淺談虛擬校園漫游系統(tǒng)中模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楚雄師范學(xué)院 王 碩 王俊潔

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)等同時(shí)被認(rèn)定為21世紀(jì)最有潛力的發(fā)展應(yīng)用。是一種具有挑戰(zhàn)性的交叉學(xué)科和研究的領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建了虛擬世界，并在視覺，聽覺，觸覺等進(jìn)行了最大程度的還原，使體驗(yàn)者擁有一種身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自由性、多感知性、存在感和交互性等特征使其在教育應(yīng)用研究方面發(fā)揮了巨大的作用。本文闡述了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬校園搭建過程。虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以實(shí)際校園為藍(lán)本，對(duì)校園的布局設(shè)計(jì)，建筑風(fēng)格，地形環(huán)境以及人文景觀進(jìn)行還原。該系統(tǒng)是為自己學(xué)校量身定做，為完善學(xué)校數(shù)字化校園平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園教育發(fā)揮了重要作用。同時(shí)，系統(tǒng)幫助同學(xué)提升學(xué)習(xí)的興趣，及時(shí)的了解學(xué)校的動(dòng)態(tài)，為學(xué)校對(duì)外宣傳、招生就業(yè)、信息傳播、組織管理以及學(xué)校發(fā)展規(guī)劃等方面也起到了推動(dòng)的作用。

虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)具體實(shí)施如圖1所示：

圖1 虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)流程圖

二、模型搭建

1.建模工具選擇

在虛擬環(huán)境中，我們創(chuàng)建虛擬世界基本利用兩類工具：建模類和語言類。其中建模類工具軟件包括：3DsMAX、MAYA、CAD、犀牛等。語言類軟件軟件包括：VRML、C++、OPENGL等。為了追求還原性與真實(shí)度，我們將選用電影級(jí)別的高端建模軟件MAYA來進(jìn)行建模。MAYA是一款易學(xué)易用，功能完善，工作效率極高的專業(yè)軟件，當(dāng)今的很多科幻電影，主流的大型游戲都是用MAYA來完成的，作為我們虛擬校園的基石，在搭建過程中，一定會(huì)起到事半功倍的作用。

2.數(shù)據(jù)采集

在校園搭建模型前期，我們需要做大量的校內(nèi)建筑細(xì)節(jié)研究。首先要對(duì)校內(nèi)建筑從不同角度進(jìn)行拍攝，以及搜集學(xué)校的地形圖，俯視圖。并且測量不同地形高度，得到各建筑之間的高度差。其次將數(shù)據(jù)打包，保存于我們的工程文件中，便于以后數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出系統(tǒng)、信息提取及團(tuán)隊(duì)間的信息交流。

3.低模創(chuàng)建

因?yàn)樾@中的建筑多為標(biāo)準(zhǔn)長方體，而且體積很大，體驗(yàn)者不容易觀測到其各個(gè)部分的細(xì)節(jié)，所以我們只需按照低模的標(biāo)準(zhǔn)搭建即可。這樣不但節(jié)約時(shí)間，減小了模型所占用的內(nèi)存大小，還保留了模型的還原度。在低模搭建中，我們首先利用幾何體創(chuàng)建出各個(gè)建筑的大概形狀，然后將每個(gè)模型擺放到相應(yīng)的位置，完成校園基本布局。確認(rèn)其體積，位置之后，我們將進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。

因?yàn)樘摂M校園的模型數(shù)量很多，我們沒有在之前所建立的基礎(chǔ)模型上進(jìn)行添加更改細(xì)節(jié)部分，而是創(chuàng)建新的幾何體來完善，例如窗戶，門，樓梯等這種在校園中大量存在且相似的細(xì)節(jié)模型，然后將創(chuàng)建好的模型進(jìn)行復(fù)制粘貼，再將其擺放到校內(nèi)基礎(chǔ)模型上，用這種搭積木的方法快捷而有效的完成細(xì)節(jié)模型的創(chuàng)建。對(duì)于墻體上不能用此方法搭建的細(xì)節(jié)處，我們使用MAYA工具中的插入循環(huán)邊，倒角，擠出，縮放等操作來實(shí)現(xiàn)。然后不斷地進(jìn)行細(xì)微的處理，不斷還原我們的校園建筑，這樣我們就完成了虛擬校園模型的搭建。

在搭建的同時(shí)，我們要時(shí)刻注意我們所創(chuàng)建的模型是否正確，包括模型中是否存在大于4邊的面、模型法線的方向是否正確、是否有重疊的面在一起等問題。為了節(jié)約模型所占用資源的大小，我們要盡可能地刪除掉一些看不見的面來節(jié)省內(nèi)存，為后期的制作打下一個(gè)很好的開始。圖2為篤學(xué)樓低模展示圖。

圖2 篤學(xué)樓低模

4.高模創(chuàng)建

基于系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)的全方位漫游的考慮，我們還要對(duì)室內(nèi)的模型進(jìn)行創(chuàng)建，包括宿舍，圖書館，教室，食堂等。考慮到體驗(yàn)者室內(nèi)近距離漫游的特點(diǎn)，室內(nèi)模型的精細(xì)度要高于室外模型，而且存在一些精細(xì)的道具（投影儀、門把手、門鎖、螺絲等），為了提高還原度和避免穿幫，我們要用更高的標(biāo)準(zhǔn)來創(chuàng)建它們。

首先我們要用創(chuàng)建幾何體的方法上完成這些物體的基礎(chǔ)低模，然后對(duì)這些物體進(jìn)行不斷的加線創(chuàng)造出更多的紋理來鞏固模型的形狀，創(chuàng)建出的更多細(xì)節(jié)。物體的邊緣還要進(jìn)行加線卡邊，使其看上去不會(huì)顯得生硬，最終我們還要添加smooth（平滑）處理，從而創(chuàng)建出高模。但是因?yàn)楦吣５拿鏀?shù)過多會(huì)影響到系統(tǒng)后期的正常運(yùn)作，所以搭建完成后，我們還要進(jìn)行獲取其AO貼圖、生成法線、置換貼圖等操作，最后將高模的紋理信息烘培到基礎(chǔ)低模上，使低模在外觀上接近于高模，但又不會(huì)產(chǎn)生過多的面數(shù)。通過這些操作我們所創(chuàng)作出的模型將會(huì)達(dá)到一種更加逼真，更加貼近現(xiàn)實(shí)的效果。 圖3是消防栓高模圖片展示：

圖3 消防栓高模

5.模型拆分UV

完成了模型的創(chuàng)建之后，我們需要給所創(chuàng)建的模型加上一個(gè)“身份證”，也就是進(jìn)行UV處理。UV是u,v的紋理貼圖坐標(biāo)簡稱，它為我們所創(chuàng)建模型上的每個(gè)點(diǎn)定義了一個(gè)位置信息，幫助紋理貼圖找到它在模型上的對(duì)應(yīng)位置。

在MAYA中有四種UV的映射方法：平面映射、球體映射、圓柱體映射和自動(dòng)方式映射。我們根據(jù)所要拆分UV的模型形狀來選擇映射的方式。一般所構(gòu)成模型為標(biāo)準(zhǔn)矩形或一些平整的面，我們選擇平面映射，球體形狀的我們用球體映射，而類似圓柱體這樣的就用圓柱體映射，自動(dòng)映射一般用于結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，規(guī)整還有一定規(guī)則的物體或局部。

拆分UV也有一些我們要遵循的原則：拆分的UV一般都為低模；UV的擺放盡量避免重疊；不要拉伸UV；盡可能減少UV的接縫；物體UV的接縫處最好擺在不明顯觀察到的位置。

6.貼圖烘培

在渲染之前，我們還需要對(duì)模型進(jìn)行烘培，目的是為了將模型上的細(xì)節(jié)處、模型與模型之間的光陰關(guān)系等通過貼圖表現(xiàn)出來。例如，我們可以將高模的細(xì)節(jié)紋理烘焙給基礎(chǔ)低模，在模型在導(dǎo)入引擎之后，即使引擎不能提供足夠的光線，我們也能夠通過烘焙貼圖，來體現(xiàn)出之前調(diào)整好的紋理。

在MAYA中我們需要通過渲染面板中的傳遞貼圖來完成烘焙，在面板中我們可以選擇不同的類型（法線、光照、漫反射、Alpha等貼圖），并調(diào)節(jié)參數(shù)，最終完成我們的需要。

7.貼圖的創(chuàng)建

為了保證模型的原創(chuàng)性、還原性及匹配度，我們將自己繪制模型所需要的貼圖，在這里我們使用到另一個(gè)軟件Substance Painter &Designer，這款軟件被譽(yù)為次世代模型最強(qiáng)大的貼圖制作工具。利用Substance制做貼圖的優(yōu)勢在于“即使我們沒有太強(qiáng)的美術(shù)及繪畫功底，也可以制作出很炫麗的貼圖出來。”而且操作簡單、軟件智能、容易上手，并且制作出來的成果圖會(huì)讓人十分滿意。

在substance中我們只需導(dǎo)入在MAYA中烘培好的信息貼圖和被烘焙的模型即可開始繪制，我們可以直接選用軟件中的smart素材，將其賦予到模型上就可以看出不菲的效果，然后我們利用圖層功能在圖層面版中進(jìn)行顏色、描邊、光澤，金屬性等屬性的細(xì)節(jié)繪制。對(duì)于復(fù)雜的圖形圖案，我們可以直接進(jìn)行手動(dòng)繪制完成想要的圖案，在制作的同時(shí)可以直觀預(yù)覽到模型貼圖后的最終效果，并及時(shí)加以完善，這樣省去了很多瑣碎的過程和時(shí)間，工作效率極高。通過不斷地修飾就完成了我們的模型貼圖，隨后導(dǎo)出所創(chuàng)建的貼圖工程即可。

三、虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建

1.虛擬環(huán)境的構(gòu)建

虛擬漫游系統(tǒng)需要具有多功能、多應(yīng)用，真實(shí)感的性能需求，我們的思路是將虛擬校園漫游系統(tǒng)做成一款類似于游戲的系統(tǒng)，因此我們選擇使用游戲（虛擬環(huán)境開發(fā)）引擎來完成系統(tǒng)功能，使用引擎實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，并創(chuàng)作出音效動(dòng)畫提升體驗(yàn)者的體驗(yàn)感受。系統(tǒng)中我們選用的引擎是虛幻4，虛幻引擎一直在不斷創(chuàng)作一些世界頂端的游戲大作，對(duì)于開發(fā)者而言，虛幻引擎更為容易上手；富含各種各樣的工具、資源；后期管理方便。

選擇好引擎之后，我們開始校園環(huán)境的搭建。在此，可以通過添加天空盒來制造逼真的天空效果；利用UE4自帶的地形制作功能來創(chuàng)建所需的校園地形；添加天空源和點(diǎn)光源來制造光線及陰影的效果；更改各場景的參數(shù)，使我們的環(huán)境更加貼近現(xiàn)實(shí)。

隨后導(dǎo)入校園模型。這里要注意的是，在MAYA中要把模型的單位設(shè)置為cm，并且合理放置好模型的中樞軸，最后以fbx格式導(dǎo)出，再將其導(dǎo)入到UE4中。配合所制作好的貼圖，就可以在UE4中觀測到所搭建模型的最終效果了。

2.漫游技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)交互功能的實(shí)現(xiàn)運(yùn)用的是觸發(fā)器機(jī)制。例如，在校園展示牌前添加觸發(fā)器，當(dāng)角色走進(jìn)觸發(fā)器，就會(huì)轉(zhuǎn)場到校園展示牌，就像觀看新聞一樣來瀏覽校園的趣事。

在系統(tǒng)試運(yùn)行階段，可以直接在UE4上進(jìn)行測試。為了簡便，我們使用UE4引擎中自帶的人物模型，輔助實(shí)現(xiàn)漫游。在添加好人物角色并綁定好攝像機(jī)后，就可以在UE4上預(yù)覽運(yùn)行效果。在系統(tǒng)中我們將會(huì)很逼真的觀測到校園的每個(gè)角落，并且還可以進(jìn)行簡單的交互，由此完成初期的虛擬校園漫游系統(tǒng)。

四、結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建的虛擬校園漫游系統(tǒng)，以實(shí)際校園為藍(lán)本，運(yùn)用MAYA創(chuàng)建模型，利用substance進(jìn)行渲染，采用UE4構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)。結(jié)果表明，虛擬校園模型真實(shí)感極高，漫游系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行流暢，給人一種身臨其境的感覺。

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