基于VRP的虛擬校園系統(tǒng)構(gòu)建方法的研究

摘 要：近幾年來，虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)在全球迅速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的其中一個應(yīng)用就是虛擬校園的建設(shè)，文章利用3ds Max建模軟件進(jìn)行三維虛擬校園的建模，利用VRP三維交互仿真平臺實(shí)現(xiàn)虛擬校園的交互仿真。該方案能夠確切保證模型的精度和實(shí)時渲染的要求，可供今后校園漫游建設(shè)借鑒。分別從數(shù)據(jù)收集、模型建立和優(yōu)化及交互實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：VRP；虛擬校園；三維建模；模型優(yōu)化

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。它具有多感知性、沉浸感、交互性、構(gòu)想性等特征。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于虛擬校園的建設(shè)，可以做到實(shí)時交互，能讓用戶在虛擬空間中有身臨其境之感。

通過虛擬校園，能讓人對整個學(xué)校有清晰的認(rèn)識，方便用戶熟悉校園內(nèi)部的交通環(huán)境、對校園信息的訪問；另一方面可以用來輔助解決校園規(guī)劃、設(shè)計(jì)中方案的一些問題，促進(jìn)了學(xué)校的建設(shè)發(fā)展[1]。虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1 素材收集

三維虛擬校園的構(gòu)建，力求精美、客觀、符合實(shí)際，所以實(shí)現(xiàn)虛擬校園最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)是關(guān)于校園地理信息和紋理貼圖素材的相關(guān)數(shù)據(jù)收集。

地理信息的數(shù)據(jù)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），也可以自己親自去測量并作簡單的估算，主要獲取各個建筑物的大小、高低及名稱等。

通過實(shí)景拍攝表現(xiàn)材質(zhì)特征的部分來收集紋理貼圖素材，在拍攝時盡量避開建筑物，使用自然光線并保持均勻并注意曝光過程，拍攝后的圖片用Adobe Photoshop軟件進(jìn)行處理，處理完成后進(jìn)行分類歸檔。

2 場景建模流程

校園場景中包含大量的建筑和景觀，3ds Max場景建?？煞譃榈孛娼?、建筑物建模（包括室內(nèi)建模）、環(huán)境小品建模等，方便建模操作和后期修改以提高建模速度。

2.1 地面建模

根據(jù)圖紙利用CAD繪制出由多個小區(qū)域組成的校園輪廓圖。將平面圖導(dǎo)入3ds Max中并將所有小區(qū)域轉(zhuǎn)化成平面，繪制出校園的地面模型。

2.2 建筑物建模

3ds Max有多種建模方式，常用的有幾何體建模、修改器建模、多邊形建模、NURBS曲線、細(xì)分曲面等[2]?？紤]到要控制數(shù)據(jù)量和對比各建模特點(diǎn)，選擇多邊形建模為主，其他建模為輔。將校園輪廓圖導(dǎo)入到3ds Max中并根據(jù)相應(yīng)的尺寸進(jìn)行相應(yīng)擠出。利用連接、插入、分離、輪廓、倒角、放樣和布爾運(yùn)算等功能對于復(fù)雜的建筑物和室內(nèi)再進(jìn)行精細(xì)建模。建模完成后進(jìn)行優(yōu)化處理。

2.3 環(huán)境小品建模

環(huán)境小品相當(dāng)多，如樹木、石頭、旗桿等。VR場景的導(dǎo)出及VR場景的打開速度受VR場景的模型個數(shù)影響極大。所以，對環(huán)境小品的建模，我們采用Billboard技術(shù)，用單個面片賦予其鏤空貼圖的方式來表現(xiàn)花草樹木的效果[3]。在導(dǎo)入VRP后，面片自動面向相機(jī)，在保證精度的同時，提高了系統(tǒng)運(yùn)行流暢性。以樹木的創(chuàng)建為例說明：

（1）在3ds Max中創(chuàng)建一個面，并將其前綴修改為“bb-”；（2）在材質(zhì)編輯器中，將樹的彩色位圖與灰度位圖分別賦予“漫反射顏色”和“不透明度”通道。并且在“不透明度”通道下的“單通道輸出”方式下勾選“Alpha”選項(xiàng)；（3）將編輯好的材質(zhì)賦予面片物體；（4）此時渲染可得到真實(shí)的樹的模型[4]。如圖2所示。

2.4 材質(zhì)貼圖

材質(zhì)是是指在著色物體表面出現(xiàn)方式，用來指定物體的表面或數(shù)個面的特性?！百N圖”是指定到材質(zhì)上的圖形。紋理的作用是給物體提供豐富的細(xì)節(jié)，用簡單的方式模擬出復(fù)雜的外觀，是在視覺效果上對真實(shí)材料的模擬。對于簡單的模型，只需對模型材質(zhì)的漫反射通道設(shè)置位圖貼圖即可；UVW貼圖可以在自己想把貼圖位置詳細(xì)設(shè)置的時候使用，所以對于復(fù)雜的模型可進(jìn)行UVW貼圖和UVW變化設(shè)置。如圖3所示。

2.5 燈光布置

燈光是虛擬現(xiàn)實(shí)三維仿真中很重要的部分，燈光的調(diào)整可讓整個場景更趨于真實(shí)，直接影響其模擬的逼真程度。本設(shè)計(jì)中用的是“三點(diǎn)照明”。但是由于場景大而復(fù)雜，我們把場景分隔成一個個較小的區(qū)域，然后各個區(qū)域再利用“三點(diǎn)照明”的方式解決照明問題[5]。

3 模型優(yōu)化

VR場景的模型個數(shù)過多也會直接影響到VR場景的導(dǎo)出及VR場景的打開速度。所以對于校園這樣一個大規(guī)模的復(fù)雜場景來說，模型優(yōu)化是非常必要的，優(yōu)化方法如下：（1）將相同材質(zhì)的物體進(jìn)行合并或塌陷從而減少模型個數(shù)；（2）通過刪除模型與模型之間的重疊面、刪除模型底部看不見的面、刪除物體之間相交的面、創(chuàng)建bb-物體等方法減少模型的面數(shù)；（3）烘焙貼圖時要遵循一個優(yōu)化原則：對重要的建筑模型烘焙尺寸盡量大；對于比較小的模型，其烘焙貼圖尺寸適當(dāng)小。其中鏤空貼圖不需進(jìn)行烘焙，另外盡可能的重復(fù)利用已有的貼圖，以減少貼圖量[4]。

4 導(dǎo)入VRP并添加效果

在3ds Max中處理完成后，利用VRP-for-Max插件，將場景導(dǎo)入到VRP編輯器中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。

（1）創(chuàng)建天空盒，可使場景更加逼真和美觀，增加真實(shí)感。（2）添加霧效，讓場景更豐富多彩。（3）添加路徑，并創(chuàng)建骨骼動畫使其更加有生氣。（4）添加行走相機(jī)、旋轉(zhuǎn)相機(jī)和飛行相機(jī)等，并添加控件來控制相機(jī)的切換。用戶可以自由漫游、繞點(diǎn)漫游以及從空中鳥瞰整個校園。（5）開啟重力和碰撞檢測，可增強(qiáng)漫游的真實(shí)感。（6）編輯二維界面，添加指北針和導(dǎo)航圖，方便找到自己的實(shí)時位置。（7）添加背景音樂，使自己更加舒服的漫游在虛擬世界。（8）利用腳本編輯器中221個腳本命令，完成各種交互功能的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

文章主要研究利用3ds Max和VRP平臺場景漫游系統(tǒng)的構(gòu)建方案和流程，在滿足漫游真實(shí)感的同時對場景和模型的優(yōu)化方法進(jìn)行了深入探討。VRP平臺提供了交互功能，文章中添加了天空盒、霧效、碰撞檢測等效果使校園場景更加逼真，利用VRP提供的221個腳本完成了對虛擬校園的構(gòu)建。

參考文獻(xiàn)

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[3]梁智杰，李眾立.VR-Platform校園漫游系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（9）：124-127.

[4]馬賀清，陳建平，于淼，等.VRP虛擬校園建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，5：153-157.

[5]崔新友，王培培.貼圖烘焙技術(shù)及其在城市三維景觀系統(tǒng)中的應(yīng)用初探[J].科技信息，2010，15：473-474.