虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真校園實(shí)現(xiàn)

于世林 古麗米拉·克孜爾別克 王友琪 陳義文

摘? 要： 以農(nóng)大一號(hào)樓的虛擬模型搭建為例，簡(jiǎn)要描述了虛擬校園的制作過(guò)程。文章主要介紹如何利用3D MAX來(lái)完成虛擬建筑模型的制作。

關(guān)鍵詞： 虛擬校園; 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 3D MAX; 建模

中圖分類號(hào)：TP31.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：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(xiàn)實(shí)（VirtualeRialyt，簡(jiǎn)稱v）R，又譯為臨境，靈境等[1]。3D虛擬技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，許多高校都使用這種技術(shù)來(lái)模擬校園環(huán)境，通過(guò)3D全景虛擬校園建立完整的現(xiàn)實(shí)生活校園環(huán)境，校園網(wǎng)絡(luò)等，達(dá)到宣傳學(xué)校的目的，促進(jìn)學(xué)校的發(fā)展。虛擬校園的成功建設(shè)對(duì)于大學(xué)展示校園，擴(kuò)大招生，改善就業(yè)具有重要意義。也為人們了解學(xué)校環(huán)境提供了更直接方便的方法。在虛擬仿真校園建成之后，學(xué)校的宣傳方式除了傳統(tǒng)的文字，圖片等方式之外，還可以讓用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等手段了解學(xué)校的相關(guān)情況和大致的環(huán)境。虛擬仿真校園有很多好處，如教生可以在短時(shí)間內(nèi)熟悉校園環(huán)境;將學(xué)校的環(huán)境更好的展示給更多的人，向全國(guó)各地的學(xué)生宣傳學(xué)校;促進(jìn)學(xué)校信息化建設(shè)快速發(fā)展，促使校園文化和校園外觀更加完善。

1 國(guó)內(nèi)和國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面[2]。虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者是美國(guó)。如大學(xué)生的日常學(xué)習(xí)生活，大學(xué)教師的教學(xué)工作，大學(xué)校園的漫游等。虛擬技術(shù)不僅用于大學(xué)校園，還用于美國(guó)的航空航天技術(shù)和軍事等領(lǐng)域。

1.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)述

雖然中國(guó)在科技方面發(fā)展迅速，但是我國(guó)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面同世界科技水平高的國(guó)家還是存在一定的差距，目前我國(guó)部分高校也已經(jīng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有所研究，并將其運(yùn)用在了校園漫游、校園建設(shè)等方面。

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院開(kāi)展的虛擬漫游技術(shù)研究的研究機(jī)構(gòu)是中國(guó)開(kāi)展最早的機(jī)構(gòu)。香港中文大學(xué)，徐州師范大學(xué)和貴州師范大學(xué)都實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)水平的虛擬漫游校園建設(shè)。近年來(lái)，中國(guó)許多的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面取得了一些特別的研究成果，中國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由此進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。

2 研究過(guò)程

2.1 Autodesk 3D Studio max軟件概述

在軟件選擇方面，大多數(shù)模型的構(gòu)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?yàn)樗茴愃朴赿os階段，它需要記憶的命令十分繁雜，并且使用起來(lái)不方便。3D MAX功能的強(qiáng)大和靈活性都是在這方面的最佳選擇。

2.2 原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，最初掌握的數(shù)據(jù)是否可靠起著至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)越是真實(shí)可靠最終的效果也越是逼真，一個(gè)逼真的建筑模型也是給用戶越為真實(shí)的感受的前提。

為了提供給用戶最為真是的體驗(yàn)，在例如教學(xué)樓中的場(chǎng)景制作，可觀察其結(jié)構(gòu)，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(diǎn)。

2.3 虛擬校園的建筑模型構(gòu)

總的來(lái)說(shuō)，基于3DMax的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大致來(lái)說(shuō)可以分為先整體后局部和先局部后整體兩個(gè)方法[4]。本研究項(xiàng)目以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)第一教學(xué)樓為研究對(duì)象，以3D MAX平臺(tái)為研究工具，構(gòu)建虛擬校園模型。首先利用3D MAX軟件整體構(gòu)建校園模型，使用3D MAX中的插件編輯和處理模型，為實(shí)現(xiàn)虛擬校園一號(hào)樓的建設(shè)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(zhì)，添加紋理，調(diào)整各種參數(shù)，完成虛擬校園漫游場(chǎng)景。

我們主要制作農(nóng)大一號(hào)教學(xué)樓及附近的環(huán)境，虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建可分為以下三個(gè)步驟。

第一步，根據(jù)校園和附近建筑物上收集的環(huán)境對(duì)象的分布圖和具體計(jì)劃，建造1號(hào)虛擬建筑物。根據(jù)1號(hào)樓的一些基本數(shù)據(jù)，如整體建筑面積和長(zhǎng)度，寬度，高度和校園目標(biāo)位置等。實(shí)地考察第一樓，并結(jié)合電子地圖獲取這些基本數(shù)據(jù)。

第二步，建筑的每層樓的物理對(duì)象分別建模，以離散實(shí)體為特征，具有獨(dú)立的個(gè)體。采用什么建模方法取決于具體場(chǎng)景模型的類型和復(fù)雜程度，最后得到第一建筑物的場(chǎng)景文件。為了增強(qiáng)視覺(jué)體驗(yàn)，在具體添加部分細(xì)節(jié)場(chǎng)景，增加真實(shí)感。

第三步，虛擬場(chǎng)景的合成。在構(gòu)造每個(gè)單獨(dú)的實(shí)體場(chǎng)景之后，這些場(chǎng)景被集成以合成完整的虛擬一號(hào)樓場(chǎng)景。通過(guò)以上三個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)虛擬建筑物的構(gòu)造。

在模型的的搭建過(guò)程中，模型不易太過(guò)于粗糙和簡(jiǎn)單，否則這將影響到整體對(duì)于字節(jié)問(wèn)題的展示，會(huì)使用戶的體驗(yàn)大打折扣，若是過(guò)于復(fù)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(jìn)行建模時(shí)，使用3D MAX軟件的擠出和放樣功能。首先根據(jù)前期收集到的數(shù)據(jù)建立教學(xué)樓基礎(chǔ)地基。然后用確定的窗戶的尺寸，以及教學(xué)樓的高度數(shù)據(jù)和層高高度數(shù)據(jù)等參數(shù)，然后需要優(yōu)化所構(gòu)建的3D模型：在一些重合的位置上執(zhí)行處理操作，盡量使得每個(gè)面都可以貼近真實(shí)情況。最后要調(diào)整、優(yōu)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(guò)3D MAX制作好的一號(hào)樓模型，再通過(guò)渲染器將其效果圖加以完善渲染，這是模型構(gòu)建的最后一步，也是使圖像適合3D場(chǎng)景的最后階段。

執(zhí)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(guān)系不能完美地再現(xiàn)空間感。在前面的工作完成之后，渲染程序還根據(jù)各個(gè)建筑模型的材質(zhì)對(duì)其進(jìn)行對(duì)象表面顏色的計(jì)算，材質(zhì)可以模擬物體的表面特性， 如顏色、紋理等。對(duì)建立好的模型進(jìn)行材質(zhì)貼圖設(shè)置， 可使它具有同真實(shí)世界一樣的視覺(jué)效果[5]。如圖2所示。

3 結(jié)論

本文利用3D MAX制作了新農(nóng)大一號(hào)教學(xué)樓的模型，進(jìn)行了簡(jiǎn)易的制作，并介紹了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園建設(shè)的特點(diǎn)和必要性。本文也對(duì)3D MAX和虛擬化的實(shí)現(xiàn)提出了一些個(gè)人認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)，將農(nóng)大一號(hào)教學(xué)樓的模擬情況在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下展示，為農(nóng)大校園和日后的校園虛擬化建設(shè)提供了一些基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)（References）：

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