基于3Ds Max三維虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［摘 要］ 本文利用全站儀測(cè)量?jī)?nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)西校區(qū)地形數(shù)據(jù)，以Auto CAD 2010、CASS 9.0和Photoshop CS3軟件為基礎(chǔ)，基于3Ds Max 2010軟件建立了內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)三維校園模型，重點(diǎn)闡述了利用3Ds Max 2010來(lái)建立三維建模的流程、材質(zhì)貼圖、燈光和攝影機(jī)的設(shè)置過(guò)程，建立了內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)虛擬三維立體的校園場(chǎng)景，更直觀地展現(xiàn)了校園的全貌。

［關(guān)鍵詞］ 3Ds Max； 三維模型； 虛擬校園

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 17. 070

［中圖分類號(hào)］ TP391.41 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1673 - 0194（2012）17- 0122- 02

０ 引 言

虛擬校園（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃａｍｐｕｓ）是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、地理信息技術(shù)將校園地理信息和其他校園信息結(jié)合，以三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景界面呈現(xiàn)的信息系統(tǒng)，是數(shù)字校園工程的重要組成部分。目前清華大學(xué)、武漢大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、杭州大學(xué)、浙江大學(xué)、西南交通大學(xué)等多所高校都已經(jīng)開(kāi)展虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)的研究，并在視景技術(shù)、三維圖形算法、建模方法等方面取得了重要成果。

本設(shè)計(jì)制作過(guò)程分為數(shù)據(jù)收集與整理、底圖生成與加工、三維建模、材質(zhì)與貼圖設(shè)計(jì)、攝像機(jī)與燈光設(shè)計(jì)、渲染輸出等幾個(gè)環(huán)節(jié)，從三維立體的角度展現(xiàn)了校園全貌，為內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)虛擬仿真校園建設(shè)功能（查詢、選擇、漫游、移動(dòng)等功能）實(shí)現(xiàn)階段研究奠定了基礎(chǔ)。

１ 數(shù)據(jù)采集

項(xiàng)目實(shí)施需要做大量的數(shù)據(jù)采集工作，包括：校園地形數(shù)據(jù)、建筑物高程數(shù)據(jù)、實(shí)景照片等。

１．１ 實(shí)地測(cè)量

采用南方測(cè)繪ＮＴＳ ３５０全站儀測(cè)得校園地形數(shù)據(jù)。設(shè)置棱鏡常數(shù)、大氣改正值（或氣溫、氣壓值）等參數(shù)。按照“從整體到局部、由高級(jí)到低級(jí)，先控制后碎部”的測(cè)量原則，將學(xué)院校園西門水池處設(shè)為起始位置，沿舊教學(xué)樓西側(cè)路，順時(shí)針環(huán)繞校園，確定控制點(diǎn)。將控制點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，以Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，……命名，準(zhǔn)確記錄控制點(diǎn)所在的位置。按照閉合導(dǎo)線測(cè)量的方法來(lái)測(cè)各控制點(diǎn)坐標(biāo)。然后采用閉合差坐標(biāo)值分配方法：根據(jù)測(cè)量得出的相鄰始終兩點(diǎn)間的坐標(biāo)，按照兩點(diǎn)間的坐標(biāo)增量ΔＸ和ΔＹ來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)間的邊長(zhǎng)，距離公式：Ｄ＝（ΔＸ）２＋（ΔＹ）２，由此依次計(jì)算出總邊長(zhǎng)，把計(jì)算得出的閉合差按比例進(jìn)行分配，通過(guò)計(jì)算得到改正后各控制點(diǎn)的坐標(biāo)值。把改正后的控制點(diǎn)坐標(biāo)作為已知坐標(biāo)，通過(guò)控制點(diǎn)來(lái)測(cè)所在分區(qū)域的具有特征的碎部點(diǎn)坐標(biāo)，以ａ１，ａ２，……b１， b２，……命名。

由于建筑物高度數(shù)據(jù)不是本研究所利用的主要數(shù)據(jù)，對(duì)于其精度的要求不高，故采用了較為簡(jiǎn)便的方式，即依據(jù)建筑的形狀特點(diǎn)、用途等因子估計(jì)層高，再乘以樓層數(shù)近似地獲得高度數(shù)據(jù)。

１．２ 實(shí)景拍照

本項(xiàng)目成果是實(shí)現(xiàn)虛擬校園仿真全景展示，最終的模型場(chǎng)景效果完全模擬現(xiàn)實(shí)中的校園全貌，力求客觀、精美，符合實(shí)際。實(shí)景拍照工作，就是將校園所有建筑設(shè)施包括學(xué)生宿舍、食堂、圖書(shū)館、教學(xué)大樓、辦公樓等主要建筑利用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)在不同角度進(jìn)行取景拍照，拍照時(shí)應(yīng)注意拍攝位置、角度、曝光程度，盡量避開(kāi)障礙物。拍照后圖片先按各建筑進(jìn)行分類歸檔，待處理后進(jìn)行材質(zhì)貼圖。

２ 生成底圖

將采集的數(shù)據(jù)由全站儀以TXT形式導(dǎo)出，導(dǎo)入ＣＡＳＳ ９．０進(jìn)行數(shù)字化成圖，再利用Ａｕｔｏ ＣＡＤ２０１０進(jìn)行處理，生成平面底圖，見(jiàn)圖１。

３ 建 模

３．１ 建筑物建模

針對(duì)數(shù)據(jù)采集階段所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)實(shí)地測(cè)量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照各建筑物實(shí)際朝向、各建筑相對(duì)位置、垂直結(jié)構(gòu)，根據(jù)矢量底圖對(duì)照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，方法是：將底圖導(dǎo)入３Ｄｓ Ｍａｘ ２０１０軟件中，利用節(jié)點(diǎn)捕捉工具生成二維模型，然后對(duì)二維模型進(jìn)行擠出命令的操作，并將產(chǎn)生的三維模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，通過(guò)編輯使簡(jiǎn)單的三維模型生成復(fù)雜的三維建筑模型。為了減少建模時(shí)的干擾，可將已經(jīng)建好的單體模型進(jìn)行隱藏或者凍結(jié)（注意：模型制作過(guò)程中要盡量減少布爾運(yùn)算，以免在之后進(jìn)行的材質(zhì)貼圖時(shí)遇到不必要的麻煩）。

３．２ 道路和植被的制作

３．２．１ 道路建模

道路建模的前幾個(gè)步驟與三維建模基本一致，即在二維圖形的基礎(chǔ)上進(jìn)行擠出命令的操作，使其生成三維模型，然后進(jìn)入修改面板，對(duì)不準(zhǔn)確的地方進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)可以細(xì)化添加一些控制點(diǎn)。

３．２．２ 植被制作

植被的制作分兩種情況：一是近景植被制作，近景植被要求能看到細(xì)節(jié)，因此可以利用 ３Ｄｓ Ｍａｘ創(chuàng)建面板ＡＥＣ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ 中的Ｆｏｌｉａｇｅ創(chuàng)建精細(xì)樹(shù)木、花草模型等，或者可以直接利用軟件本身帶有的植被模型；二是遠(yuǎn)景植被制作，遠(yuǎn)景植被可以直接創(chuàng)建十字交叉的平面，再賦予帶透明通道的樹(shù)木花草貼圖即可。

將制作好的單體建筑、道路、植被等模型統(tǒng)一布局，相同的模型可以直接復(fù)制，修改細(xì)節(jié)，添加輔助設(shè)施，最終形成校園全景。

４ 材質(zhì)與貼圖

模型建好之后就要給模型賦予材質(zhì)和貼圖。在３Ｄｓ Ｍａｘ 中可以采用3種方法給模型賦予材質(zhì)和貼圖：利用基本材質(zhì)、利用位圖和利用復(fù)合材質(zhì)。根據(jù)不同的材質(zhì)貼圖需要來(lái)選擇不同的方法，其中位圖主要來(lái)源于Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ３處理過(guò)的實(shí)景圖片。

利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ３對(duì)實(shí)景拍攝照片進(jìn)行裁剪，獲取所需的材質(zhì)，貼圖要求真實(shí)、清晰、美觀；不符合要求的照片利用自由變換、仿制圖章、魔棒工具、剪裁等命令進(jìn)行處理，控制材質(zhì)圖片單邊最大像素和分辨率，以保證后續(xù)模型轉(zhuǎn)換時(shí)軟件的要求，然后建立各建筑的材質(zhì)資料庫(kù)。

５ 燈光和攝影機(jī)的設(shè)置

燈光是３Ｄｓ Ｍａｘ中的一種特殊對(duì)象，它本身不能被渲染顯示，只能在視圖操作時(shí)被看到，但它卻可以影響周圍物體表面的光澤、色彩和亮度。通常燈光是與材質(zhì)、環(huán)境共同作用的，它們的結(jié)合可以產(chǎn)生出豐富的色彩和明暗對(duì)比效果。３Ｄｓ Ｍａｘ內(nèi)置有兩種類型的燈光：［標(biāo)準(zhǔn)］燈光和［光度學(xué)］燈光。通過(guò)［添加默認(rèn)燈光到場(chǎng)景］菜單命令，將默認(rèn)的照明方式轉(zhuǎn)換為燈光對(duì)象，從而對(duì)場(chǎng)景燈光進(jìn)行設(shè)置。在［顯示］面板中可以設(shè)置燈光是否在場(chǎng)景中顯示及燈光的各項(xiàng)參數(shù)。

攝影機(jī)也是一個(gè)場(chǎng)景中必不可少的組成單位，最后完成的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)圖像都要在攝影機(jī)視圖中表現(xiàn)。３Ｄｓ Ｍａｘ中的攝影機(jī)擁有超過(guò)現(xiàn)實(shí)攝影機(jī)的能力，更換鏡頭可以瞬間完成，無(wú)級(jí)變焦更是真實(shí)攝影機(jī)所無(wú)法比擬的。將攝影機(jī)放在不同角度，設(shè)置渲染參數(shù)，渲染出所需要的效果圖，見(jiàn)圖２。

６ 結(jié) 語(yǔ)

本研究應(yīng)用３Dｓ Ｍａｘ ２０１０、Ａｕｔｏ ＣＡＤ ２０１０、ＣＡＳＳ ９．０和Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ３等多種軟件實(shí)現(xiàn)了內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)虛擬校園立體模型與場(chǎng)景的構(gòu)建，建成了校園已建建筑及小品的三維建模，并對(duì)校園三期在建建筑進(jìn)行了規(guī)劃建模，基本展現(xiàn)了內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)的實(shí)景全貌，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)虛擬校園建設(shè)的功能實(shí)現(xiàn)階段研究打下基礎(chǔ)。

主要參考文獻(xiàn)

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