1、1三维虚拟校园系统的构建与实现摘要：结合我校国家级大学生创新创业训练项目厦门大学嘉庚学院三维虚拟校园，以 VRPlatform 软件（VRP，深圳中视典公司）为平台，研究了三维虚拟校园系统的构建与实现。对模型优化，贴图与烘焙技巧，交互的设计等方面进行探讨，实现了虚拟校园系统的虚拟漫游、人机交互、校园导航、信息查询等多种功能，为实现校园信息的电子化、数字化和促进校园文化的推广奠定良好基础。 关键词：虚拟校园；虚拟现实；三维建模；VRP 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 1 引言 虚拟现实技术 (Virtual Reality，VR)又称灵境技术，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传
2、感与测量技术、人机交互技术、网络技术、微电子技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用1。近年来，随着计算机网络技术的普及、便捷和再次发展，越来越多领域运用到虚拟现实的技术，如建筑、医学、娱乐、商业等，虚拟现实将会成为未来网络应用的主趋势。 籍此笔者以美丽的厦门大学嘉庚学院为研究对象，综合使用2AutoCAD，Photoshop，3Ds Max, VRP 等软件，研究实现虚拟校园的流程，开发出一套集教学、教务、校园生活为一体虚拟漫游系统，通过人机交互，校园导航，信息查询等功能，不仅能自然、逼真、形象地表达现实
3、校园，而且拓展了现实校园的时间和空间的维度，在互联网上就能体会亲临校园的感受。 2 系统开发流程 整个系统的开发流程如图 1 所示。 图 1 三维虚拟校园系统构建流程 2.1 资料的收集及系统平台选择 场景建模和布局需要事先收集好校区平面图，如图 2 所示，包括道路、操场、绿地、主体建筑物分布、地形地貌资料等信息。前期收集越全面，对以后的建模进展帮助越大。在模型的创建阶段，根据建筑图纸和参考照片，用 3Ds Max 软件进行建模与贴图。当实体建模完成后，导入到同一个场景中，进行灯光的调整，力求与实际的阴影、明亮程度一致。随后就能够对贴图烘焙，将光影效果定格在贴图上，达到不需要渲染就能有真实阴影
4、的效果。 现在的三维系统平台种类繁多，各有其优点和缺点，选择 VRP 作为搭建系统的平台，是因为 VRP 虚拟现实编辑器是一款直接面向三维美工的虚拟现实软件，所有操作都是用美工的方式演示，可以将美工所有的精力投入到效果制作中，从而有效降低制作成本，提高作品质量2。应用 VRP 软件进行编辑后，可以导出成可执行 EXE 和打包网页 IE 的文件格3式，就能在网络上发布。 图 2 厦门大学漳州校区平面图 2.2 实体建模与模型优化 三维模型建造是整个虚拟系统的核心环节，模型质量的好坏决定了贴图的效果，从而影响整个系统最后的效果。但也不能为了追求模型的细节，不考虑建模的面数和文件大小，这将造成系统文
5、件变大，影响系统的运行流畅性，稳定性，不利于在网络上发布与推广。这样就要求在建模时在保证最优的显示效果下，尽量减少模型面数。本系统的模型为真实模拟校园的实物，其中包括整个校区的地形地貌与道路，校区全部建筑物，花草树木石头，路灯，指示牌以及一些小型物体。 2.2.1 实体建模 通过前期收集的 Auto CAD 图纸，分析建模的思路，删除图纸中不需要的线，导入 3Ds Max 中。导入的图纸是分散的线段，需要进一步在 3Ds Max 中成组，移动到坐标零点，并做冻结处理，图纸就处理完成。3Ds Max 的建模方式大致可分为两种3，一种是利用捕捉工具，分别创建模型的各个组成部分，类似于搭积木，然后优
6、化模型，最后坍塌，使之成为整体，这种方法容易上手，适合快速建模。另一种是按照图纸，根据实际尺寸，创建一个“BOX” ，右键转换为“Editable Poly”（可编辑多边形） ，然后对一些细节部位分割细化，进行挤压拉伸处理，最后成为模型，这样建模可以减少模型使用的面数。两种建模方法各有好处，需要在实际情况进行衡量判断，选择优化方案。图 3 所示是两种建模方式的4图例， （a）是利用模型各个部分，进行堆叠累加，这种方式可以避免分割时候出现错误，特别适合比较复杂的模型；(b)利用可编辑多边形拉伸的方法，单个长方体可节省 2-3 个面数，大型建筑即可减少数千甚至上万个面数的使用。 (a)搭积木方式建
7、模 (b)分割拉伸方式建模 图 3 实体建模的两种方式比较 2.2.2 模型的优化 模型的优化是决定最后模型数据量的重要步骤。优化方法种类很多，有删除优化，简化优化，代替优化等4。删除优化即模型建造完成后，有部分不可见面，重叠面或者相交面。这些冗余面会使数据变大，需要将其删除。如图 4 所示的方法是把模型转化到“Editable Poly”下，在修改器列表点击“Polygon” ，选择看不见的面，将其删除即可，这是最常用，也是最快捷的方式。 图 4 模型优化删除冗余面的方法 简化优化是将一些圆弧的分段数减少。例如 3Ds Max 软件默认的球体的分段数为 32，面数为 960。若将分段数改为
8、16，贴图后显示效果相差并不多，但是面数只有 224。还有部分带弧度模型，通过减少分段数，可大大优化面数。代替优化是利用贴图等优化面数，例如窗户和栏杆等地方，可以使用各类贴图实现。特别是表现细长条和繁杂的物体时，尽量不用模型而用贴图的方式表现。其效果会更细腻，真实感也很强。如5图 5 所示是通过优化处理后的宿舍楼的建模。 图 5 宿舍楼的模型 2.3 贴图处理与灯光烘焙 2.3.1 贴图的处理 贴图的处理需要事先去采集建筑的照片，拍摄照片时尽量选择同一个时间点，这样采集的照片亮度，光影较为统一。贴图照片处理需要用到 Photoshop 软件，因为拍摄时候角度无法垂直，有障碍物，污点，色差等，不
9、能将照片直接使用。常见的处理有裁剪，拼接，拉伸变换，调整明暗亮度等。如图 6 中(a)是拍摄的照片，透视与变形较为严重；(b)是矫正后建筑贴图的素材。 (a)相机拍摄照片(b)处理后的素材 图 6 处理前和处理后的照片对比 贴图的制作有两种，一种是平铺的贴图，还有非平铺的贴图5。对于平铺的贴图，应在 Photoshop 处理成可无缝平铺的贴图，现在有一种方法，使用“滤镜” “其他” “位移” ，调整参数，如果看到明显的接缝，则用仿制图章工具选择其他部位相似的纹理覆盖到接缝处，如此调整之后可做出较完美的贴图。平铺贴图图像尺寸用 2 的 n 次方，像素比较小，可以用 256*256 大小，甚至一些
10、小型实体贴图尺寸只要 128*128。对于非平铺的贴图，例如树木，窗门，栏杆等，分辨率设为 72dpi 即可，大小也不宜过大，采用 512*512 以下的能够满足要求，对于标志性大型建筑6贴图，可设置成 1024*1024 大小。 2.3.2 灯光与烘培 灯光是建筑的灵魂，没有灯光的建筑是平淡，没有立体感的6。灯光的设置需要按照实际的光照来，只能有一盏主灯光，即只有一个阴影，其余灯光补充打光，但是不产生阴影。目标平行光可以来模拟太阳光照，在平行光“常规参数”中，可以对阴影选择启用或者不启用；“平行光参数”中可以调整聚光区/光束数值大小，从而调整灯光照射范围，当作太阳光的目标平行光聚光区/光束数
11、值一般设置照到整个大场景。场景中如果有部分亮度不够的地方，使用泛光灯进行补光，泛光灯强度倍增值设置在 0.3-0.5 之间，以免影响到主灯光光照效果。 灯光调试完毕后，就可以对整个场景进行烘焙。贴图烘培技术也称为 Render To Textures,简单的说就是一种把 MAX 光照信息演染成贴图的方式。烘焙方式有 Lighting Map 烘焙和 Complete Map 烘焙两种方式，两种烘焙方式各自用在不同的地方7。Lighting Map 烘焙使用在大面积的物体，有平铺的贴图，优点是可以保留比较清晰的纹理，比如地面；Complete Map 烘焙使用在需要表现很强的光影效果物体，优点是
12、可以产生比较真实的光域网，比如墙面等。 在烘焙的过程中，有需要注意的地方，有些物体是不用烘焙的。例如：水面，玻璃，金属，栏杆，窗框，植物等。这些物体有些本身不需要光影效果，有些在 VRP 平台能够得到更好的效果。对于这些不需要烘焙的物体，在烘焙的时候进行隐藏或者不选择。如图 7 所示，烘焙完成的建筑具有较好的光影效果。 7图 7 建筑烘焙完成效果 2.4 VRP 交互的设计 整个校区的地形和建筑烘培完成后，就能够导进 VRP 三维互动平台进行合并和设计交互。好的交互功能能够提供逼真的沉浸感，更重要是交互能够告诉使用者如何操作，有什么功能，避免首次使用者茫茫然8。根据学校的虚拟浏览的特点，设计了
13、虚拟漫游，地图导航，动画相机，背景音乐等交互功能。 2.4.1 虚拟漫游 虚拟漫游的自由度高，可以根据使用者的兴趣对校区的全方位多角度浏览。设置办法首先要在功能分类面板中， “创建对象”下点击“物理碰撞” 。选择需要碰撞的物体，点击“开启” ，开启物理碰撞后，能够避免直接穿墙而过等超自然现象。完成物理碰撞后，返回到“创建对象”下“相机”命令，创建一个“行走相机” 。在弹出的小窗口中，重命名相机名字，例如：1 号行走相机。行走相机要模仿人的视线，因此在相机属性栏中，要将水平视角调为 75，并将相机的人体形状身高调为 170.00厘米。设置完成后，就能利用键盘鼠标来控制相机的行走，从而达到虚拟漫游
14、的效果。 2.4.2 地图导航 VRP 平台中有导航图的功能，使用的是二维导航图来实现。在 VRP 软件的功能分类面板中， “编辑界面”下“创建新面板”中选择“导航图”命令，在大窗口中把鼠标放在需要创建导航图的地方，按住鼠标左键进8行拖动，创建一个导航图。接下来在导航图的属性面板“贴图”中，附上事先准备好的贴图，设置模式为线性，并恢复贴图长宽比，可以适当调整导航图的透明度使其更美观。在属性面板的最下方有一个“导航”选项，可以勾选使用鹰眼的功能，在飞行相机和行走相机状态下，单击导航图的时候，就可以快速的切换到场景当中所在的位置。 2.4.3 动画相机 动画相机类似于一个视频，能将场景录制下来的效
15、果提供给使用者观看。在 VRP“创建对象”下选择“相机”功能键，单击“动画相机”按钮。首先按 F5 进入运行界面，然后再单击 F11，此时屏幕就提示开始录制的时间，现在结合键盘和鼠标进行漫游。录制完成后再次按下 F11，结束动画相机的录制。想要观看动画相机时，按键盘上 C 键就能观看。 2.4.4 虚拟系统的集成 系统至此已经完成了大部分的工作，剩下最后的集成与导出。在工具栏中单击“运行”中“项目设置”按钮，可以添加图片和进行系统的操作说明。在工具栏中单击“编译独立执行 EXE 文件” ，在跳出的小窗口中可以设置 Exe 的图标和名称，勾选需要进行编译的.vrp 文件，经过一段时间的编译，就能
16、够生成独立可执行的 EXE 文件。EXE 文件运行的初始窗口如下图。生成的 EXE 文件较大，但是运行速度流畅性比较快，还可以同时生成可执行的 IE 文件。单击“文件”菜单下的“输出为可网络发布的 vrpie 文件” ，选择好输出的文件夹，就能够进行导出了。 图 8 系统的初始界面 93 结束语 本文以建设厦门大学嘉庚学院虚拟校园为例，以 VRP 为平台，实现了具有漫游功能的校园三维景观的可视化仿真。不仅为下一步准备研究的虚拟地下管网（包括给水、排水、电信、电力、工业管道等）的漫游提供重要参考，同时也为实现校园信息的电子化、数字化，促进校园文化的推广奠定良好基础。 参考文献 汪成为, 高文,
17、王行仁. 灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用M.北京:清华大学出版社，2008. 王正盛. 三维虚拟大师 VRP10/3ds Max 虚拟现实制作技能M.北京：科学出版社, 2010. 陈勇, 马纯永等. 基于 VRP sdk 的虚拟海大校园导航系统J. 山东: 中国海洋大学学报, 2007,37(3):481-484. 刘庆伟. 基于 VRML 的虚拟校园研究与实现D. 西安：西安建筑科技大学, 2007. 毛学刚, 李明泽, 范文义. 三维虚拟校园的设计与实现J. 测绘信息与工程, 2008,33 (1) : 47-48. 张秀燕. 3Ds max 在网络虚拟建筑场景中的应用 J. 莱阳：莱阳农学院学报, 2005, 22(3)：236-240. 秦臻楠. 基于 VRP 的虚拟校园的构建与实现D 江苏：扬州大学，2009. 10钱芬. 虚拟现实技术在数字化校园中的应用研究D.成都：成都电子科技大学, 2007.
