虛擬校園漫游的設計與實現

摘 要：虛擬校園漫游是校園景觀和教學環境在計算機中的虛擬再現，是對大學校園的數字化和虛擬化。本文以南京信息職業技術學院數模教學工廠內部的虛擬漫游設計和制作為例，進行介紹。

關鍵詞：虛擬漫游；數模教學工廠；3DS MAX；VIRTOOLS

1 虛擬校園漫游的概念

隨著虛擬現實技術和計算機網絡技術的發展，在數字地球和數字城市概念為前提的大背景下，虛擬現實技術已經成為計算機領域研究、開發和應用的熱點，它被廣泛應用于教育、軍事、建筑、醫療、工業設計等各個領域。

虛擬漫游，是虛擬現實技術的重要分支。虛擬校園漫游是校園景觀和教學環境在計算機中的虛擬再現，是對大學校園的數字化和虛擬化。數模教學工廠作為南京信息職業技術學院的一個重點實訓基地，在校園漫游中處于非常重要的地位。

虛擬校園漫游的制作結合了美術和程序，這就要求美術專業和程序專業的同學組成團隊，進行合作。美術制作人員要完成程序制作人員所提出的要求，并在制作過程中加入藝術元素，是整個場景真實、自然、和諧。程序制作人員需要在美術完成后才真正進入工作，整合場景模型和材質貼圖，運用實時3D虛擬實境編輯軟件VIRTOOLS進行制作，實現場景漫游。任何創作都不可能一帆風順、一次完成，這個過程需要美術和程序不斷溝通，反復修改。整個過程中，以學生為主導，利用所學知識進行設計與制作；教師從旁指導。

2 制作過程解析

2.1 前期策劃與準備

（1）收集整理相關素材。主要工作是進行數據和圖像的收集處理，為后續工作打好基礎。1）地形的規劃。由于數模教學工廠的地形平坦，工作區劃分明顯，因此只需對其長寬比例進行設定。2）收集建模素材。根據三維建模的要求收集素材，通過拍照、攝像等手段采集。3）收集教學儀器信息。除了向教學儀器的使用者請教，基本了解各儀器的功用和操作，還需對教學儀器進行多角度的拍攝，按比例生成真實數據。4）紋理準備。紋理貼圖是3DS MAX 里面非常重要的一個環節，對生成逼真的三維場景至關重要。紋理數據對于虛擬世界建設速度、運行效率、逼真效果、沉浸感都有著重要的作用。我們采用數碼相機實地拍攝的方法，得到相關物體、地貌的紋理。

（2）進行人員分工。四名同學進行美術制作，包括地形、內部構造、相關儀器的模型及貼圖制作，整合場景。一名同學進行程序制作，實現數模教學工廠的自主漫游。

（3）確定制作格式及規范。1）CAD文件要按照原來尺寸1∶1 單位使用米為佳，導入3DS MAX，導入的CAD 圖線要根據用途確定位置，并以此作為描圖的根本依據。2）3DS MAX統一使用MAX2009版本，內部單位和顯示尺寸單位設定為米。3）虛擬引擎對貼圖分辨率敏感，嚴格限制貼圖的分辨率；烘焙光影貼圖輸出成32 位帶通道TGA 格式的位圖。4）流程中所有模型，貼圖，輸出文件命名要統一使用字母、數字，不使用中文，且命名長度以8位為限。模型成品和貼圖在同一目錄存放，不能把貼圖分散存放于其他目錄。

2.2 美術制作

（1）創建模型。三維模型是整個虛擬校園漫游的基礎，模型的好壞直接影響運行效果和場景真實度。本項目我們采用了3DS MAX進行建模，用其建立的模型有很強的仿真立體效果。虛擬應用的模型以精簡模型為主，模型表現出主體結構就可以了，配合貼圖來完成整體和細節的表現。要在建模精度與實時渲染要求之間取得某種協調，保證模型精度的情況下盡可能的減小場景規模。建模之前，根據場景中每個儀器的空間位置以及模型之間的相互關系，合理的命名與分組，由學生負責人進行整體協調和分配。場景模型不允許出現微小的裂縫或殘缺，盡量減少體塊堆積的建模方式， 使用SPINE/POLYGON 的工具進行合理布線、擠壓，使模型呈單面空殼狀態，視野內看不見的面盡量刪除，這樣也大大減少模型面數和個體數量，便于后期的運行。對于具有多材質屬性的單體模型或者由不同材質多個物體組成的單體模型要進行細致的材質ID 劃分，內部多材質要分別對應一個材質ID 號，物體的每一個材質ID 也要全部有材質對應。

（2）材質貼圖的制作。采用PHOTOSHOP對得到的影像進行處理，處理內容包括：紋理的修正，破損修補，圖像分割、拼接等。烘焙是在模型紋理完成，燈光布好之后，通過平鋪展開模型表面UV 渲染貼圖。其目的是保存紋理上所添加的光照效果，細節紋理等信息來提高貼圖的質量，其優勢是增強虛擬場景的光影效果，而且能夠減少三維引擎的運算量提高程序運行的效率。烘焙能把在非實時環境中渲染完成的燈光材質等效果轉換到實時交互的環境中去，即把3DS MAX 光影信息固定在貼圖上，然后把烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術。因此，烘焙前一定要在場景中添加適當的光源，各個角度都渲染滿意后方可進行，否則在烘培過程可能會出現黑面，直接影響三維漫游的可視化效果。

（3）模型整合。模型制作完成后不得將所有物體塌陷，需保留制作過程，特別是貼圖坐標部分，以方便下一環節制作人員修改。模型制作完成后，必須刪除模型中所有的雜線，并將GROUP打散，按建筑結一個大的GROUP，取好相對應的物體名稱，并將GROUP的重心移至Z軸零點位置。

2.3 程序整合、實現自主漫游

利用實時3D虛擬實境編輯軟件VIRTOOLS進行制作。該漫游平臺下的虛擬漫游環境的圖形渲染是“實時”的，并且具有很強的人機交互性。VIRTOOLS提供給用戶最大的控制權，用戶可以任意設置視點，在虛擬場景中可通過鼠標鍵盤控制視點變換和漫游路徑，隨意前進、后退、旋轉等。

首先要將3DS MAX中的場景導出為VIRTOOLS可執行文件，就需先安裝VIRTOOLS-max導出插件。然后執行文件-導出命令，選擇保存類型為.nmo，保存的路徑與文件名采用英文，否則將文件導入VIRTOOLS后，有時會發生錯誤。VIRTOOLS允許場景以對象、角色和動畫的形式輸出。

此外還要進行碰撞檢測，這對增強虛擬場景漫游的真實感和逼真感非常重要。當角色在虛擬場景中漫游時，主要是與地形的碰撞檢測和與建筑物的碰撞檢測。假設三維空間中有N個運動模型，隨著位置和姿態的改變，碰撞檢測就是判斷模型之間是否發生了碰撞，也就是說虛擬角色在三維場景中行走時不會陷到地下或穿墻而過，碰到墻壁上會沿著墻壁繼續前進。

3 結語與展望

利用虛擬現實的相關知識和技術，實現對真實校園環境中的三維景觀、教學環境的數字化和虛擬化，對高校的資源管理、環境規劃和遠程訪問等都具有重要意義，是未來校園數字信息化的重要發展方向之一。學生參與真實項目的制作，其學習自主性、團隊協調能力和專業技能都得到了很大提升。

作者簡介： 羅恒，南京信息職業技術學院數碼藝術學院教師。