基于UDK的虛擬現實技術在三維虛擬數字校園中的應用與研究

王濤

（無錫環境科學與工程研究中心 無錫城市職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

自20世紀80年代Jaron Lanier正式提出虛擬現實（Virtual Reality）概念以來，如今己被廣泛應用于交通模擬、城市規劃、虛擬現實、游戲、文物保護及遠程教育等領域；虛擬現實是一項綜合集成技術，涉及人機交互技術、計算機圖形學及傳感技術等多個領域.現在人們已經能夠通過數字平臺來實現非常逼真的虛擬現實景觀，生成逼真的三維視覺效果，使參與者通過交互界面及裝置，輕松直觀地對虛擬世界進行溝通和體驗，最終能夠使參與者產生身臨其境的感覺，還能夠直接感受到虛擬環境中對象的反饋作用，尤其適用于呈現那些尚未實現或準備實施的項目，使觀者提前領略到實施后的精彩結果.“虛擬校園”隨因特網、網絡虛擬小區、虛擬現實技術等的發展而產生，是基于現實校園對三維景觀和環境數字化模擬的產物。數字化校園虛擬漫游系統是數字校園建設計劃的核心平臺。

現在許多規模較大的高校校園建設得都非常美，為了宣傳學校的目的，都紛紛搭建了自己的虛擬校園展示系統，展現校園細節信息和全貌，公眾則通過該系統，利用導航定位、自動漫游等多種模式進人虛擬校園，獲得逼真體驗和直觀感受.更重要的是將來還可以利用虛擬現實系統這一平臺，構建更為直觀的數字化虛擬校園系統。

本研究以無錫城市職業技術學院為例，旨在探討基于虛擬現實的數字化校園的技術實現，以期為數字化校園建設提供一種新的思路。

1 設計軟件介紹

1.1 UDK （Unreal Development Kit）

UDK是由英佩數碼公司開發的基于Unreal Engine 3引擎的免費版開發工具，是一套為Xbox 360，DirectX 9/10 PC，P1ayStation 3平臺準備的完整的游戲開發構架，對 64位HDR高精度多種類光照、高級動態陰影特效和動態渲染均支持，能將數百萬個多邊形模型才有的高精度在低多邊形數量（通常在5000-15000多邊形）的模型上表現出來，如此就能用最低的計算資源達到極高畫質渲染，滿足了虛擬場景的真實感要求。

本文將三維數字校園虛擬場景構建及場景瀏覽功能通過運用UDK進行了研究，并予以了設計和實現。

1.2 3ds Max三維模型制作軟件

3DsMAX是三維模型制作的主流軟件之一，由于其在POLYGEN多邊形建筑模型制作上的優勢因此選擇此軟件作為此課題設計中主要的建模軟件，其中有些關鍵技術需要多次測試才得到最高效、經濟、量優的效果。

2 系統總體設計流程

無錫城市職業技術學院校區占地500畝，主要建筑包括五棟主教學樓、五棟實訓樓和食堂、學生宿舍和體育館、運動場。無錫城院三維虛擬校園系統交互設計，主要涵蓋視圖操作（平移、渲染、旋轉、霧化、光照、視點變換）、三維漫游（沿路徑漫游、繞點漫游、自由漫游）以及漫游控制等功能。用戶可以在系統中通過行走、鳥瞰以及選擇不同的攝像機視圖等多視角觀看校園景觀。本系統設計流程圖如圖1所示。

圖1 系統的制作流程Fig.1 System of the production process

本系統構建三維場景采用 Photoshop，3dsMax[9]，Crazy Bump等工具，漫游利用UDK場景實現。工作步驟具體包括三維模型的修改、模型UV（貼圖坐標）的分展、法線貼圖的制作、光影貼圖的烘焙、貼圖與模型的導出、UDK靜態模型及貼圖的導入、UDK制作材質、UDK搭建虛擬場景、實現場景漫游等。

3 素材收集制作與處理

校園場景建立三維場景模型的基礎與依據是一維平面圖，所以，對于建立一個比例正確、大小適中的虛擬校園的場景模型的關鍵是有一個準確的場景平面圖。制作過程如下:

1）根據校園的平面分布圖來確定校園大概輪廓，各街道、花園、建筑物的分布位置及大小比例；借助Google Earth衛星影像截圖，各個建筑物具體的俯視圖分布與形狀大小得以確定，并且繪制較為精確的校園平面分布圖。

2）校園內的建筑分布區域大致運用Auto CAD”直線工具”勾勒出，用相同的方法導入到Google Earth衛星影像截圖，進行更加細致的描繪。并將如圖2所示的虛擬校園建模底圖保存為.daW格式，導入3DSMAX中，作為三維虛擬校園建模的底圖。

4 創建三維模型

校園建筑的大部分模型都可用基本幾何體通過變形、修改后完成。如有的建筑物的模型是不規則的，這就需要運用3DSMAX提供的強大修改工具。較常用的修改器有旋轉、擠壓等來創建建筑物不規則的模型，例如棱角、突起或傾斜等。如圖2樓宇模型創建

圖2 校園樓宇模型透視圖Fig.2 A perspective view of the campus building model

1）樓群的建模可分為生活區（包括食堂、學生宿舍樓）和教學區（包括圖文信息中心、教學樓、辦公樓、實驗樓）等。

2）校園里主干道路的建模。環境反襯法的采用，即先通過底圖空出道路，然后在周圍附加建筑等模型、草坪，從而大大減小了道路建模的工作量。

民生水利建設取得實效。解決30萬人飲水安全問題，實施大中型灌區節水改造、小農水重點縣、規模化節水增效和草原節水示范等項目，改善灌溉面積32.53萬畝（15畝=1 hm2，下同）。新農村電氣化縣和小水電代燃料項目穩步推進。水利服務民生能力進一步增強。

3）對路燈、樹木、人物等的建模。對于樹木場景模型，由于樹木本身結構制作時問長，復雜，系統開銷增大，因此采用Billboard多邊形技術（廣告牌技術），利用簡單的紋理映射幾何繪制手段替代復雜的幾何繪圖。采用這種技術所建立的模型雖然稍有失真，卻極大地減小了模型建模難度和繪制時間。

5 運用3ds MAX等三維建模軟件進行模型構造和材質紋理的貼圖

在UDK中材質的編輯采用節點連接方式，十分接近MAYA，節點運算的原理也與Photoshop的圖層疊加比較接近，對于有設計基礎的人來說，可以較快上手。校園內各種建筑物的模型建造一定要使用多邊形建模手段，當今的絕大多數游戲引擎基本上只支持多邊形幾何模型。模型必須進行優化，表面多邊形的冗余去除，從而將整個模型的復雜度降低.對模型的細節也必須要采用紋理映射技術如烘培貼圖、置換貼圖、法線貼圖等來表現，象法線貼圖中的每個點RGB，實際就是代表每個所對應模型UV表面法線為坐標參考系XYZ軸的分量，Z軸則是該面的法線方向，法線貼圖中每個點通過定義的矢量方向來模擬校正光的反射方向，從而凹凸層次得到最終體現，通過這種技術手段可以有效地將模型的面數降低，從而使場景實時渲染時的運算量減少。

5.1 場景的優化

機器運行效率及負荷的考慮，對場景可從以下幾個方面進行優化:①模型面數的減少，把一些看不見的面刪除，合并同類材質的物體。插件生成的方法在近景樹木中采用，而遠景則使用立體交叉平面的視覺樹的方法；②壓縮模型貼圖；③草坪則采用多邊形來創建；④光源減少使用，在渲染動畫時要關閉陰影。

5.2 烘焙

在3DSMAX中將物體的照明和陰影效果保存到貼圖中的過程叫烘焙。由于在虛擬場景中，視角每變化1度，物體的光影效果需要計算機進行大量的計算才能算出來，這樣勢必大大增加計算機內存、處理器、顯卡的負荷。

高真實感、高精度的光照貼圖能通過3DSMAX的render to texture功能烘焙出來，從而極大減少電腦系統處理的工作量，把建筑物模型作為ase格式導出.3dsmax用戶可以直接導出ase格式，再在UDK中導人ase模型文件，同時還需要導入模型的貼圖。然后在UDK中進行后期編輯和調整，包括樹木的設定、貼圖色彩的修正、動畫貼圖設定、透明貼圖設定、碰撞的設定和相機的設定等。

6 虛擬校園UDK交互設計

6.1 交互平臺構建

交互平臺是虛擬校園的核心設計。依據系統架構，將虛擬校園互動平臺可分為如圖3所示的6個模塊。.

圖3 系統交互平臺的總體構建Fig.3 The overall build system interaction platform

6.2 數據庫鏈接

數據庫鏈接實現是虛擬校園的交互設計主要過程。先捕獲用戶點擊對象的名稱，然后依據對象名稱在SQL數據庫中查找到相應信息；最后通過屏幕輸出信息。數據庫信息查詢流程如圖4所示。

圖4 查詢數據庫信息Fig.4 Query database information

6.3 虛擬場景的交互控制

實現交互功能在UDK中主要依賴下面的組件:①UDK虛幻開發工具包，用戶通過相應的插件導入虛擬場景，進行各種制作、編輯。②UDK腳本有許多UnrealScript類在自己的擴展名為.uc的文本文件中，是所有交互腳本的集合。用戶可以通過源代碼級別的腳本調試工具的UnrealScript IDE給任意一個圖片、按鈕或模型編寫觸發函數、系統函數或自定義函數等，從而在虛擬場景中達到的互動效果。③動態貼圖編輯器ATX，是動畫貼圖的編輯器。在模型上用戶可以動態貼圖，這樣在運行狀態下，可以看到在該模型上顯示的是動態的圖片，與avi效果相類似。

此外，UDK中的腳本編輯器編寫相應的腳本函數要先進行初始化設置，并且要設置為點擊觸發式或距離觸發式，這樣可以保證實現數據庫信息隨時的更新，并且用戶通過交互式漫游方式點擊虛擬校園場景中出現的建筑來提供數據支持。

6.4 系統打包發布

在三維虛擬校園漫游場景中需要創建攝像機動畫，所以，設定一條漫游路徑是必需的。要設置物理碰撞對于真實場景模擬也是必需，對于不能穿越的對象要進行碰撞檢測。

此外，在與周圍環境交互的過程中，還需要添加太陽的光暈、天空盒、背景音樂等，這樣整個場景將更逼真。最后，通過UDK編輯器的打包，保存并編譯成可執行的。exe文件，生成虛擬漫游系統，見圖5。

圖5 校園漫游鳥瞰圖Fig.5 Aerial view of campus roaming

7 結束語

虛擬現實技術快速發展并應用領域不斷拓展的今天，在各個行業領域內，虛擬現實技術的運用前景十分廣闊，然而由于專業技術的難度過大，造成長期以來，沒能很好地推廣應用.但靈活把游戲引擎UDK技術來運用到構建虛擬現實的校園環境、園林景觀等各類場景中，有很好的擴展性且快速呈現，是那些依托復雜技術平臺手段沿用固定漫游路徑或者的虛擬系統無法與之相媲美的.三維虛擬校園所提供的虛擬環境，為將來支持現實大學的環境規劃、資源管理和遠程訪問提供有效的界面服務平臺，運用游戲引擎UDK創建的虛擬校園將是校園數字信息化的一個重要組成部分.也為游戲引擎UDK技術應用到數字校園建設做了有益的探索，希望能起到投石問路的作用。

[1]李志文，韓曉玲.虛擬現實技術研究現狀及未來發展[J].信息技術與信息化，2005（3）:94-96.LI Zhi-wen，HAN Xiao-ling.Research on virtual reality technology:current status and future development of[J].Information Technology and Information Technology，2005（3）:94-96.

[2]許微.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].現代商貿工業，2009，21（2）：35-36.XU Wei.Virtual reality technology status and development of[J].at Home and Abroad to Study the Modern Commerce Industry，2009，21（2）：35-36.

[3]楊鍵，耿衛東，潘云鶴，等.基于圖像的虛擬景觀漫游[J].計算機輔助設計與圖形學報，2001，13（3）:229-235.YANG Jian，GENG Wei-dong，PAB Yun-he，et al.Virtual landscape image roaming[J].Computer Aided Design and Graphics Based on，2001，13（3）:229-235.

[4]Gerard F.Fibre optic sensor systems for monitoring composite structures[J].Reinforced Plastics，2005，49（11）:41-49.

[5]劉陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/open GI的虛擬海大校園導航系統 [J].計算機輔助設計與圖形學學報，2007，19（2）:263-267.LIU Chen-yong，MA Chun-yong，CHEN Ge.The VC/open GI virtual sea campus navigation system[J].Journal of Computer Aided Design and Graphics Based on，2007，19（2）:263-267.

[6]夏旺盛，黃心淵.3D游戲引擎構架概述[J].現代計算機，2003：39-43.XIA Wang-sheng，HUANG Xin-yuan.3D game engine architecture overview of[J].Modern Computer，2003：39-43.

[7]朱旦晨，宋桂嶺.基于 Unreal3的虛擬博物館系統的實現[J].計算機與現代化，2010 （12）：88-90.ZHU Dan-chen，SONG Gui-ling.A virtual museum system and implementation of Unreal3[J].Computer and Modernization in 2010 12 Period Based on：88-90.

[8]王濤.中文3ds max三維動畫基礎與實例教程[M].研究出版社，北京：2008.

[9]王新波，朱維杰.基于OpenGL與3DSMax的三維場景建模[J].電子科技，2012（1）:79-80.WANGXin-bo，ZHUWei-jie.Three-dimensional scenemodeling based on OpenGLand 3DSMax[J].Electronic Scienceand Technology，2012（1）:79-80.