基于點云、三維模型的交互式虛擬博物館漫游系統(tǒng)設計

陳邦澤, 楊曉波, 郭霖蓉, 曹海龍

(西藏民族大學 a. 教育學院; b. 西藏光信息處理與可視化技術重點實驗室；c. 信息工程學院, 陜西 咸陽 712082)

基于點云、三維模型的交互式虛擬博物館漫游系統(tǒng)設計

陳邦澤a, 楊曉波b,c, 郭霖蓉b,c, 曹海龍b,c

(西藏民族大學 a. 教育學院; b. 西藏光信息處理與可視化技術重點實驗室；c. 信息工程學院, 陜西 咸陽 712082)

運用三維激光掃描技術獲得博物館內部點云，并在此基礎上用3ds Max建立博物館三維模型、進行材質貼圖、燈光、攝像機和烘焙等工作，隨后將模型導入VRP實現(xiàn)交互式虛擬博物館系統(tǒng)的開發(fā)。館藏文物用手持式非接觸三維激光掃描儀進行掃描并加工處理后得到真實的三維數字文物模型。為保證效率和效果，利用LOD算法對建立的復雜模型進行簡化。所設計的虛擬漫游場景，用戶不僅可身臨其境從多個視角觀察整個場景，并可通過鍵盤、鼠標和距離觸發(fā)觀賞博物館中的文物，實現(xiàn)了虛擬場景的人機交互控制。系統(tǒng)交互性良好，沉浸感強，可多角度、多種方式、多人稱自主漫游博物館并可近距離觀察研究館藏文物。

虛擬現(xiàn)實平臺； 三維模型； 細節(jié)分層； 虛擬現(xiàn)實； 交互

0 引 言

交互式虛擬博物館漫游系統(tǒng)的構建分為館體的構建、館內設施的構建、館內文物的三維數字重建和交互式虛擬漫游等。館體的構建是通過三維激光掃描技術獲得博物館內部的點云，并在點云的基礎上通過3ds Max進行建模。3ds Max不僅具有強大的建模和材質貼圖功能[1]，而且還能完美地與VR_Platform進行兼容，這些使得交互式虛擬漫游系統(tǒng)得以實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)流程綜述

為實現(xiàn)博物館虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的逼真效果，首先通過三維激光掃描儀對博物館內部進行掃描得到博物館的真實尺寸點云數據，同時對博物館內部細節(jié)進行拍攝高精度照片，以建立真實模型所需的材質貼圖庫。館內文物的三維數字重建也是通過三維激光掃描技術獲得。在點云數據的基礎上利用3ds Max進行館體三維模型的建立。模型制作完成后將3D模型導入VRP平臺，進行界面設計和腳本設置，從而實現(xiàn)交互漫游的目的。系統(tǒng)設計流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)設計流程

2 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術能夠快速、無接觸、主動地、高密度、高精度、快速而有效地獲取激光點云( Points Cloud)，基于激光點云的重建技術在文物保護、古跡還原、建筑監(jiān)測、虛擬漫游、數字化城市等諸多領域被廣泛應用。三維激光掃描儀對目標建筑物進行全面的立體掃描，從掃描儀內部射出的高頻率激光束射到建筑物上獲得建筑物表面上的點的空間位置坐標，通過多站點測量得到一系列點云，各站之間必須有一定的重疊區(qū)域，然后通過軟件對多站點的點云進行配準，從而得到建筑物全部的完整的空間信息。本文利用Trimble TX5三維激光掃描儀對本校博物館的內部進行了掃描。經過配準拼接刪除噪點之后得到博物館的內部完整點云，見圖2。

圖2 博物館內部點云

3 模型的建立

3.1 在3ds Max 中建立實體模型

由于場景較大，在建立模型時可將博物館分為幾個部分分別建模，然后再將這些模型合并拼接起來。實際制作中將博物館分為展廳、走廊、樓梯三部分分別建模，最后這三部分模型合并到同一個3ds Max文件，并按照點云顯示的位置將它們擺放拼接，如此完成整個場景的模型構建。

(1) 館體的構建。將博物館的內部點云通過其他軟件進行格式轉換之后導入3ds Max，以點云為參照勾勒出博物館的俯視輪廓，并將輪廓線擠出得到墻體，并將其封口得到房頂。所建模型見圖3。

圖3 博物館館體模型

(2) 館內設施的構建。以走廊和樓梯部分的構建為例。走廊兩側是木制的吊頂，將走廊轉換為可編輯多邊形，在線層級選中走廊頂部兩個長邊進行連線分割成多個方格，選中相間隔的多邊形分別進行擠出，完成吊頂的制作。樓梯和扶手的制作，首先畫出一節(jié)樓梯臺階的側面，參照點云進行擠出，并將其轉換為可編輯多邊形，復制出合適數量的臺階；然后在頂視圖用線畫出扶手輪廓，在其它視圖調整扶手高度，將其設置為“可渲染”樣條線，調整半徑與點云數據大小匹配。樓梯和扶手部分見圖4。

用棉簽蘸一下耳道內粘稠物，涂抹于載玻片上，蓋上蓋玻片，在顯微鏡下觀察。在顯微鏡下可觀察到螨蟲 （圖2），該載玻片置于室內數日，視野內的蟲體仍然活動。

圖4 樓梯和扶手部分

3.2 館內文物的三維數字重建

文物的三維數字重建采用非接觸式三維掃描儀來進行，使用的是Artec Eva 3D便攜式三維掃描儀，Eva不需要對物體貼標記，不需要電磁跟蹤，也不需要校準。在獲取完整三維數據的同時，獲得逼真的表面紋理，掃描系統(tǒng)自動完成紋理映射操作[2-4]。掃描處理后的館藏文物三維模型之一如圖5所示。按照博物館中文物的實際擺放位置，把得到的館藏文物三維模型導入展廳中并調整好它們的位置。

圖5 館藏文物三維模型

3.3 簡化三維模型

為了同時兼顧效果和速度，對于大型場景在建立模型的時候要嚴格控制模型的數量和面數，另外為了在VRP 提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實效性，導入其中的模型不能設計得太復雜[5-7]。在將3ds Max中的模型導出到VRP中時可根據導出時顯示的信息對模型進行及時調整，可以將底層的面和重疊的面刪除、盡量減少模型的分段數、合并同類模型文件等方法對模型反復進行優(yōu)化調整[8-9]。另外，還可采用細節(jié)分層(Level of Details，LOD)技術優(yōu)化虛擬現(xiàn)實場景[10-12]。LOD是Clark 在1976 年首次提出的，主要是為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的模型建立多層次細節(jié)模型，在不同情況下選擇相應的層次，當物體處于較遠位置時可選用較粗的層次模型顯示，相反離視線較近時則選用較精細層次模型顯示，從而達到實時簡化模型但又保持良好的視覺效果的目的。

3.4 材質貼圖

要制作出精美的模型還要為模型添加上材質帖圖，只有添加了材質貼圖的模型才會更加逼真自然。3ds Max具有強大的材質貼圖功能，不僅可通過圖片為模型加上貼圖，3ds Max中還有程序貼圖，通過算法生成貼圖。

在采集數據時要對博物館內部細節(jié)進行精細拍照，并用PS等圖像處理軟件對照片進行加工處理，調整其色彩、光線、透明度等符合場景真實性[13]。添加了材質貼圖的對象為了方便修改調整材質需要為其添加UVW貼圖修改器。

為了同時兼顧效果和速度，對于特別復雜的對象可以建立粗模型，細節(jié)部分通過貼圖來體現(xiàn)，如此建立的模型既保證了效果又提高了系統(tǒng)的運行速度。

3.5 燈光的布置

光線是畫面視覺信息與視覺造型的基礎，沒有光便無法體現(xiàn)對象的形狀、質感和顏色。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的燈光可以模擬現(xiàn)實生活中不同光源類型的物體，通過為場景打燈光可以增強場景的真實感。3ds Max自帶各種燈光另外還支持Vray燈光，VRP也同時支持這兩種燈光。在整個博物館場景的燈光布局中，走廊的燈光以目標聚光燈為主要光源，并對燈光位置、數量和參數進行適當調整以達到預期效果；展廳的玻璃展柜過目標聚光燈做出射燈效果，以便在墻上展現(xiàn)出細膩的射影效果，再在廳內添加適當數量的泛光燈來配合以達到最佳效果。

3.6 剛體動畫的制作

本系統(tǒng)要對文物進行虛擬展示，所以需要設置多個剛體動畫。選中一個文物對象，點擊自動關鍵點，在0 幀設置關鍵幀，然后在其他位置不斷設置關鍵幀，對文物對象進行旋轉、移動等操作，將剛體動畫進行保存，設置ABC 組并以VRP_文物名命名[14]。

3.7 烘焙貼圖

烘焙主要目的優(yōu)化場景提高系統(tǒng)的運行效果，烘焙燈光貼圖后場景中的燈光即使被刪除，場景也還會有強烈的光照和陰影效果。由于要將3ds Max中建立的博物館模型導入VRP中，烘焙時需要注意：① VRP只支持Complete Map和Lightinh Map這兩種烘焙方式的貼圖；② 烘焙的貼圖大小應根據對象實際大小進行調整尺寸；③ 烘焙后的貼圖不能重名。

4 VRP 編輯和設置漫游效果

將3ds Max中建立的博物館模型導入VRP中，并進行相應設置。

(1) VRP中場景的優(yōu)化。 烘焙后導入到VRP中的博物館場景還需要對模型位置、大小、重疊等進行相應調整，如果有模型破損等情況還需要回到3ds Max中進行修改。另外在VRP中還可以對場景中的材質、紋理和陰影效果進行調節(jié)。比如3ds Max中玻璃材質在VRP中無法顯示透明效果，就要對玻璃進行單獨修改，使其具有透明、反射和折射等真實效果。如有必要可將一些貼圖在PS中重新進行修改、調整，以達到更逼真的效果。

(2) 交互界面設置。交互界面的主要功能是制作導航圖、功能按鈕、菜單，當用戶鼠標移近按鈕并單擊時會觸發(fā)相應的腳本事件，如選擇相機、音樂開關、博物館知識的文本介紹、動畫播放等。VRP界面設置分為初級界面和高級界面。

(3) 碰撞檢測。VRP具有高效快捷精確的碰撞檢測算法，為場景中的虛擬模型開啟碰撞檢測可以避免人物角色穿墻而過等現(xiàn)象，以實現(xiàn)更加真實的仿真環(huán)境。因此在虛擬博物館漫游系統(tǒng)中，對于場景中的建筑墻面、桌子、攝像機、玻璃等各類設施都開啟碰撞檢測。

(4) 漫游系統(tǒng)。VRP中的漫游方式主要有沿固定路徑的漫游和自主式漫游兩種。固定式漫游就是在場景中沿一條固定路徑進行漫游，相對較為單一；自主式漫游用戶可以在場景中自主漫游，自由度較高，可多角度觀看，用戶體驗更加充分。在場景中創(chuàng)建骨骼動畫，從角色庫中選擇人物模型添加到場景中，對骨骼角色進行縮放調整到合適大小并移動到合適的位置，并在動作庫中為骨骼角色添加站立、行走、交談等需要的動作，創(chuàng)建相機跟蹤虛擬角色進行漫游?？梢蕴砑拥南鄼C有角色跟蹤相機、行走相機和角色控制相機，以此來實現(xiàn)多種方式的虛擬漫游。

(5) 添加交互腳本。① 為虛擬角色綁定相機設置角色移動速度、添加重力等參數，并為虛擬角色動作名稱進行修改以便添加腳本。② 為按鈕修改名稱并添加腳本，如音樂的播放、相機的選擇、角色動作、動畫播放等。③ 雙擊展廳中的文物，在視窗右側點擊動作按鈕，開啟“距離觸發(fā)”，設置觸發(fā)距離，選擇觸發(fā)物體為虛擬角色，單擊“進入時觸發(fā)動作腳本”，彈出腳本編輯器，然后選擇“插入語句”，找到動畫命令最后點擊播放剛體動畫，并編寫腳本。這樣就完成了文物動畫距離觸發(fā)的命令。系統(tǒng)為文物進行了自動虛擬展示的設計。根據系統(tǒng)交互需要，利用VRP 對文物模型進行了距離觸發(fā)設置，腳本如下: 角色靠近時動作觸發(fā): 播放剛體動畫，vrp_文物名，2，0，1; 角色離開時動作觸發(fā): 停止播放剛體動畫。

(6) 編譯獨立執(zhí)行Exe文件。在VRP中預覽虛擬場景的效果達到預期效果后便可輸出exe文件。exe文件可獨立運行不依賴于VRP環(huán)境，當然也可把交互式虛擬漫游系統(tǒng)發(fā)布到網上。最終效果如圖6和圖7所示。

圖6 虛擬角色上樓梯

圖7 交互式博物館虛擬漫游系統(tǒng)

5 結 語

交互式博物館虛擬漫游系統(tǒng)真正實現(xiàn)了人與虛擬場景交互，讓用戶有了身臨其境、沉浸其中的真切的感受。用戶只需輕輕點擊鼠標，便可進行鳥瞰、俯視和第一、第三人稱自主漫游等多種游覽方式，全方位展示博物館的內部空間結構以及近距離觀察館藏文物；利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，人們足不出戶便可以游覽博物館，獲得與真實的體會；徹底打破空間、時間的限制，可以反復觀看館中的寶貴文物，既不會對文物有損傷，還可做更深一步研究。這項工作為探索西藏文化數字化保護積累了寶貴經驗，有一定的實際意義。

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Design of Interactive Virtual Museum Roaming System Based on Point Cloud, 3ds Max and VRP

CHENBangzea,YANGXiaobob,c,GUOLinrongb,c,CAOHailongb,c

(a. School of Education, Xizang Minzu University; b. Xizang Key Laboratory of Optical Information Processing and Visualization Technology, c. Scholl of Information Engineering, Xizang Minzu University, Xianyang 712082, Shanxi, China)

In this paper , the 3D laser scanning technology is used to obtain the interior point cloud of museum. And on this basis, 3dS Max is used to establish a 3-dimensional model of the museum to complete texture mapping, baking and so on. Then the model is imported into VRP to develop an interactive virtual museum system. Cultural relics are collected and scaned by using hand-held non-contact 3d laser scanner，and then processed. The true 3-dimensional digital cultural relic model is then established. In order to ensure the efficiency and effectiveness, the LOD algorithm is used to simplify the model. In virtual roaming scene designed by us, user can observe personally on the scene from multiple perspectives, can also watch the cultural relics through the keyboard, mouse and distance trigger. Artificially interactive computer control of virtual scene is realized. System interaction is good, holds strong sense of immersion，multi angle, multi way, multi person autonomous roaming Museum，collection of cultural relics can be observed at close range.

Virtual reality platform (VRP)； three-dimensional model； level of details (LOD)； virtual reality； interaction

2016-08-28

國家自然科學基金項目(41361044)；國家社科基金項目(16BMZ059)； 全國教育科學規(guī)劃項目(FCB150516)

陳邦澤(1969-)男，甘肅鎮(zhèn)原人，碩士，副教授，研究方向：教育技術學理論、虛擬現(xiàn)實仿真技術研究。

Tel.: 13689186609; E-mail:hzyangxb@126.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)05-0084-04