桌面式三維虛擬校園實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究

朱喜基

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維虛擬校園的建設(shè)成了數(shù)字化校園建設(shè)的一項(xiàng)重要項(xiàng)目。三維虛擬校園不僅可以幫助校園的規(guī)劃管理，還可以作為學(xué)校的宣傳名片，甚至還可以進(jìn)行多媒體教學(xué)，發(fā)展虛擬教學(xué)課堂。文章就桌面式三維虛擬校園實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，分別從數(shù)據(jù)收集、制作三維場(chǎng)景、制作漫游動(dòng)畫、生成人機(jī)交互等方面進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：虛擬校園；建模；漫游動(dòng)畫；交互

虛擬現(xiàn)實(shí)是通過計(jì)算機(jī)來模擬一個(gè)三維空間的虛擬世界，為使用者創(chuàng)建一個(gè)具有身臨其境感覺的環(huán)境。三維虛擬校園正是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到校園文化建設(shè)，生成三維虛擬校園，其不僅可以幫助校園的規(guī)劃管理，還可以作為學(xué)校的宣傳名片，讓來訪者足不出戶領(lǐng)略校園風(fēng)光和校園文化，甚至還可以進(jìn)行多媒體教學(xué)，發(fā)展虛擬教學(xué)課堂。常見的三維虛擬校園有兩類，即桌面式虛擬校園，其是通過計(jì)算機(jī)屏幕來觀察虛擬環(huán)境，外部輸入設(shè)備主要為鍵盤鼠標(biāo)；沉浸式虛擬校園，其需要佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交流，比如頭盔顯示器。桌面式虛擬校園制作成本低，功能簡(jiǎn)單，易于推廣，深受廣大高校喜歡，文章就桌面式三維虛擬校園的實(shí)現(xiàn)，談?wù)勂潢P(guān)鍵技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)收集、制作三維場(chǎng)景、制作漫游動(dòng)畫和生成交互。

1 數(shù)據(jù)收集

三維虛擬校園都是在真實(shí)校園基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建的，力求客觀、精美、符合實(shí)際，所以關(guān)于校園的相關(guān)數(shù)據(jù)收集是實(shí)現(xiàn)虛擬校園最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，這些數(shù)據(jù)主要包括地理信息和紋理貼圖素材。

地理信息，主要包括各個(gè)建筑物的大小、高低及名稱等，關(guān)于這部分的數(shù)據(jù)的采集可以自己親自去測(cè)量并作簡(jiǎn)單的估算，當(dāng)然也可以到學(xué)校的相關(guān)部門去獲取校園規(guī)劃工程圖紙文件（CAD文件）。

紋理貼圖素材的收集主要是靠實(shí)景拍攝，拍攝時(shí)要使用高像素的相機(jī)從不同的角度去拍攝可以表現(xiàn)材質(zhì)特征的部分，在拍攝的過程中要注意曝光過程、使用自然光線并保持均勻，盡量避開建筑物，在拍攝后根據(jù)各建筑進(jìn)行分類歸檔。

2 制作三維場(chǎng)景

三維虛擬校園場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)一般是通過Auto CAD和3ds max這兩款軟件，其中Auto CAD主要是用來生成平面圖，為后面三維立體模型的制作提供依據(jù)。3ds max主要是用來對(duì)各建筑物進(jìn)行建模。在創(chuàng)建的模型的時(shí)候，我們要時(shí)刻把握一條準(zhǔn)則，即模型制作要精簡(jiǎn)，也就是說，在不影響模型質(zhì)量的前提下，讓模型的點(diǎn)面數(shù)要盡量的少，否則整個(gè)工程的數(shù)據(jù)量會(huì)非常大，實(shí)時(shí)渲染會(huì)非常吃力。三維虛擬模型主要包括建筑樓群、道路、小湖水、樹木和草地，不同的模型選擇適合其的建模方法。比如，建筑樓群模型的創(chuàng)建主要是采用多邊形建模，采用調(diào)整點(diǎn)、線、面來完成模型的制作；道路模型可以在二維圖形的基礎(chǔ)上進(jìn)行擠出生成三維模型，然后為其添加合適的修改器，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào)；樹木模型，近景樹木就用樹木插件來制作，因?yàn)槠淠芸吹郊?xì)節(jié)，而遠(yuǎn)景樹木對(duì)細(xì)節(jié)要求不是很高，就可以使用兩個(gè)交叉的十字平面，為其賦予帶透明通道的貼圖即可。另外，建模時(shí)需要注意的是由于場(chǎng)景中模型較多，可以適當(dāng)?shù)膶⒔ê玫哪Ｐ碗[藏或凍結(jié)以防誤操作。

僅僅模型還不能夠呈現(xiàn)真實(shí)的三維校園，最后我們要為三維場(chǎng)景中的模型穿上“衣服”，即為模型添加材質(zhì)和紋理貼圖，它將直接關(guān)系到所建模型的逼真程度和視覺效果。材質(zhì)可以讓物體展示出其本質(zhì)，我們可以利用3ds max自身的基本材質(zhì)和Vray渲染器來完成；紋理貼圖可以呈現(xiàn)模型表面是什么圖案，比如草地，我們可以為草地模型重復(fù)草的貼圖，從而得到較真實(shí)的草地。需要說明的是，一般情況下紋理貼圖都是要通過Photoshop來編輯加工，使紋理圖像符合要求。

3 制作漫游動(dòng)畫

生成的漫游動(dòng)畫，燈光必不可少，因?yàn)樽匀唤缰形矬w的顏色和質(zhì)地都要靠燈光來表現(xiàn)，校園漫游動(dòng)畫的燈光效果一般分為日景效果和晚景效果。在制作日景效果時(shí)，主光源應(yīng)選擇目標(biāo)平行光和vary燈光來模擬日光和太陽光，輔助光源可以根據(jù)場(chǎng)景需求添加，主要用來改善由主光源造成的陰暗面。在制作夜景效果時(shí)，大部分采用泛光燈，在夜晚，建筑細(xì)部的可見度取決于亮度，通過設(shè)置泛光燈的數(shù)量、位置和投射角度可以得到增強(qiáng)立體感的效果。一般來說，用分隔的成組泛光燈沿同一方向向受照對(duì)象投射，或從兩個(gè)方向以對(duì)比的色調(diào)投射。需要說明的時(shí)，有的建筑中的燈光效果只有在夜晚才能體現(xiàn)出特點(diǎn)，而建筑在夜景中的表現(xiàn)比白天的表現(xiàn)有時(shí)候更吸引人。

燈光設(shè)置好就可以根據(jù)漫游動(dòng)畫腳本進(jìn)行設(shè)置漫游動(dòng)畫了，漫游動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)一般是通過攝影機(jī)來完成的，設(shè)置攝影機(jī)動(dòng)畫的時(shí)候一般就兩個(gè)步驟：（1）根據(jù)腳本為攝影機(jī)創(chuàng)建一條動(dòng)畫路徑。（2）使用路徑約束將設(shè)定好的路徑賦給自由攝影機(jī)，這樣就可以渲染漫游動(dòng)畫了。這里需要說明的是最終生成的漫游動(dòng)畫不是在3ds max場(chǎng)景中一口氣全部渲染完成的，而是根據(jù)動(dòng)畫腳本渲染多個(gè)片段，最后通過后期編輯軟件合成的。比如對(duì)校園中的小湖進(jìn)行展現(xiàn)時(shí)就是通過多個(gè)角度，多個(gè)方向來展現(xiàn)的，其就無法一口氣渲染完成，而是渲染多個(gè)片段，最后合成。

4 生成交互

當(dāng)然，有時(shí)候僅僅觀看三維虛擬漫游動(dòng)畫還不能夠真正有身臨其境的感覺，因?yàn)樗^看的都是制作者根據(jù)自己的思路來完成的，真正的身臨其境的感覺是通過交互完成的，來訪者通過交互來觀看校園的每個(gè)地方，而不是受制作者影響。在制作虛擬交互時(shí)，有多個(gè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)比如：（1）VRML，它是虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體網(wǎng)絡(luò)程序語言。3ds max提供了VRML的接口，將3ds max建立的模型導(dǎo)入到其中，再利用VRML對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互的編程空控制。（2）virtools，用戶可以利用它快捷地生成具有真實(shí)互動(dòng)行為的虛擬交互場(chǎng)景，最終是發(fā)布成EXE或基于WEB瀏覽的文件。（3）Unity3D，主要是為虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)簡(jiǎn)易軟件而發(fā)布的，其提供了簡(jiǎn)單易操作的三維優(yōu)秀創(chuàng)作平臺(tái)。

這里筆者為大家推薦的是VRP，VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，其操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、所見即所得、高度可視化。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式進(jìn)行，不需要程序員參與。VRP平臺(tái)安裝好后，在3ds max中會(huì)生成一個(gè)VRP導(dǎo)出插件，我們正是通過該插件將建設(shè)好的三維虛擬場(chǎng)景導(dǎo)入到VRP-builder中。需要說明的是，如果VR場(chǎng)景較大時(shí)我們要進(jìn)行分批烘焙，分批導(dǎo)出。接著我們就可以在VRP中生成虛擬漫游系統(tǒng)，創(chuàng)建行走和飛行相機(jī)，設(shè)置好檢測(cè)碰撞，設(shè)計(jì)好漫游路線，整個(gè)虛擬場(chǎng)景就可以用第一人稱的視角來瀏覽了。為了效果更加逼真，我們可以為場(chǎng)景添加自帶的各種用動(dòng)態(tài)貼圖制作的情景動(dòng)畫（如花園噴泉、校車、師生員工等）和天空盒、舞效、太陽光暈等特效。當(dāng)完成了上面的操作后，就可以將場(chǎng)景文件生成WEB文件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布了，其文件是VRPIE。

5 結(jié)語

三維虛擬校園已經(jīng)在逐漸走進(jìn)各個(gè)高校，正是其具有真實(shí)、互動(dòng)、情景化的特性，深受廣大使用者喜愛。目前大部分高校的三維虛擬校園僅局限于校園風(fēng)景的瀏覽，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，虛擬校園將會(huì)陸續(xù)添加虛擬網(wǎng)上課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室等，使得三維虛擬校園真正成為學(xué)校的名片，成為學(xué)生學(xué)習(xí)的場(chǎng)所，使真正意義上的數(shù)字化校園走進(jìn)我們的生活。

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