虛擬現實技術的仿真校園實現

于世林 古麗米拉·克孜爾別克 王友琪 陳義文

摘? 要： 以農大一號樓的虛擬模型搭建為例，簡要描述了虛擬校園的制作過程。文章主要介紹如何利用3D MAX來完成虛擬建筑模型的制作。

關鍵詞： 虛擬校園; 虛擬現實技術; 3D MAX; 建模

中圖分類號：TP31.9? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）04-30-03

Absrtact： Taking the building of virtual model of No. 1 Building of Agricultural University as an example， the process of making virtual campus is briefly described. This paper mainly introduces how to use 3D MAX to realize the making of virtual building model.

Key words： three-dimensional animation; virtual reality technology; 3D MAX; modeling

0 引言

虛擬現實（VirtualeRialyt，簡稱v）R，又譯為臨境，靈境等[1]。3D虛擬技術在各個領域得到廣泛應用。目前，許多高校都使用這種技術來模擬校園環境，通過3D全景虛擬校園建立完整的現實生活校園環境，校園網絡等，達到宣傳學校的目的，促進學校的發展。虛擬校園的成功建設對于大學展示校園，擴大招生，改善就業具有重要意義。也為人們了解學校環境提供了更直接方便的方法。在虛擬仿真校園建成之后，學校的宣傳方式除了傳統的文字，圖片等方式之外，還可以讓用戶通過網絡等手段了解學校的相關情況和大致的環境。虛擬仿真校園有很多好處，如教生可以在短時間內熟悉校園環境;將學校的環境更好的展示給更多的人，向全國各地的學生宣傳學校;促進學校信息化建設快速發展，促使校園文化和校園外觀更加完善。

1 國內和國外發展現狀

1.1 國外發展現狀

目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面[2]。虛擬場景漫游技術的全球領導者是美國。如大學生的日常學習生活，大學教師的教學工作，大學校園的漫游等。虛擬技術不僅用于大學校園，還用于美國的航空航天技術和軍事等領域。

1.2 國內相關文獻簡述

雖然中國在科技方面發展迅速，但是我國在虛擬現實技術方面同世界科技水平高的國家還是存在一定的差距，目前我國部分高校也已經對這項技術有所研究，并將其運用在了校園漫游、校園建設等方面。

北京航空航天大學計算機學院開展的虛擬漫游技術研究的研究機構是中國開展最早的機構。香港中文大學，徐州師范大學和貴州師范大學都實現了相應水平的虛擬漫游校園建設。近年來，中國許多的大學和研究機構也在虛擬現實技術方面取得了一些特別的研究成果，中國的虛擬現實技術由此進入了快速發展的階段。

2 研究過程

2.1 Autodesk 3D Studio max軟件概述

在軟件選擇方面，大多數模型的構建都使用的軟件大致分為圖像處理軟件、三維建模軟件、VR軟件、GIS軟件四類[3]。而3D Studio Max通常被稱為3 ds Max或MAX，最初稱為3 DS。因為它很類似于dos階段，它需要記憶的命令十分繁雜，并且使用起來不方便。3D MAX功能的強大和靈活性都是在這方面的最佳選擇。

2.2 原始數據的收集

在虛擬校園建立之初，首先考慮的是所要建立建筑的第一手的數據，最初掌握的數據是否可靠起著至關重要的作用。數據越是真實可靠最終的效果也越是逼真，一個逼真的建筑模型也是給用戶越為真實的感受的前提。

為了提供給用戶最為真是的體驗，在例如教學樓中的場景制作，可觀察其結構，在樓層之間的搭建，就可以采用“去異留同”的制作方法。這樣既可以減輕模型的制作難度，也極大的保留建筑的整齊的特點。

2.3 虛擬校園的建筑模型構

總的來說，基于3DMax的虛擬現實技術大致來說可以分為先整體后局部和先局部后整體兩個方法[4]。本研究項目以新疆農業大學第一教學樓為研究對象，以3D MAX平臺為研究工具，構建虛擬校園模型。首先利用3D MAX軟件整體構建校園模型，使用3D MAX中的插件編輯和處理模型，為實現虛擬校園一號樓的建設提供基本方案;然后使用渲染軟件渲染模型，選擇建筑模型的材質，添加紋理，調整各種參數，完成虛擬校園漫游場景。

我們主要制作農大一號教學樓及附近的環境，虛擬場景的構建可分為以下三個步驟。

第一步，根據校園和附近建筑物上收集的環境對象的分布圖和具體計劃，建造1號虛擬建筑物。根據1號樓的一些基本數據，如整體建筑面積和長度，寬度，高度和校園目標位置等。實地考察第一樓，并結合電子地圖獲取這些基本數據。

第二步，建筑的每層樓的物理對象分別建模，以離散實體為特征，具有獨立的個體。采用什么建模方法取決于具體場景模型的類型和復雜程度，最后得到第一建筑物的場景文件。為了增強視覺體驗，在具體添加部分細節場景，增加真實感。

第三步，虛擬場景的合成。在構造每個單獨的實體場景之后，這些場景被集成以合成完整的虛擬一號樓場景。通過以上三個步驟，可以實現虛擬建筑物的構造。

在模型的的搭建過程中，模型不易太過于粗糙和簡單，否則這將影響到整體對于字節問題的展示，會使用戶的體驗大打折扣，若是過于復雜，則電腦硬件方面需求較高，所以需要整體考慮。

使用3D MAX進行建模時，使用3D MAX軟件的擠出和放樣功能。首先根據前期收集到的數據建立教學樓基礎地基。然后用確定的窗戶的尺寸，以及教學樓的高度數據和層高高度數據等參數，然后需要優化所構建的3D模型：在一些重合的位置上執行處理操作，盡量使得每個面都可以貼近真實情況。最后要調整、優化和檢查完成的3D模型的位置。初步搭建的模型如圖1所示。

2.4 渲染

通過3D MAX制作好的一號樓模型，再通過渲染器將其效果圖加以完善渲染，這是模型構建的最后一步，也是使圖像適合3D場景的最后階段。

執行渲染程序還需要一些專門的操作，例如要確定哪些模型在前面，哪些模型在后面，以及哪些模型被遮擋。模型的遮擋關系不能完美地再現空間感。在前面的工作完成之后，渲染程序還根據各個建筑模型的材質對其進行對象表面顏色的計算，材質可以模擬物體的表面特性， 如顏色、紋理等。對建立好的模型進行材質貼圖設置， 可使它具有同真實世界一樣的視覺效果[5]。如圖2所示。

3 結論

本文利用3D MAX制作了新農大一號教學樓的模型，進行了簡易的制作，并介紹了將虛擬現實技術應用于校園建設的特點和必要性。本文也對3D MAX和虛擬化的實現提出了一些個人認識和觀點，將農大一號教學樓的模擬情況在計算機虛擬環境下展示，為農大校園和日后的校園虛擬化建設提供了一些基礎。

參考文獻（References）：

[1] 張篙，張天馳，陳懷友虛擬現實技術及應用[M].清華大學出版社，2011.

[2] 孫偉.實用VRGIS技術的研究及其應用[D].南京理工大學，2004.

[3] 藺薛菲.虛擬現實三維場景建模與人機交互應用技術研究[J].藝術與設計（理論），2017.2（4）：100-102

[4] 戴龍利.基于World Viz虛擬現實平臺的建模和互動研究[D].東南大學，2017.

[5] 肖靈君，劉紫薇.基于3ds Max和Virtools的虛擬校園的開發和設計[J].中國科技信息，2009.12：173