虛擬校園漫游中的三維模型制作技巧分析

劉 穎

（華中師范大學(xué)武漢傳媒學(xué)院，湖北 武漢430000）

虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域的一種應(yīng)用，是由計(jì)算機(jī)制作出逼真的校園三維景觀的數(shù)字場(chǎng)景。瀏覽者可在空間中自主的漫游，從場(chǎng)景的任意角度、任意地點(diǎn)對(duì)校園進(jìn)行觀察了解，產(chǎn)生身臨其境之感。隨著制作軟件技術(shù)的發(fā)展提高，在創(chuàng)建校園虛擬漫游時(shí)如更好的控制三維場(chǎng)景模型塑造質(zhì)量，而為瀏覽效果和后期交互性設(shè)計(jì)服務(wù)，是每一位美術(shù)工作者應(yīng)該思考的問題。

1 虛擬校園模型建立

在進(jìn)行虛擬校園場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，要基于真實(shí)測(cè)繪數(shù)據(jù)和真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行。三維場(chǎng)景中的展現(xiàn)不是簡單的示意或模仿，而是建立在準(zhǔn)確地測(cè)繪的基礎(chǔ)之上，地面所有場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)、外形、尺寸、比例、色澤與現(xiàn)實(shí)中的校園達(dá)到一致。同時(shí)每個(gè)三維場(chǎng)景中的建筑都必須體現(xiàn)出該學(xué)校獨(dú)一無二的文化特色，這就需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙或現(xiàn)場(chǎng)多角度照片使用3ds Max獨(dú)立建模，最后整合到三維場(chǎng)景中。

1.1 三維模型制作規(guī)范

建筑是校園文化景觀中最為醒目的內(nèi)容，每個(gè)學(xué)校的大門、教學(xué)樓、圖書館等設(shè)施都具有該學(xué)校特有的風(fēng)格，這些標(biāo)志性建筑物都需要進(jìn)行單獨(dú)的建模。在建模之前，根據(jù)實(shí)際地理分布關(guān)系對(duì)每個(gè)建筑模型進(jìn)行合理的命名與分組，有利于后期模型的修改、調(diào)用。

綠化模型是指三維場(chǎng)景中花草樹木，建造中多使用面片樹木十字交叉法，墻角線與復(fù)合線遮罩法。模型在場(chǎng)景中可以重復(fù)使用，單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)模型后，保存為專用文件格式，然后在場(chǎng)景中沿線進(jìn)行模型匹配及成批種植即可。此方法可以極大提高場(chǎng)景模型的創(chuàng)建速度。

小品制作需通過對(duì)三維場(chǎng)景的理解靈活掌握。有些小品是每個(gè)校園特有的、固定的和必須的，如著名的雕塑、指示牌等；有些裝飾物是靈活的，如坐椅、垃圾桶等，可通過現(xiàn)場(chǎng)照片獨(dú)立建?；驈哪Ｐ蛶熘蝎@取這兩種方式構(gòu)建。

例如武漢大學(xué)的校園虛擬場(chǎng)景就是通過空間相對(duì)位置關(guān)系組織到一起。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙完成道路和地貌的制作，然后制作樓群、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、校門及其他對(duì)象，并以道路為參照放置在相應(yīng)位置。訪問者可以進(jìn)入虛擬校園中，觀賞校園的自然風(fēng)貌，領(lǐng)略校園的生活氛圍，在虛擬世界中了解武漢大學(xué)。

對(duì)于地勢(shì)等自然環(huán)境的建模規(guī)范，要根據(jù)三維場(chǎng)景的空間范圍、數(shù)據(jù)精度、來收集相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括基礎(chǔ)紙質(zhì)地形圖或CAD圖，需要確定合適比例尺的地圖數(shù)據(jù)，控制場(chǎng)景地面部分的數(shù)據(jù)精度。同時(shí)，如果涉及大面積區(qū)域的三維場(chǎng)景，還必須運(yùn)用到遙感影像或航拍影像。在保證渲染效果前提下影像空問分辨率精度越高越好，避免出現(xiàn)馬賽克。

而對(duì)于建筑和綠化建模時(shí)，需根據(jù)特定場(chǎng)景的模型需求規(guī)范制作標(biāo)準(zhǔn)，首先，基本制作單位統(tǒng)一設(shè)置為“m”，建筑模型為4個(gè)立面和1個(gè)頂面；三角面片不出現(xiàn)共面、漏面情況，外觀不可見的模型面片一律刪除，保證單體模型在精度滿足要求的前提下總面數(shù)小于5000。而對(duì)模型的管理上，同一物體的模型、紋理、材質(zhì)命名一致，以便統(tǒng)一管理；帶通道或帶反射的模型保持獨(dú)立，不能與其他物體進(jìn)行塌陷操作。

1.2 模型的優(yōu)化

影響虛擬校園最終運(yùn)行速度的三大因素分別為場(chǎng)景模型的總面數(shù)、總個(gè)數(shù)和總貼圖量。模型的優(yōu)化不光是要對(duì)每個(gè)獨(dú)立的模型面數(shù)進(jìn)行精簡，還需要嚴(yán)格控制模型的個(gè)數(shù)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)都是影響虛擬校園最終運(yùn)行速度。所以校園三維場(chǎng)景模型優(yōu)化操作是必須的。

對(duì)于場(chǎng)景的模型個(gè)數(shù)而言，過多會(huì)直接影響到虛擬場(chǎng)景的打開和導(dǎo)出的速度。模型個(gè)數(shù)過多時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)因?yàn)橛?jì)算不過來而造成部分物體無法加載，最終得到的場(chǎng)景模型會(huì)不完全。而如果勉強(qiáng)將場(chǎng)景里的所有模型加載進(jìn)去，其運(yùn)行速度也會(huì)很慢。為了避免以上問題的出現(xiàn)，解決方法是將相同材質(zhì)的物體分別賦予材質(zhì),調(diào)整好各自的貼圖坐標(biāo)后，再將這些相同材質(zhì)的物體進(jìn)行合并以減少模型個(gè)數(shù)。

對(duì)于與模型的面數(shù)而言，優(yōu)化的方法有以下幾種：

（1）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)幾何體時(shí)降低分段數(shù)，例如Plane，默認(rèn)為4×4，在無特殊要求的前提下，可優(yōu)化為2×2，該操作在制作圓柱體、球體等對(duì)象時(shí)同樣有效。

（2）創(chuàng)建較復(fù)雜的鏤空造型時(shí)，不要使用模型創(chuàng)建，而應(yīng)多使用透明貼圖，這種方法常用于欄桿、雕花、綠化等。

（3）刪除模型看不見的面，例如底部或不可見區(qū)域。

2 紋理貼圖的處理技巧

除了模型外，要制作出逼真的三維虛擬校園場(chǎng)景，真實(shí)的紋理貼圖也是關(guān)鍵。實(shí)地拍攝的建筑物及其他物體的照片，不僅有助于補(bǔ)充模型細(xì)節(jié)方面的不足，而且還能提高場(chǎng)景的真實(shí)性。紋理貼圖的獲取主要有以下三種途徑：

（1）從已有的景觀、建筑的專業(yè)攝影圖片中獲取有關(guān)景觀的紋理素材，再經(jīng)過Photoshop編輯加工，可生成各類景觀、地貌的紋理貼圖。

（2）可采用相機(jī)實(shí)地直接獲取校園各類地形、建筑、景觀的真實(shí)表面圖片。

（3）從衛(wèi)星遙感影像、航空攝影測(cè)量影像、移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)等也可以獲取紋理。

要拍攝實(shí)景多角度靜態(tài)的照片素材時(shí)，照片質(zhì)量的好壞也直接影響到后期紋理貼圖效果，因此對(duì)拍攝手法要求很高。相機(jī)選擇適當(dāng)角度后固定在景觀中心位置，盡量使每幅照片保持焦距相同，同時(shí)讓相機(jī)的旋轉(zhuǎn)固定在三角架水平面上，盡量避免鏡頭偏斜和俯仰。其次，相鄰的照片盡量統(tǒng)一色相、亮度和對(duì)比度，并要保證一定的重疊范圍，便于后期的紋理貼圖進(jìn)行重復(fù)化處理。

有時(shí)獲取的真實(shí)紋理圖像并不能直接使用。在獲取真實(shí)紋理圖像時(shí)一般會(huì)存在透視變形、顏色失真、尺寸大小不合適等問題。所以需要進(jìn)行裁剪、矯正等一系列調(diào)整工作。通過從實(shí)地獲取的大量的圖片中選出可以作為紋理貼圖的大致范圍，并對(duì)其進(jìn)行裁切、糾正等基本調(diào)整。裁切的范圍要比紋理的范圍大一些，以便后續(xù)處理。其次，紋理照片拍攝時(shí)受光線、角度、時(shí)間的限制，拍攝出的照片的色彩與真實(shí)物體有所不同，需要對(duì)處理后的紋理進(jìn)行色彩調(diào)整，可以通過圖像復(fù)原和圖像增強(qiáng)來圖像改善質(zhì)量，使之恢復(fù)本來顏色。最后，因?qū)嵟恼掌嗌贂?huì)存在破損、雜點(diǎn)、遮擋等問題，后期還要對(duì)紋理貼圖做修補(bǔ)去雜質(zhì)處理，使用多角度若干小圖像拼接還原出大圖像，但必須保證各小圖像色相、亮度、對(duì)比度等指標(biāo)的連續(xù)性和一致性。

處理后的照片分辨率需為2的冪次方，大小盡量小于100KB，便于后期虛擬引擎的讀取。后期通過3ds Max的紋理貼圖、材質(zhì)編輯，對(duì)模型表面材質(zhì)和貼圖進(jìn)行處理，不同類型的材質(zhì)結(jié)合不同的烘焙操作方式以增加場(chǎng)景的精細(xì)程度和真實(shí)感。

三維模型塑造是虛擬校園制作的基礎(chǔ)，只有創(chuàng)造出環(huán)境效果逼真，瀏覽交互速度及時(shí)的虛擬場(chǎng)景，瀏覽者才可以對(duì)校園進(jìn)行不同角度、方位、距離的觀察和體驗(yàn)。本文歸納總結(jié)出虛擬校園建設(shè)中三維模型制作的經(jīng)驗(yàn)，盡可能的塑造校園虛擬場(chǎng)景觀察和體驗(yàn)的真實(shí)感，給校園的宣傳、展示提供了全新的表現(xiàn)形式。

［1］貴剛，程效軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬校園三維建模方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

［2］李清泉.三維空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、建模與可視化[M].武漢大學(xué)出版社，2003.