虛擬校園漫游系統的設計與實現

楊偉策

（浙江橫店影視職業學院影視制作學院，浙江金華321000）

虛擬校園漫游系統的設計與實現

楊偉策

（浙江橫店影視職業學院影視制作學院，浙江金華321000）

本文介紹了虛擬現實技術的基本概念和主要作用，選取浙江橫店影視職業學院作為研究對象，闡述了如何設計與實現虛擬校園漫游系統。包括前期數據的采集處理到使用3dsMax進行三維場景建模、模型優化、貼圖與烘焙、燈光設置等主要環節，以及運用Virtools實現漫游交互功能。

虛擬校園；3dsMax；三維建模；Virtools

虛擬校園漫游系統是基于計算機虛擬現實技術開發實現的。虛擬現實技術是利用計算機圖形學技術對真實的客觀世界進行逼真的模擬再現，通過利用傳感器技術或輸入設備等手段，讓用戶在虛擬空間中有一種身臨其境的感受，能夠與虛擬空間的對象進行相互作用且得到反饋。虛擬現實技術生成的系統有多種不同類型，其中桌面虛擬現實系統是最為普遍、相對最容易實現的系統。該系統運用計算機設計軟件對現實空間進行模擬，用戶透過計算機屏幕、鼠標、鍵盤等設備實現與虛擬空間的交互。

開發虛擬校園系統是校園信息化、數字化建設的重要組成部分，也是現代化校園建設的必然要求。一個三維可視化、有聲有色的虛擬校園漫游系統可以讓來訪者立體式全方位游覽真實模擬的校園環境，參觀教學設施，了解教學資源，體驗生活環境，有利于全面展示學院形象，提高學校的知名度。另外，虛擬校園漫游系統還能夠起到輔助校園規劃和建設的重要參考作用，校園建設的設計者、決策者可以充分利用三維虛擬校園直觀檢驗校園未來的環境布局，為科學決策提供有利的保障。本文以浙江橫店影視職業學院為例，旨在探討主要基于三維設計軟件3dMax和虛擬現實技術軟件Virtools來設計和實現一個仿真性較高，且具有良好用戶體驗功能的虛擬校園漫游系統。

一、設計軟件和主要流程

虛擬校園漫游系統設計制作的關鍵軟件是3dsMax和Virtools。3dsMax是一款十分流行、應用廣泛的三維設計軟件，由美國Autodesk公司開發，目前最新版本是2015版，它在三維游戲設計、建筑動畫設計、虛擬現實設計等方面表現突出，在影視特效設計、三維動畫設計等方面也有不俗表現。Virtools是一款基于3dsMax等三維設計軟件的交互式內容整合插件，利用該插件自帶的邏輯行為、人工智能等互動模塊可以設計實現三維作品的交互功能。除以上兩款軟件之外，平面設計軟件Photoshop和繪圖軟件AutoCAD也必不可少。

虛擬校園漫游系統總體設計流程是：(1)素材采集與處理；(2)三維模型創建；(3)模型的優化與整合；(4)貼圖與烘焙；(5)交互功能設計；(6)發布系統。虛擬校園漫游系統設計完成后，用戶就能夠通過桌面視窗多視角全方位瀏覽浙江橫店影視職業學院校園全貌，可以選擇漫游方式，如沿路徑自動漫游或者自由手動漫游，也可以通過鼠標操作實現視線平移、旋轉、放大等效果。

二、素材采集與處理

為了完整準確地表現真實的校園環境，必須采集和處理校園的相關信息，為三維建筑和地形環境模型的創建提供依據。信息包括三維空間數據信息和圖像信息兩部分，主要包括以下幾個方面：（1）收集整理校園建筑相關平面圖、立面圖，也可以通過實際測量獲得建筑物各項數據；（2）通過AutoCAD軟件進行建筑二維平面圖的繪制；（3）利用數碼相機進行校園建筑和景觀拍攝，用以三維建模時的參照和真實的紋理貼圖處理；（4）利用貼圖素材庫搜集各類貼圖，比如各種綠化植物貼圖、磚墻貼圖等。

三、校園場景三維建模

三維模型制作的好壞直接影響虛擬校園的呈現，所以在三維模型的創建過程中應該盡可能準確。虛擬校園漫游系統中需要創建的三維模型主要包括校園建筑物模型和地形、環境等模型。3dsMax有多種不同的建模方法，比如基于多邊形的建模，基于面片的建模，以及基于樣條線的放樣建模等等，我們需要根據建模對象不同的結構特點，選擇合適的建模方法。

1.建筑物的三維建模

學院的建筑物主要包括教學樓、實訓樓、圖書館、餐廳、學生和教工公寓、體育館、實驗劇場等共計32棟建筑。最能直觀表現校園環境特點的是建筑物，因此建筑物三維模型應按實際比例進行創建。我們通常在3dx Max中導入已經繪制好的校園建筑AutoCAD圖，然后利用二維樣條線創建三維模型，通常采用多邊形建模、放樣建模等方法。3dsMax軟件具備眾多修改器，例如倒角、放樣、三維布爾運算、曲面變形等等，這些修改器都是建模的利器。對于建筑物的常見部件，如墻、窗、門、樓梯等，我們可使用3dsMax軟件提供的AEC建模工具來創建。創建方法極為簡便，每一個部件模型都有完整的比例參數，可以精確地進行調整。

2.地形與環境的三維建模

地形的創建主要是對校園及周邊地面進行建模，比如建筑物周邊地面、主要道路等。地形建模一般可以利用樣條線建模，在二維校園地形平面圖上運用樣條線畫出地面和道路。繪制過程中，可以根據需要添加或者刪除頂點，并且可以轉換頂點的類型（Bezier角點、Bezier、曲線、平滑），通過控制這些頂點進行形狀細節的調整，然后通過修改器列表添加擠出命令，將其轉化成三維模型。橫店影視職業學院依山而建，要充分考慮校園內較大起伏的地形。環境的創建主要包括天空、綠化植物、雕塑和路燈、路牌等輔助設施。天空的創建比較簡單，只需要創建一個足夠大的球體，使其能夠完全包裹整個校園地形。校園綠化植物數量龐大、構造復雜，由于虛擬校園系統對模型面數的限制，我們不可能創建復雜的植物三維模型。通常的做法是：根據植物大小創建兩個相同平面，使其十字交叉作為植物模型，再到材質編輯器中勾選雙面參數，在漫反射顏色中選擇植物貼圖，在不透明度中選擇帶通道的植物貼圖，最后賦予植物平面模型。此外，3dsMax森林插件(ForestPackPro)是制作大面積植物的強大利器，能夠快速創建大量的植物模型。

3.三維模型的優化

虛擬校園漫游系統運行速度與三維模型的面數緊密相關，因為由Virtools插件制作生成的虛擬系統使用了即時渲染技術，運行時尤其是交互過程中需要占用計算機的系統資源。如果整個校園三維模型面數過多，就會出現運行不流暢現象，降低用戶的使用意愿。因此，我們必須在3dsMax中對三維模型進行合理優化，整體的多邊形面數必須控制在一定范圍內。目前，模型面數一般要求不超過60萬面。設計者建模時就要遵循在不影響整個虛擬校園質量的前提下盡可能簡化的原則，不需要過多地表現細節。我們要將所有不可見的面全部刪除，例如建筑物的底面、內部不可見的面等等，還要防止模型出現兩面重疊、相交等錯誤建模現象。需要注意的是，布爾運算是3dsMax三維建模過程中常用的一種方法，但是表現虛擬現實時要盡量避免使用。

四、燈光、貼圖與烘焙

1.材質貼圖

制作材質就是讓物體表面展現出其本質，可以利用3dsMax軟件中的各種材質球和渲染器實現。但是，基本的材質編輯處理并不能準確完整體現三維模擬對象的屬性，還需要進一步對紋理進行細節處理。紋理可以直接通過貼圖的形式實現，而貼圖的獲得除了購買貼圖材質庫外，最簡便的方法就是自己實地拍攝。拍攝的照片如果不能直接使用，就需要運用Photoshop軟件對細節進行處理，如色彩、亮度的調整，無縫貼圖制作等。好的材質和貼圖文理對虛擬校園的真實再現至關重要，尤其是建筑物效果。在3dsMax中制作比較規則的模型紋理貼圖時，可以添加修改器列表中的UVW貼圖坐標進行貼圖與三維模型的匹配設置。而相對復雜不規則的模型想要得到匹配的貼圖效果就需要進行UV的拆分，然后將輸出的UV貼圖導入Photoshop軟件中進行貼圖繪制，繪制完成后再導入3dsMax賦予模型。

2.燈光與貼圖烘焙

三維虛擬校園逼真效果的呈現除了模型、材質貼圖外，還需要模擬光影效果。通常逼真效果的呈現依靠3dsMax光線跟蹤、全局光照以及渲染器的運算，而高質量的渲染要耗費大量的時間和計算機資源，少則幾分鐘，多則數小時。虛擬校園漫游系統要求模擬的場景能夠實現實時交互功能，就需要運用烘焙貼圖技術，即將模型最終渲染的具有光影效果的材質貼圖烘焙出來，再重新賦予原來的模型，這樣虛擬校園的實時渲染速度極快，時間幾乎可以忽略不計。

貼圖烘焙的基本步驟是：（1）在3dsMax校園場景中設置好燈光，燈光一般采用天光；（2）打開渲染設置的高級照明面板，勾選開啟光跟蹤器；（3）渲染測試得到合適的光影效果后，再打開渲染到紋理rendertotexture對話框，選擇烘焙對象，設置貼圖坐標通道，添加輸出的紋理元素，以及設置烘焙紋理貼圖保存類型、路徑和貼圖大小等參數（紋理貼圖烘焙的尺寸一般采用2的n次方以正方形排列，如256*256、512*512、1024*1024、2048*2048等，并且盡可能減少貼圖的數量，設置貼圖格式為jpg或png格式。）（4）渲染輸出得到完整的帶有高級光影效果的烘焙貼圖，將該貼圖重新選取賦予到三維模型上，設置材質編輯器中自發光的參數值為100，這樣在3dsMax視口中看到的模型效果與渲染器渲染的效果基本一致。

由于學院整體面積較大，建筑物較多，受系統限制不能將整個虛擬校園場景進行貼圖烘焙，只能將主要的建筑模型及周邊地面采用烘焙貼圖技術處理。為了表現未進行烘焙貼圖處理的場景環境，我們還需要設置部分輔助性燈光，用以照亮陰暗面。輔助性燈光的倍增值可根據測試情況進行相應調整，要注意避免曝光過度，場景中已經作貼圖烘焙處理的模型也可以做燈光排除處理。

五、漫游的實現

虛擬校園漫游系統設計使用的漫游模式有三種：分別是手動漫游模式、自動漫游模式、頂視鳥瞰模式。手動漫游模式是為攝影機上添加Virtools控制腳本，實現用鼠標或鍵盤操作攝影機自由游覽的目的。自動漫游模式是根據校園游覽需要設計一條游覽線路，讓攝影機在規定的線路上運動，其具體步驟是：（1）根據校園環境特點創建樣條線Curve路徑，通過編輯樣條線的點、線段，使路徑盡量平滑；（2）在輔助對象對話框中選擇創建一個虛擬對象，使用動畫菜單中的路徑約束命令指定鏈接到樣條線路徑上；（3）創建一臺自由攝影機并調整攝影機到虛擬對象中心位置，然后將該攝影機選擇并鏈接到虛擬對象上。當然，虛擬校園自動漫游路徑可以是一條，也可以設計多條，制作方法都一樣。頂視鳥瞰模式是可以通過場景頂部架設的攝影機俯瞰整個校園環境，該攝影機可以是自由攝影機，也可以為其指定運動路徑。攝影機的漫游設計中為了達到節約計算機系統資源，加速交互的目的，還可以對攝影機進行顯示范圍設置。方法是：打開攝影機設置參數對話框，勾選手動剪切命令，通過測試設定攝影機的遠距剪切FarCIip的合理范圍參數，使得攝影機忽略顯示剪切范圍外的所有三維模型。

在虛擬校園漫游系統中，碰撞檢測是一個重要的環節，尤其是手動漫游模式。因為在不設置碰撞腳本情況下，攝影機可以直接穿過任何三維虛擬對象，這樣的用戶體驗并不可取。

所有環節設計制作完成后，最終可以輸出生成虛擬校園漫游系統的可執行后綴名為html和tnt文件，這些系統文件可以脫離軟件單獨運行。另外，我們可以將其組合到學院官方網站中，方便訪問網站的用戶點擊瀏覽虛擬校園全貌（注意：用戶必須下載安裝Virtools應用程序ViewerInstall.exe后才能夠顯示）。

虛擬現實技術的獨特魅力在于模擬對象的三維立體化、情境化、交互性，隨著計算機技術和互聯網的發展，其應用價值必將不斷提升。本研究探討、綜合應用3dsMax、AutoCAD、Photoshop和Virtools等多款設計軟件實現了三維可視化的浙江橫店影視職業學院虛擬校園漫游系統。該系統經過測試試驗后得到了實際使用，基本展現了浙江橫店影視職業學院全貌，為后續虛擬校園系統功能的進一步完善打下了基礎。

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TN

A

1673-0046（2015）4-0184-03

2013年浙江省教育廳科研項目:《虛擬校園設計與制作——以橫店影視職業學院為例》（Y201329651）]