基于paws3d的虛擬校園模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王俊潔,李慧琴,孫 英

(楚雄師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 楚雄 675000)

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基于paws3d的虛擬校園模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王俊潔,李慧琴,孫 英

(楚雄師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 楚雄 675000)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，為學(xué)校實(shí)現(xiàn)虛擬校園提供的強(qiáng)大的技術(shù)支持，本文以楚雄師范學(xué)院校園為例，應(yīng)用3dmax 和paws3d開發(fā)工具進(jìn)行虛擬校園的建構(gòu)，介紹了虛擬校園的模型設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

虛擬校園；建模；3dMax；Paws3D

0 引言

隨著信息社會(huì)化的飛速發(fā)展，數(shù)字化校園已經(jīng)成為學(xué)校發(fā)展建設(shè)中一個(gè)非常重要的組成部分。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為現(xiàn)在比較流行的高新實(shí)用技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并通過(guò)刺激視覺、聽覺和觸覺三大感官讓人產(chǎn)生如同身臨其境的感受。虛擬技術(shù)讓學(xué)校數(shù)字化校園建設(shè)之虛擬校園實(shí)現(xiàn)變?yōu)榭赡懿⑻峁┝思夹g(shù)支持，并將學(xué)校數(shù)字化建設(shè)的理念從二維平面模式向三維立體模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換升級(jí)。虛擬校園將成為學(xué)校對(duì)外招生宣傳、學(xué)校現(xiàn)代化管理和校園數(shù)字化教學(xué)等工作中不可缺少的部分。目前，許多高校已經(jīng)將虛擬校園建設(shè)作為學(xué)校建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)而高度重視。

1.平臺(tái)介紹

1.1 3dMax

目前，制作三維景觀建模的工具比較多，常見的工具有3dMax、Maya和AutoCAD等。3dMax是制作3D建筑效果圖和動(dòng)畫的一個(gè)有效工具，它不僅可以制作室內(nèi)建筑裝飾效果圖，還可以制作室外建筑設(shè)計(jì)效果圖。3DMax擁有許多強(qiáng)大的命令可以供許多的創(chuàng)作者使用， 不僅可以對(duì)室內(nèi)效果圖進(jìn)行基本建模、賦予材質(zhì)還可以進(jìn)行UV貼圖和燈光的使用，也可以創(chuàng)建圖形文件等，對(duì)室外建模效果圖也可進(jìn)行同樣的操作。3dMax的特點(diǎn)是方便易學(xué)、操作性強(qiáng)，制作出的模型外觀效果形象逼真，是三維建模的首選工具。

1.2 Paws3D

Paws3D是一款中文版的3D跨平臺(tái)游戲開發(fā)沙盒，它通過(guò)可視化操作界面將開發(fā)者制作的3D模型放入舞臺(tái)場(chǎng)景中，并進(jìn)行一些相關(guān)參數(shù)設(shè)置，即可完成整個(gè)場(chǎng)景搭建。Paws3D所提出的開發(fā)沙盒概念，就是把所有驅(qū)動(dòng)的模塊全都設(shè)計(jì)制作到沙盒編輯器中。Paws3D提供給了開發(fā)者所有基礎(chǔ)的布景，道具和邏輯腳本，開發(fā)者只需要把自己的美術(shù)設(shè)計(jì)、創(chuàng)意劇本以及思維邏輯導(dǎo)入到沙盒中，就如同在沙灘上堆城堡一樣，堆砌出來(lái)即可。當(dāng)然所有的布景、道具都應(yīng)該在前期制作完成，然后導(dǎo)入到Paws3D中方可正常使用。

2.楚雄師范學(xué)院虛擬校園漫游系統(tǒng)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的虛擬校園漫游系統(tǒng)一般都基于以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心，結(jié)合ASP技術(shù)、JS腳本語(yǔ)言或Java語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議和因特網(wǎng)的逼真虛擬校園漫游系統(tǒng)。楚雄師范學(xué)院虛擬校園系統(tǒng)采用了Paws3D沙盒作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)工具，因?yàn)镻aws3D游戲沙盒的特性，虛擬校園系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上更為方便容易，用戶操作更為輕松自如。具體特點(diǎn)如下：

2.1 三維可視化仿真校園景觀

楚雄師范學(xué)院虛擬校園漫游系統(tǒng)是以真實(shí)校園為整體藍(lán)本運(yùn)用三維技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)校園的全部場(chǎng)景。學(xué)校的教學(xué)樓、圖書館、食堂、宿舍樓、體育場(chǎng)、道路、廣場(chǎng)、花園、樹木等模型運(yùn)用3DMax制作，再將所有模型導(dǎo)入Paws3D沙盒，按照校園真實(shí)場(chǎng)景擺設(shè)所有模型形成虛擬校園景觀。除此之外，我們的還可以在校園內(nèi)設(shè)置一些動(dòng)態(tài)的人物角色(教師、學(xué)生)，使校園看起來(lái)更加生動(dòng)逼真。

2.2 身臨其境的個(gè)性化校園漫游

虛擬校園漫游系統(tǒng)使用Paws3D沙盒中角色扮演的特點(diǎn)在系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)人物，用戶可以根據(jù)個(gè)人喜好隨意設(shè)計(jì)人物的造型，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操控系統(tǒng)中的人物角色實(shí)現(xiàn)三維校園虛擬場(chǎng)景的自由漫游。

2.3 游戲體驗(yàn)形式的場(chǎng)景交互

Paws3D是一個(gè)3D游戲開發(fā)軟件工具，基于該軟件的特點(diǎn)，我們借助軟件中觸發(fā)器和任務(wù)管理的功能實(shí)現(xiàn)了虛擬校園系統(tǒng)中的交互功能。我們?cè)谛@場(chǎng)景中的一些重要位置或人物上設(shè)置觸發(fā)器，在系統(tǒng)后臺(tái)通過(guò)任務(wù)管理器創(chuàng)建相關(guān)的任務(wù)，并通過(guò)觸發(fā)器連接上相應(yīng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)人與人、人與物之間的交互。

2.4 簡(jiǎn)單方便的系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)

由于Paws3D開發(fā)軟件可視化操作界面的特點(diǎn)，虛擬校園漫游系統(tǒng)的整個(gè)開發(fā)過(guò)程都不涉及到代碼編寫的過(guò)程，開發(fā)者只需要掌握Paws3D軟件的基本操作要求便可很容易的進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)開發(fā)的過(guò)程中更多需要考慮的是模型的制作、場(chǎng)景的設(shè)計(jì)、人物角色的設(shè)計(jì)以及校園內(nèi)各交互任務(wù)的具體要求，使得開發(fā)者從繁重的代碼中解脫出來(lái)，更加關(guān)注于虛擬校園建設(shè)的精細(xì)環(huán)節(jié)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率，細(xì)化了系統(tǒng)開發(fā)的內(nèi)涵。

3.開發(fā)設(shè)計(jì)

楚雄師范學(xué)院虛擬校園開發(fā)的具體實(shí)施如下圖1所示：

圖1 楚雄師范學(xué)院虛擬校園開發(fā)流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集

楚雄師范學(xué)院東區(qū)是近幾年才新建設(shè)的院區(qū)，相對(duì)的環(huán)境設(shè)施比較齊全，是一個(gè)適合學(xué)習(xí)和生活的院區(qū)。面對(duì)楚雄師范學(xué)院正門為坐標(biāo)原點(diǎn)，正東方是主教學(xué)樓，主教學(xué)樓背后是圖書館，再往東是食堂和女生宿舍。北邊是綜合辦公樓，再往北是信息中心和學(xué)院教學(xué)樓。南邊是學(xué)生會(huì)堂，再往南是球場(chǎng)和學(xué)院教學(xué)樓以及男生宿舍。

首先對(duì)校園進(jìn)行實(shí)地考察，將學(xué)校的各建筑物、道路和花草樹木用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝獲取相關(guān)數(shù)據(jù)資料。然后根據(jù)采集到的照片分析出各實(shí)物的實(shí)際大小數(shù)據(jù)并按照一定比例進(jìn)行調(diào)整，并利用圖形處理軟件對(duì)每張照片進(jìn)行調(diào)整變換裁切后得到有效的圖片素材。特別對(duì)于道路、墻壁、窗戶等實(shí)體采用采集紋理貼圖方式得到相關(guān)圖片。

3.2 3D模型建模

3D模型建模是在整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中工作量最大，花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)節(jié)。模型主要分為室外模型和室內(nèi)模型，室外模型主要包括：教學(xué)樓、食堂、宿舍、圖書館、綜合樓和花草樹木；室內(nèi)模型主要包括：宿舍里的高低床、 飲水機(jī)、衣柜、電腦以及教室里的課桌、圖書館的書架、食堂里的餐桌和一些室內(nèi)裝飾物品等。以上所有這些模型都是參照著實(shí)物原始照片，在3DMax下通過(guò)先創(chuàng)建一個(gè)多邊形(長(zhǎng)方體、球體、圓柱體等)，然后在多邊形上的點(diǎn)、線、面通過(guò)多次的擠壓、復(fù)制、切割、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等多種操作后得到形狀模型，然后在每一個(gè)形狀模型上進(jìn)行UV貼圖和分配材質(zhì)，最終得到效果模型。

3.3 模型導(dǎo)入Paws3D

在Paws3D中，所有的建模模型必須是FBX格式才能正常使用，所以用3Dmax建好的模型需要導(dǎo)出轉(zhuǎn)化為FBX格式后才能導(dǎo)入Paws3D素材資源庫(kù)里。導(dǎo)入資源庫(kù)里的素材除了建模模型之外，還必須將地面紋理圖、道路墻壁材質(zhì)圖等一些相關(guān)數(shù)據(jù)一同導(dǎo)入Paws3D中，并分別放入不同素材資源文件夾中，以便后期場(chǎng)景設(shè)置使用。

3.4 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

Paws3D中場(chǎng)景分為室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景兩種方式。室外場(chǎng)景如同一塊規(guī)定了面積大小的場(chǎng)地，而室內(nèi)場(chǎng)景如同一個(gè)封閉的空間。場(chǎng)景的形狀可以畫出矩形、圓形以及不規(guī)則圖形，場(chǎng)景尺寸以米為單位。當(dāng)確定好場(chǎng)景形狀和大小以后，就可以從資源庫(kù)中找到相應(yīng)的路面材質(zhì)圖和墻壁材質(zhì)圖對(duì)場(chǎng)景的地面和墻壁(室內(nèi)場(chǎng)景)進(jìn)行設(shè)置。接下來(lái)就可以布置場(chǎng)景格局了，從素材庫(kù)中找到先前導(dǎo)入的各種模型依次拖入場(chǎng)景擺放調(diào)整。在Paws3D中我們可以非常方便的調(diào)整視角，通過(guò)移動(dòng)場(chǎng)景攝像機(jī)來(lái)改變場(chǎng)景的觀察角度，從而保證我們擺放的模型的位置大小合適。

在這里還需要注意到模型和模型之間存在物理碰撞的問(wèn)題，在Paws3D中已經(jīng)考慮到了這點(diǎn)，并將物理碰撞作為模型的一個(gè)屬性進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)用戶認(rèn)為該模型是具有物理碰撞的，只需要在該模型的屬性值中作出選擇就可以實(shí)現(xiàn)。另外，在Paws3D中還可以實(shí)現(xiàn)空氣墻的設(shè)置，空氣墻的實(shí)質(zhì)就是在模型四周建立一道不可跨越的無(wú)形隔面，校園場(chǎng)景中的水塘、草坪、花臺(tái)等地域是不可以通過(guò)的，必須進(jìn)行空氣墻設(shè)置。效果圖如圖2(校園全景圖)：

3.5 角色導(dǎo)入

校園室內(nèi)外場(chǎng)景設(shè)計(jì)完成后，就可以在場(chǎng)景中導(dǎo)入角色。角色如同一個(gè)行走在校園的人，用戶通過(guò)鼠標(biāo)直接操控角色可以在每個(gè)場(chǎng)景中自由行走。在建立角色的時(shí)候，需要給角色綁定一臺(tái)攝像機(jī)，這臺(tái)攝像機(jī)可以看做是角色的眼睛或是角色身后的一個(gè)眼睛，它將能使角色以觀光者的角度查看每個(gè)場(chǎng)景。場(chǎng)景中創(chuàng)建角色的同時(shí)，還應(yīng)該在場(chǎng)景中設(shè)置一個(gè)初始點(diǎn)與角色綁定，這個(gè)初始點(diǎn)決定了角色進(jìn)入某個(gè)場(chǎng)景的起始位置在什么地方，每一個(gè)場(chǎng)景中至少應(yīng)該有一個(gè)起始點(diǎn)。最終效果如圖3(角色漫游虛擬校園圖)：

3.6觸發(fā)器設(shè)置

Paws3D中還自帶觸發(fā)器功能，觸發(fā)器的原理就是在一定的觸發(fā)范圍內(nèi)通過(guò)設(shè)置觸發(fā)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能。在虛擬校園模型設(shè)計(jì)中，觸發(fā)器一般設(shè)置在每個(gè)教學(xué)樓、教室、宿舍、食堂的出入口，或者是需要進(jìn)行提示和任務(wù)交互的具體地理位置等。實(shí)際上，各個(gè)場(chǎng)景的相互切換就是通過(guò)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)角色進(jìn)入到觸發(fā)器范圍，我們就認(rèn)為觸發(fā)了條件，進(jìn)而讓角色進(jìn)入到下一個(gè)場(chǎng)景中去。

3.7天氣特效

Paws3D中有一個(gè)非常強(qiáng)大的功能——粒子系統(tǒng)。通過(guò)粒子系統(tǒng)可以制作出雨、雪、落葉等多種特別逼真的動(dòng)態(tài)效果。我們可以把天空中需要呈現(xiàn)的每種物質(zhì)看作是一種粒子，然后通過(guò)一個(gè)發(fā)射器將成千上萬(wàn)個(gè)這樣的粒子發(fā)射到空中，形成一種特殊的天氣效果。影響粒子效果的具體設(shè)置主要有三個(gè)方面：粒子基本參數(shù)、發(fā)射器和影響器。粒子的基本參數(shù)主要包含粒子大小、數(shù)量、形狀等，發(fā)射器主要包含粒子發(fā)射的方向、位置、速度等，而影響器主要設(shè)置粒子呈現(xiàn)時(shí)顏色、動(dòng)作上的改變。在Paws3D中我們只需要對(duì)這些參數(shù)作一些調(diào)整和設(shè)置，即可呈現(xiàn)我們需要的各種特殊天氣效果。

4.結(jié)束語(yǔ)

虛擬校園的模型設(shè)計(jì)為學(xué)校數(shù)字化進(jìn)程打開了一道大門，對(duì)學(xué)校的對(duì)外招生宣傳、提高學(xué)校知名度、數(shù)字化校園管理等多個(gè)方面都起到極大的幫助。楚雄師范學(xué)院虛擬校園模型系統(tǒng)直觀展現(xiàn)了整個(gè)校園風(fēng)景，用戶如同親身步入校園校舍當(dāng)中感受。系統(tǒng)作為學(xué)校進(jìn)行自我展示的一個(gè)平臺(tái)，可以達(dá)到很好的宣傳效果，具有一定的意義。

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(責(zé)任編輯 劉洪基)

Design and Implementation of Virtual Campus Model Based on Paws3D

WANG Junjie, LI Huiqin & SUN Ying

(SchoolofInformationSciences&Technology,ChuxiongNormalUniversity,Chuxiong, 675000,Yunnan)

The unceasing development and consummation virtual reality technology provides the formidable technical support for the school hypothesized campus realization . The article introduced Model design and realization of Hypothesized campus Using 3dmax and paws3d.

Hypothesized campus; Modeling; 3dMax; Paws3D

2016 - 05 - 14作者簡(jiǎn)介：王俊潔(1976—) ，女，講師，碩士，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。李慧琴(1975—)，女，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用及教育。

TP393.18

A

1671 - 7406(2016)06 - 0050 - 04