三維校園虛擬漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

白學明，趙 剛

(泰山學院信息科學技術學院，山東泰安 271021)

1 引言

虛擬現(xiàn)實是一種集成計算機圖形學、人機交互、傳感技術、人工智能等技術的新型學科，是人們通過計算機對現(xiàn)實中復雜的三維數據進行可視化交互的全新方式，通過模擬現(xiàn)實世界場景或構建虛擬建筑場景，生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，充分發(fā)揮其浸沒感、交互性、構想性的特征，廣泛運用于現(xiàn)實中的各行各業(yè)以及3D游戲等［1］.其中一個重要的應用就是三維虛擬校園.目前，在國內有許多高校都建起了自己的虛擬校園，如清華大學、浙江大學、南京大學、中國海洋大學、華中科技大學等.這些虛擬校園大致分為兩類，一類以清華大學的虛擬校園為例，整個系統(tǒng)仍然是以平面俯瞰圖的形式來展現(xiàn)的，每個建筑物只是簡單的文字標號，并沒有實際的模型，因此，導致立體感不強.另一類以浙江大學的虛擬校園為例，雖然每個實物模型采用了三維立體的形式，增強了立體感，但只能在固定的角度查看校園場景，不能夠旋轉視角，從多個角度進行查看［2－4］.本文設計開發(fā)的系統(tǒng)采用三維立體的方式以增強立體感，而且還可以以任意視角漫游整個校園.

目前，三維虛擬校園的實現(xiàn)主要有兩種方式:一種是發(fā)揮高級編程語言的優(yōu)勢，完全運用編程方式實現(xiàn)，如VRML、OpenGL、Java3D等，另一種則運用集成的3D建模軟件建模實現(xiàn)，如3Dmax、Maya等［5－6］.本文介紹運用3D建模軟件建模的方式，發(fā)揮3Dmax建模和3D視景仿真平臺交互等軟件的優(yōu)勢，方便快捷地實現(xiàn)三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，而且更加注意模型細節(jié)的處理，簡化系統(tǒng)開發(fā)和實際操作，方便用戶的使用和系統(tǒng)的擴展.開發(fā)的系統(tǒng)專業(yè)性很強，可在3D演示平臺環(huán)境下實現(xiàn)沉浸式漫游.

2 開發(fā)步驟

山東泰山學院三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)共分為如圖1所示的五個步驟，分別為數據采集、三維模型創(chuàng)建、模型優(yōu)化、導入3D視景仿真軟件和系統(tǒng)形成.

圖1 系統(tǒng)開發(fā)步驟

實施系統(tǒng)的前期準備工作主要是進行基礎數據采集，也是系統(tǒng)開發(fā)至關重要的一步，直接影響整個系統(tǒng)數據的準確性和實時性，關系全局.首先，根據泰山學院提供的實地情況，記錄相關建模對象的數據信息.然后借助網絡的優(yōu)勢，在Google Earth上采集泰山學院的地理數據，對校園整體進行截圖.接著再借助現(xiàn)有的泰山學院建筑平面圖，補充新的建筑模型.最后在Photoshop中合并繪制出校園完整的建筑平面圖.

在對校園實地考察時，使用高分辨率數碼相機拍下各個建筑物的紋理圖.采集時注意圖片的格式，要求既能反映現(xiàn)實數據的準確性，又要盡量接近建筑物本身的比例.我們采用JPEG格式的圖片.不僅從宏觀上拍攝建筑物的大體構造，又在微觀上注意建筑物的細節(jié)，如圖2所示.目的是方便后期三維模型的創(chuàng)建.由于受建筑物的高度、拍攝距離及相機自身成像特點的影響，拍攝的像片往往比例失調，須對每張照片使用圖形處理軟件Photoshop進行各種處理.例如，用自由變換把比例失調的圖片拉正，裁剪周圍其他的場景，去除圖片中的雜景等.關鍵是對拍攝的圖片加以細致處理，調試好建筑物的紋理.

圖2 圖片采集與處理

2.1 基本模型創(chuàng)建

首先要進行的是地形的創(chuàng)建，參照校園的建筑平面圖以及從Google Earth上的截圖(如圖3)，導入到3Dmax頂視圖中，然后用線條描繪出地形的輪廓來，再擠出形成面，然后根據實際地形的相對高低對線條進行調整，確保與實際地形的情況大致相符.特別地，要提前約定相同的3Dmax版本3Dmax8和系統(tǒng)單位為米.

接著就是最細致的工作，要對整個校園進行合理分區(qū)，再對分區(qū)內的所有建筑物模型進行建模.例如，把鄰近的體育場和文體館合并到一個分區(qū)里，這樣方便實際的基礎數據采集.首先抽取每個分區(qū)里特有的建筑物模型，如樓房，湖水，橋等，然后再創(chuàng)建一些樹木、花、草、石頭等共有模型，方便以后組合時.根據實際地形需要分配這些模型.在創(chuàng)建模型時要用到基礎數據采集時的照片，盡量精細地反映實際建筑模型.在建模時最好做簡模，不然可能導致場景的運行速度緩慢或無法運行.為此需要遵循一定的建模準則:盡量簡化模型，模型的數量不要太多，并在不影響整體效果的情況下，最大程度減少構建的模型中存在的點、線、面，合理分配模型的密度，用面片表現(xiàn)復雜造型，刪除看不見的面等.這都是為了方便后期的處理和提高系統(tǒng)顯示的速度.

圖4 貼圖前(左)和貼圖后(右)的圖書館

圖3 Google Earth上的校園俯視圖

然后對建好的模型，附加材質和貼圖，如圖4所示.參照前期采集的基礎數據，選擇合適的材質類型和貼圖，調節(jié)材質和貼圖盡量接近實際情況，尤其是對不合適的貼圖需要在Photoshop中先做細致處理，然后再附于特定的建筑物模型上.由于貼圖和材質直接關系到模型的協(xié)調與美觀，需要對貼圖和材質文件進行統(tǒng)一化管理.對于材質，3Dmax中通過漫反射調出的顏色，不同于3D視景仿真軟件的顏色.同樣的白色導入到3D視景仿真軟件中，就可能比在3Dmax中顯示的顏色深.對于材質中的二維貼圖，物體必須具有貼圖坐標，這個坐標確定二維的貼圖以何種方式映射在物體上，它不同于場景中的XYZ坐標系，而是使用UV或UVW坐標系.

2.2 模型整合

把固定分區(qū)內的模型進行組合，形成特定小塊區(qū)域的模型組合塊，然后標上記號并保存，由于本系統(tǒng)場景較大，涉及的模型文件較多，因此對生成的文件要進行合理的命名以方便系統(tǒng)管理和整合.組合時要對小塊區(qū)域的模型，選擇多個角度渲染查看，檢查是否有黑面、破面等問題，并仍然要遵循建模時的準則.從小塊區(qū)域的模型做起，保證把每個小塊區(qū)域的模型做精細，才能保證整個系統(tǒng)模型的精確度.

在創(chuàng)建好的地形模型中，依次合并導入各個小塊分區(qū)的模型，并通過移動和縮放工具調整模型，使模型分布到地形的合適區(qū)域上.在此合并模型過程一定要注意檢查模型的編號問題，保證每個模型的名稱在這個系統(tǒng)中是唯一的，這樣才能確保貼圖時不出現(xiàn)錯位、混亂等顯示不正確問題.為此可以借助一些3D插件來進行檢查.圖5所示就是使用VRP插件檢查系統(tǒng)中是否存在重名模型.如果存在，則自動重命名模型，保證模型名稱的唯一性.

2.3 模型優(yōu)化處理

在對整體模型進行整合之后，還要對其它環(huán)境進行優(yōu)化完善.依照建模時遵循的準則，刪除看不到的點，線，面，對復雜造型物體用面片貼圖來表現(xiàn)，如草地、樹木、湖水等模型.虛擬場景中的樹木通常采用十字形相交叉的兩個固定矩形面來構造，分別映射相同的紋理，因其角度間隔為90°，所以在不同的角度總可以看到不同的樹木效果.如圖6就是場景中樹木的模型.一般在一個大的區(qū)域內添加有限的幾個樹木模型做代表既可，否則添加的模型過多會直接導致模型面數過多無法導入到VRP中或使系統(tǒng)的整體運行速度下降.模型面數的多少對計算機內存大小是一種考驗，為此我們強調時刻遵循建模準則，以最大程度減少面數.

2.4 模型導出

為了使模型能夠在3D視景仿真軟件中進行后期處理，需要在3DMax中安裝相應的插件.安裝成功后，在3DMax中選擇3D視景仿真導出插件，導出特定適合3D視景仿真軟件處理的FYF格式文件，并保存以備后續(xù)步驟的使用.圖7所示為在3DMax中使用插件導出模型的界面.

3 3D視景仿真軟件后期處理

在3D視景仿真中，在原始位置導入從3Dmax中導出的FYF格式文件，然后就可以對系統(tǒng)進行調整設置.為了能在創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中進行漫游，與周圍環(huán)境交互產生身臨其境的感覺，需要對漫游系統(tǒng)進行模型調整、燈光設置、天氣環(huán)境、漫游路徑和漫游速度的設置等.在系統(tǒng)中添加平面文字或三維文字，對關鍵步驟起到提示作用，還可以調節(jié)系統(tǒng)的顯示方式和觀察方式.在天氣系統(tǒng)中可以添加雨水和雪花兩種天氣效果.另外，最關鍵的是進行漫游路徑的設置，其直接關系到系統(tǒng)的整體效果.最后可以輸出效果圖打印保存，也可以保存場景文件在需要時進行漫游瀏覽.在具有3D視頻演示功能的顯示器上就可以在軟件中打開已經保存好的工程，手動漫游，或者按設置好的路徑進行漫游.這是真正具有3D效果的漫游場景，佩戴3D偏振片鏡能夠實現(xiàn)具有沉浸感的效果.至此，泰山學院三維校園虛擬漫游系統(tǒng)就開發(fā)完成了.圖8所示為三維校園虛擬漫游系統(tǒng)的宏觀效果圖.

圖8 三維校園虛擬漫游系統(tǒng)宏觀效果圖

4 結束語

本文討論了一種可視化的三維虛擬漫游場景開發(fā)方法，通過各種軟件的集成使用，最終實現(xiàn)了泰山學院的三維校園虛擬漫游系統(tǒng).用戶可以在其中漫游查看校園的不同位置和視角的場景.但是由于受人員3D建模水平的影響，創(chuàng)建的部分模型不夠精簡，地形的創(chuàng)建不夠精細，與現(xiàn)實世界還有一定的差距.隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，三維可視化虛擬校園將會引起更多人的關注和實踐，我們也將繼續(xù)完善校園漫游系統(tǒng)的虛擬效果.

［1］鄒湘軍，孫健，等.虛擬現(xiàn)實技術的演變發(fā)展與展望［J］.系統(tǒng)仿真學報，2004，16(9):1905－1909.

［2］陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/OpenGL的虛擬海大校園導航系統(tǒng)［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2007，19(2):263－267.

［3］陳敏，陳道禮，魏國前.虛擬現(xiàn)實技術在校園漫游系統(tǒng)中的應用［J］.武漢科技大學學報，2006，(8):407－409.

［4］朱志輝，孫自廣，徐奕奕.基于虛擬現(xiàn)實技術的校園漫游系統(tǒng)的設計［J］.科技信息，2007，(18):73－74.

［5］黃秀常，全秋燕，葉春紅.基于VRML的虛擬校園漫游系統(tǒng)［J］.電腦知識與技術，2005，(10):228－230.

［6］岳俊梅.基于OpenGL的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機時代，2007，(11):65－66.