這些小景模型的精細(xì)制作可以更好地增加虛擬場景的真實感和親切感。另外對于校園內(nèi)樹木模型，后期在VRP對場景中模型面片數(shù)有要求限制，而看似簡單的樹木模型面片數(shù)由于量大，會大大加重系統(tǒng)負(fù)荷，所以系統(tǒng)中的樹木模型采用了十字面片或6到8個面片建模并直接賦予貼圖的方法，在逼真程度上會有一定程度的影響[8]，但卻能較好地提高系統(tǒng)效率。

3.4燈光的布置

3ds Max有自帶的燈光也支持Vray燈光，VRP也同時支持這兩種燈光。在整個場景的燈光布局中，遠(yuǎn)景燈光主要以天光來表現(xiàn)，通過調(diào)整位置、數(shù)量和參數(shù)達(dá)到預(yù)想效果；近景部分由于要展現(xiàn)出有些建筑物門窗的玻璃效果、水池的反射和墻上的射影效果等，需先根據(jù)實景狀態(tài)通過目標(biāo)聚光燈做出映射和反射效果，再通過在建筑圖周圍設(shè)置泛光燈來配合聚光燈以達(dá)到最佳效果。最后在模型外部設(shè)置泛光燈來烘托整個場景的光線。在布置燈光時應(yīng)盡量減少光源，光源太多會增加系統(tǒng)開銷，添加時應(yīng)按照先主光源后輔光源的順序。燈光的作用除了使模型更加逼真外，還應(yīng)考慮到襯托出聚光燈的燈光效果，所以在燈光的陰影貼圖中設(shè)置 “倍增”和“采樣范圍”等參數(shù)時應(yīng)注意[9]。

3.5模型烘焙

渲染是烘焙前非常重要的一項工作，可以用圖片的形式幫助我們查看場景中完成的模型效果和場景效果。Vray渲染器在性能和效果比較優(yōu)秀，所以采用Vray渲染器。可在3ds Max中加入多個攝像機，在不同的攝像機視角下查看近景處細(xì)節(jié)的貼圖、燈光、陰影和透明等效果，并加以調(diào)試和修改以達(dá)到項目需求。

烘焙是創(chuàng)建真實VR場景的必要環(huán)節(jié)，它將3ds Max中設(shè)置的燈光效果和材質(zhì)紋理等進(jìn)行光能傳遞計算，生成光照和陰影效果并以貼圖的方式保存到文件，使得場景更有厚重感、體量感，光感更細(xì)膩、更真實。烘焙時需要注意：① VRP只支持Complete Map和Lightinh Map這兩種烘焙方式的貼圖；② 烘焙的默認(rèn)紋理是256×256，但是對于大尺寸物體應(yīng)調(diào)整尺寸；③ 烘焙后的貼圖不能重名[10]。

3.6導(dǎo)入VRP前模型優(yōu)化

將制作好的模型導(dǎo)入VRP時，首先要對模型進(jìn)行成組或合并以避免在VRP中出現(xiàn)模型錯位分離的現(xiàn)象；同時要對貼圖進(jìn)行調(diào)整，否則會出現(xiàn)貼圖無法顯示的情況。如果出現(xiàn)上述問題：① 檢查是不是存在破面、重面現(xiàn)象；② 檢查是不是有重名的模型；③ 是否有空模型；④ 烘焙前對模型分層，需要烘焙和不需要烘焙的模型放在不同的層中，大小模型分別放在不同的層中；⑤ 將多維材質(zhì)一次性打散成標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)。

4 VRP 編輯和漫游效果設(shè)置

4.1VRP中場景的優(yōu)化

場景導(dǎo)入VRP后經(jīng)常會出現(xiàn)如閃爍、部分面片不顯示等情況，在建模過程中存在的一些問題在場景驅(qū)動時就會暴露出來，因此在建模時不用等到所有模型建立好后才導(dǎo)入VRP,而應(yīng)該建好部分模型就導(dǎo)入查看是否存在問題，并及時進(jìn)行修改調(diào)整，在后面的建模過程中也應(yīng)避免同類問題出現(xiàn)。如此可避免烘焙后才發(fā)現(xiàn)問題而出現(xiàn)重復(fù)返工現(xiàn)象。 烘焙后導(dǎo)入到VR-Platform中的場景應(yīng)仔細(xì)檢查場景中的模型是否有瑕疵，如果有接縫可在VRP中進(jìn)行縮放處理。如果出現(xiàn)模型破損等錯誤，就需要回到3ds Max中重新修改。在VRP中還可以通過本身的修改器對已有場景的材質(zhì)、紋理、陰影進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可在PS中改變貼圖色相和飽和度等以匹配顏色，調(diào)整銳化和曲線等命令增強貼圖色調(diào)的明暗對比。還需要注意的是3ds Max中的玻璃材質(zhì)在導(dǎo)入VRP后無法直接顯示其透明效果，需要對它進(jìn)行單獨的修改。為了真實再現(xiàn)天空選取相應(yīng)的天空盒，如日落、藍(lán)天、夜晚等[11]。另外對于池塘、湖面進(jìn)行菲涅爾水面設(shè)置，使得水面真實自然有動感。

4.2貼圖壓縮

為防止漫游系統(tǒng)運行時電腦出現(xiàn)卡頓或死機的現(xiàn)象，在 VRP編輯器中對整個場景的貼圖進(jìn)行壓縮優(yōu)化操作，以達(dá)到可用顯存總量大于總顯存消耗值的系統(tǒng)要求[12]。另外為了優(yōu)化VR場景貼圖在網(wǎng)頁中的下載速度和顯示精度，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時的JPG精度，重點模型貼圖把JPG精度設(shè)置得高一點，在發(fā)布成VRP的IE文件時圖片的清晰度就會相對的更高[13]。

4.3設(shè)計導(dǎo)航圖

導(dǎo)航圖是漫游系統(tǒng)的一項關(guān)鍵功能，用戶通過它可以方便地在虛擬場景中找到自己的準(zhǔn)確位置，并可通過它漫游到任何自己想去的地方，這將大幅度增加系統(tǒng)的交互性[14]。導(dǎo)航圖要根據(jù)校園平面圖和建立好的三維場景來制作，首先在 3ds Max中捕捉記錄下校園平面圖上最大和最小的的 x、y坐標(biāo)值；接下來高精度抓圖場景頂視圖,并對其處理另存為 PNG格式圖片；在VR-Platform編輯器中設(shè)置導(dǎo)航圖、添加相機，導(dǎo)航圖中出現(xiàn)的箭頭就是相機在導(dǎo)航圖中的位置，這時場景的實時導(dǎo)航就實現(xiàn)了。

4.4碰撞檢測

在虛擬場景中設(shè)置碰撞檢測實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)測以及用戶在與場景中不可穿越的虛擬物體發(fā)生碰撞時的反應(yīng)，能夠體現(xiàn)虛擬場景的真實性、實現(xiàn)用戶在環(huán)境中漫游時的互動響應(yīng)，使用戶在三維虛擬校園中漫游產(chǎn)生真實世界的舒適感，如此既保證虛擬場景的實時性和構(gòu)想性又保證了沉浸感。

4.5多媒體嵌入

在VRP中多媒體的嵌入有內(nèi)部嵌入和外部鏈接兩種方式。內(nèi)部嵌入可以用ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖3種方式，可以加載到三維模型上和界面元素上。外部鏈接需要使用腳本控制，在按鈕上添加“腳本文件”中選擇“打開任意文件”腳本并選擇所要鏈接的多媒體文件。需要注意的是外部鏈接式的多媒體在播放時需要加載外部組件才能播放。視頻媒體是關(guān)于學(xué)生文體活動、大屏幕電視等內(nèi)容，一般采用外部鏈接；音頻媒體分為背景音樂和解說詞兩部分，一般采用內(nèi)部嵌入。視音頻交互均采用距離式觸發(fā)交互方式，即當(dāng)用戶進(jìn)入到設(shè)定的距離范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動觸發(fā)所設(shè)置的內(nèi)容進(jìn)行播放，當(dāng)學(xué)習(xí)者退出設(shè)定的交互范圍時，系統(tǒng)自動停止先前觸發(fā)內(nèi)容的播放[15]。

4.6漫游系統(tǒng)實現(xiàn)

4.6.1骨骼動畫角色

骨骼動畫角色是多種漫游的基礎(chǔ)，許多相機都要附加在其之上。在“骨骼動畫”的角色庫中選擇人物模型，右鍵添加到當(dāng)前場景中對其進(jìn)行移動和縮放調(diào)整到合適大小，然后在動作庫中為角色添加場景中需要的動作。

4.6.2虛擬相機的設(shè)定

VRP中的漫游方式主要有自主式漫游和沿固定路徑漫游。固定式漫游是按系統(tǒng)事先設(shè)定的路徑進(jìn)行漫游，自主式漫游的自由度高，觀看角度多，用戶體驗更加充分。為了方便用戶從不同視角、多角度、全方位漫游校園，系統(tǒng)中架設(shè)多臺攝相機，用戶從而可以自由進(jìn)行視點的切換[16]。

飛行相機使用戶可以從高空俯瞰整個虛擬場景，可以全面了解整個校園場景的布局，體驗虛擬校園整體的效果和感受。行走相機以行走的方式體驗虛擬場景，具有模擬人的第一視角、360度全視角觀察、自主選擇瀏覽等特點，可以豐富虛擬校園的展示途徑，提高虛擬校園的展示功能。動畫相機用于錄制相機動畫，通過回放或調(diào)整播放順序可以實現(xiàn)各種不同效果的固定路徑漫游[17]。旋轉(zhuǎn)相機實現(xiàn)圍繞三維建筑物環(huán)繞瀏覽。角色控制相機是通過創(chuàng)建角色控制相機從而綁定角色，控制角色在場景中進(jìn)行互動瀏覽，設(shè)置完畢后通過鍵盤來控制角色的移動進(jìn)行第三人稱漫游。角色跟蹤相機是以一個角色或者以一個物體為跟蹤對象，實現(xiàn)類似游戲中以第三人稱視角來瀏覽虛擬場景的效果。VRP可以很好地識別3ds Max的相機，所以充分利用3ds Max強大的相機功能，第一種是架設(shè)定點相機，讓用戶近距離觀察建筑物細(xì)節(jié)；第二種是架設(shè)動畫相機，對三維場景添加路徑并附加跟隨相機，調(diào)整相機屬性即可；第三種是架設(shè)飛行相機。

4.6.3場景驅(qū)動交互設(shè)計

對場景進(jìn)行驅(qū)動交互設(shè)計，通過界面編輯器為三維虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計二維用戶界面，添加控制按鈕，設(shè)置熱點和動作，使用戶可以自由地與漫游系統(tǒng)交互，控制漫游的方式。切換不同相機，用戶可以多角度、全方位在虛擬校園中漫游。可通過鍵盤上的W(前進(jìn))S(后退)A(左移)D(右移)來進(jìn)行漫游以第一人稱在場景中自由行走，也可通過鍵盤控制虛擬角色以第三人稱漫游[18-19]。可點擊鼠標(biāo)左鍵指定目的地，虛擬人物會根據(jù)所指定位置自行前進(jìn)；當(dāng)然也可用鼠標(biāo)控制觀察角度。相機切換可按快捷“C”或點擊菜單欄中的相機列表直接選擇需要切換的相機。圖4為飛行相機看到的校園一角，圖5為虛擬角色第三人稱方式漫游。

圖4 飛行相機看到的校園一角

圖5 虛擬角色第三人稱漫游

4.7編譯輸出

經(jīng)過多次測試修改，即可編譯發(fā)布三維虛擬校園漫游系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)讓用戶可以進(jìn)行鳥瞰、俯視、第一人稱自主漫游、第三人稱虛擬角色漫游等多種方式全方位、多角度游覽虛擬校園，并可通過鍵盤、鼠標(biāo)、距離觸發(fā)多媒體信息如文本、音頻、視頻多方式了解校園。通過本系統(tǒng)營造了一個逼真的校園建筑環(huán)境，有助于外界深入了解校園環(huán)境、宣傳校園文化，從而有利于學(xué)校擴大影響力；為校園規(guī)劃設(shè)計、消防處置、管道維修等緊急情況提供支持，也有利于其內(nèi)部管理層制定出有關(guān)校園規(guī)劃正確決策；新生在入學(xué)前就可以全面的了解校園的布局、交互式的查詢；這將成為數(shù)字化校園的基礎(chǔ)，并切實提高校園管理效率和科學(xué)化水平。

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慶賀《實驗室研究與探索》雜志創(chuàng)刊35周年

DesignofVirtualCampusRoamingSystemBasedon3dLaserScanningTechnologyandVR-Platform

YANGXiaoboa,CHENBangzeb,ZHANGWenxianga,CAOHailonga,LIXinlianga,ZHAOQinga

(a.College of Information Engineering Xizang Key Laboratory of Optical Information Processing and Visualization Technology; b.College of Xizang education，Xizang Minzu University, Xianyang 712082, Shanxi, China)

In order to keep up with the pace of the construction of the university informatization and the digital campus, design and the virtual campus roaming system.are designed realized with the 3D laser scanning technology and VR-Platform,three dimensional laser scanning technology are used tocollect the main constructions points of the campus, and 3ds Max is used to establish three-dimensional model of the campus building.Intercepting the campus map from the satellite map as background the authors make the campus terrain, roads and other auxiliary facilities, trees, flowers and plants of 3d model.and merge and simplify those 3d models.After texture mapping, lighting arrangmant, baking and so on,then the model is imported into VR-Platform;As design navigation map, we set up multiple camera, collision detection, add bone role, embed multimedia; Users can also click on the keyboard, mouse and distance to view the campus introduction and so on,hence human-computer interactive control of virtual scene is realized.Experiment result showed: the virtual campus scene is realistic and immersive, Users can freely roam from multiple angles.This system can play a certain role in campus emergencies.

virtual campus roaming system； point cloud; three-dimensional model; virtual reality; interaction

TP 391.9

A

1006-7167(2017)10-0110-05

2017-03-07

國家自然科學(xué)基金項目(41361044)；全國教育科學(xué)規(guī)劃項目(FCB150516)；西藏自治區(qū)科技廳重點項目(2016-ZR-15-14)；西藏民族大學(xué)重點課程 (3dsMax動畫設(shè)計)

楊曉波(1970-)女，甘肅景泰人，碩士，教授，研究方向: 虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、計算機輔助教學(xué)。Tel.:13689186609； E-mail:hzyangxb@126.com