三維校園虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白學(xué)明，趙 剛

(泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東泰安 271021)

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種集成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、傳感技術(shù)、人工智能等技術(shù)的新型學(xué)科，是人們通過計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化交互的全新方式，通過模擬現(xiàn)實(shí)世界場景或構(gòu)建虛擬建筑場景，生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，充分發(fā)揮其浸沒感、交互性、構(gòu)想性的特征，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)中的各行各業(yè)以及3D游戲等［1］.其中一個(gè)重要的應(yīng)用就是三維虛擬校園.目前，在國內(nèi)有許多高校都建起了自己的虛擬校園，如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、中國海洋大學(xué)、華中科技大學(xué)等.這些虛擬校園大致分為兩類，一類以清華大學(xué)的虛擬校園為例，整個(gè)系統(tǒng)仍然是以平面俯瞰圖的形式來展現(xiàn)的，每個(gè)建筑物只是簡單的文字標(biāo)號(hào)，并沒有實(shí)際的模型，因此，導(dǎo)致立體感不強(qiáng).另一類以浙江大學(xué)的虛擬校園為例，雖然每個(gè)實(shí)物模型采用了三維立體的形式，增強(qiáng)了立體感，但只能在固定的角度查看校園場景，不能夠旋轉(zhuǎn)視角，從多個(gè)角度進(jìn)行查看［2－4］.本文設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)采用三維立體的方式以增強(qiáng)立體感，而且還可以以任意視角漫游整個(gè)校園.

目前，三維虛擬校園的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式:一種是發(fā)揮高級(jí)編程語言的優(yōu)勢，完全運(yùn)用編程方式實(shí)現(xiàn)，如VRML、OpenGL、Java3D等，另一種則運(yùn)用集成的3D建模軟件建模實(shí)現(xiàn)，如3Dmax、Maya等［5－6］.本文介紹運(yùn)用3D建模軟件建模的方式，發(fā)揮3Dmax建模和3D視景仿真平臺(tái)交互等軟件的優(yōu)勢，方便快捷地實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，而且更加注意模型細(xì)節(jié)的處理，簡化系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)際操作，方便用戶的使用和系統(tǒng)的擴(kuò)展.開發(fā)的系統(tǒng)專業(yè)性很強(qiáng)，可在3D演示平臺(tái)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)沉浸式漫游.

2 開發(fā)步驟

山東泰山學(xué)院三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)共分為如圖1所示的五個(gè)步驟，分別為數(shù)據(jù)采集、三維模型創(chuàng)建、模型優(yōu)化、導(dǎo)入3D視景仿真軟件和系統(tǒng)形成.

圖1 系統(tǒng)開發(fā)步驟

實(shí)施系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備工作主要是進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，也是系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要的一步，直接影響整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，關(guān)系全局.首先，根據(jù)泰山學(xué)院提供的實(shí)地情況，記錄相關(guān)建模對象的數(shù)據(jù)信息.然后借助網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，在Google Earth上采集泰山學(xué)院的地理數(shù)據(jù)，對校園整體進(jìn)行截圖.接著再借助現(xiàn)有的泰山學(xué)院建筑平面圖，補(bǔ)充新的建筑模型.最后在Photoshop中合并繪制出校園完整的建筑平面圖.

在對校園實(shí)地考察時(shí)，使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍下各個(gè)建筑物的紋理圖.采集時(shí)注意圖片的格式，要求既能反映現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又要盡量接近建筑物本身的比例.我們采用JPEG格式的圖片.不僅從宏觀上拍攝建筑物的大體構(gòu)造，又在微觀上注意建筑物的細(xì)節(jié)，如圖2所示.目的是方便后期三維模型的創(chuàng)建.由于受建筑物的高度、拍攝距離及相機(jī)自身成像特點(diǎn)的影響，拍攝的像片往往比例失調(diào)，須對每張照片使用圖形處理軟件Photoshop進(jìn)行各種處理.例如，用自由變換把比例失調(diào)的圖片拉正，裁剪周圍其他的場景，去除圖片中的雜景等.關(guān)鍵是對拍攝的圖片加以細(xì)致處理，調(diào)試好建筑物的紋理.

圖2 圖片采集與處理

2.1 基本模型創(chuàng)建

首先要進(jìn)行的是地形的創(chuàng)建，參照校園的建筑平面圖以及從Google Earth上的截圖(如圖3)，導(dǎo)入到3Dmax頂視圖中，然后用線條描繪出地形的輪廓來，再擠出形成面，然后根據(jù)實(shí)際地形的相對高低對線條進(jìn)行調(diào)整，確保與實(shí)際地形的情況大致相符.特別地，要提前約定相同的3Dmax版本3Dmax8和系統(tǒng)單位為米.

接著就是最細(xì)致的工作，要對整個(gè)校園進(jìn)行合理分區(qū)，再對分區(qū)內(nèi)的所有建筑物模型進(jìn)行建模.例如，把鄰近的體育場和文體館合并到一個(gè)分區(qū)里，這樣方便實(shí)際的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集.首先抽取每個(gè)分區(qū)里特有的建筑物模型，如樓房，湖水，橋等，然后再創(chuàng)建一些樹木、花、草、石頭等共有模型，方便以后組合時(shí).根據(jù)實(shí)際地形需要分配這些模型.在創(chuàng)建模型時(shí)要用到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集時(shí)的照片，盡量精細(xì)地反映實(shí)際建筑模型.在建模時(shí)最好做簡模，不然可能導(dǎo)致場景的運(yùn)行速度緩慢或無法運(yùn)行.為此需要遵循一定的建模準(zhǔn)則:盡量簡化模型，模型的數(shù)量不要太多，并在不影響整體效果的情況下，最大程度減少構(gòu)建的模型中存在的點(diǎn)、線、面，合理分配模型的密度，用面片表現(xiàn)復(fù)雜造型，刪除看不見的面等.這都是為了方便后期的處理和提高系統(tǒng)顯示的速度.

圖4 貼圖前(左)和貼圖后(右)的圖書館

圖3 Google Earth上的校園俯視圖

然后對建好的模型，附加材質(zhì)和貼圖，如圖4所示.參照前期采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇合適的材質(zhì)類型和貼圖，調(diào)節(jié)材質(zhì)和貼圖盡量接近實(shí)際情況，尤其是對不合適的貼圖需要在Photoshop中先做細(xì)致處理，然后再附于特定的建筑物模型上.由于貼圖和材質(zhì)直接關(guān)系到模型的協(xié)調(diào)與美觀，需要對貼圖和材質(zhì)文件進(jìn)行統(tǒng)一化管理.對于材質(zhì)，3Dmax中通過漫反射調(diào)出的顏色，不同于3D視景仿真軟件的顏色.同樣的白色導(dǎo)入到3D視景仿真軟件中，就可能比在3Dmax中顯示的顏色深.對于材質(zhì)中的二維貼圖，物體必須具有貼圖坐標(biāo)，這個(gè)坐標(biāo)確定二維的貼圖以何種方式映射在物體上，它不同于場景中的XYZ坐標(biāo)系，而是使用UV或UVW坐標(biāo)系.

2.2 模型整合

把固定分區(qū)內(nèi)的模型進(jìn)行組合，形成特定小塊區(qū)域的模型組合塊，然后標(biāo)上記號(hào)并保存，由于本系統(tǒng)場景較大，涉及的模型文件較多，因此對生成的文件要進(jìn)行合理的命名以方便系統(tǒng)管理和整合.組合時(shí)要對小塊區(qū)域的模型，選擇多個(gè)角度渲染查看，檢查是否有黑面、破面等問題，并仍然要遵循建模時(shí)的準(zhǔn)則.從小塊區(qū)域的模型做起，保證把每個(gè)小塊區(qū)域的模型做精細(xì)，才能保證整個(gè)系統(tǒng)模型的精確度.

在創(chuàng)建好的地形模型中，依次合并導(dǎo)入各個(gè)小塊分區(qū)的模型，并通過移動(dòng)和縮放工具調(diào)整模型，使模型分布到地形的合適區(qū)域上.在此合并模型過程一定要注意檢查模型的編號(hào)問題，保證每個(gè)模型的名稱在這個(gè)系統(tǒng)中是唯一的，這樣才能確保貼圖時(shí)不出現(xiàn)錯(cuò)位、混亂等顯示不正確問題.為此可以借助一些3D插件來進(jìn)行檢查.圖5所示就是使用VRP插件檢查系統(tǒng)中是否存在重名模型.如果存在，則自動(dòng)重命名模型，保證模型名稱的唯一性.

2.3 模型優(yōu)化處理

在對整體模型進(jìn)行整合之后，還要對其它環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化完善.依照建模時(shí)遵循的準(zhǔn)則，刪除看不到的點(diǎn)，線，面，對復(fù)雜造型物體用面片貼圖來表現(xiàn)，如草地、樹木、湖水等模型.虛擬場景中的樹木通常采用十字形相交叉的兩個(gè)固定矩形面來構(gòu)造，分別映射相同的紋理，因其角度間隔為90°，所以在不同的角度總可以看到不同的樹木效果.如圖6就是場景中樹木的模型.一般在一個(gè)大的區(qū)域內(nèi)添加有限的幾個(gè)樹木模型做代表既可，否則添加的模型過多會(huì)直接導(dǎo)致模型面數(shù)過多無法導(dǎo)入到VRP中或使系統(tǒng)的整體運(yùn)行速度下降.模型面數(shù)的多少對計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小是一種考驗(yàn)，為此我們強(qiáng)調(diào)時(shí)刻遵循建模準(zhǔn)則，以最大程度減少面數(shù).

2.4 模型導(dǎo)出

為了使模型能夠在3D視景仿真軟件中進(jìn)行后期處理，需要在3DMax中安裝相應(yīng)的插件.安裝成功后，在3DMax中選擇3D視景仿真導(dǎo)出插件，導(dǎo)出特定適合3D視景仿真軟件處理的FYF格式文件，并保存以備后續(xù)步驟的使用.圖7所示為在3DMax中使用插件導(dǎo)出模型的界面.

3 3D視景仿真軟件后期處理

在3D視景仿真中，在原始位置導(dǎo)入從3Dmax中導(dǎo)出的FYF格式文件，然后就可以對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整設(shè)置.為了能在創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中進(jìn)行漫游，與周圍環(huán)境交互產(chǎn)生身臨其境的感覺，需要對漫游系統(tǒng)進(jìn)行模型調(diào)整、燈光設(shè)置、天氣環(huán)境、漫游路徑和漫游速度的設(shè)置等.在系統(tǒng)中添加平面文字或三維文字，對關(guān)鍵步驟起到提示作用，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的顯示方式和觀察方式.在天氣系統(tǒng)中可以添加雨水和雪花兩種天氣效果.另外，最關(guān)鍵的是進(jìn)行漫游路徑的設(shè)置，其直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體效果.最后可以輸出效果圖打印保存，也可以保存場景文件在需要時(shí)進(jìn)行漫游瀏覽.在具有3D視頻演示功能的顯示器上就可以在軟件中打開已經(jīng)保存好的工程，手動(dòng)漫游，或者按設(shè)置好的路徑進(jìn)行漫游.這是真正具有3D效果的漫游場景，佩戴3D偏振片鏡能夠?qū)崿F(xiàn)具有沉浸感的效果.至此，泰山學(xué)院三維校園虛擬漫游系統(tǒng)就開發(fā)完成了.圖8所示為三維校園虛擬漫游系統(tǒng)的宏觀效果圖.

圖8 三維校園虛擬漫游系統(tǒng)宏觀效果圖

4 結(jié)束語

本文討論了一種可視化的三維虛擬漫游場景開發(fā)方法，通過各種軟件的集成使用，最終實(shí)現(xiàn)了泰山學(xué)院的三維校園虛擬漫游系統(tǒng).用戶可以在其中漫游查看校園的不同位置和視角的場景.但是由于受人員3D建模水平的影響，創(chuàng)建的部分模型不夠精簡，地形的創(chuàng)建不夠精細(xì)，與現(xiàn)實(shí)世界還有一定的差距.隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維可視化虛擬校園將會(huì)引起更多人的關(guān)注和實(shí)踐，我們也將繼續(xù)完善校園漫游系統(tǒng)的虛擬效果.

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