基于C＃和Direct X的三維虛擬校園構建探討

張繼超，馬洋洋，董塞漠

（1．遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新123000；2．中國伊斯蘭教協會，北京100053）

隨著虛擬現實技術的發展和“數字地球”概念的提出與廣泛實踐，對三維虛擬校園的構建研究也越來越多。三維虛擬校園可提供校園的虛擬環境，讓人足不出戶就能實現對該場景的漫游與交互，從而達到身臨其境的主觀感受。

Direct X自從1995年出現以來，己成為目前計算機領域中最廣泛的3D標準規范，在眾多3D開發領域得以應用。而C＃開發語言，不僅能夠實現對Direct X自身強大的渲染功能的調用，而且能將操作者的意圖運用圖像界面流暢地表現出來［1］。3DSMax是由Autodesk旗下的公司開發的三維建模和動畫制作軟件，具有強大、完美的三維建模功能，是當今世界上最流行的三維建模、動畫制作及渲染軟件。本文利用 C＃調用 Direct X［2－3］，結合3DSMax建模工具，對三維虛擬校園的構建方法進行探討，并以遼寧工程技術大學（中華路校區）為例，實現了三維虛擬校園的初步構建。

1 三維建模背景及相關理論

1．1 三維建模理論

三維模型是物體的三維多邊形表示，通常用計算機或者其它視頻設備進行顯示。顯示的物體可以是現實世界的實體，也可以是虛構的東西，既可以小到原子，也可以大到很大的尺寸。任何自然界存在的物體都可以用三維模型表示［4］。

三維模型廣泛用于任何使用三維圖形的地方。實際上，它們的應用早于個人電腦上三維圖形的流行。許多計算機游戲使用預先渲染的三維模型圖像作為sprite用于實時計算機渲染

近年來，隨著數字城市的發展，三維模型也在地球科學領域得到廣泛應用，如建立數字高程模型、三維地質模型、數字小區、數字校園［6］等。

三維模型本身是不可見的，為增加模型的真實效果，常采用紋理映射或其他方法（如調整曲面法線、立體渲染等）來增強模型。

1．2 攝像機視圖矩陣

為了將真實世界的對象以三維模型的形式表達出來，需要將世界空間的對象先轉換為模型自身的空間坐標系，然后利用攝像機空間展示顯示區域，其轉換過程如圖1所示。

圖1 三維坐標轉換過程

攝像機空間轉換的過程需要3個參數：即攝像機位置、目標位置以及攝像機上下方向，這3個參數又稱為攝像機矩陣，都為空間向量［7］。在Direct X中可以通過這3個向量形成一個視圖矩陣。即以攝像機位置為起點、攝像機目標位置為終點的單位向量作為攝像機空間的Z′軸坐標（相對于世界空間），然后根據左手法則或右手法則計算出攝像機空間的X′軸坐標，最后計算出攝像機空間的Y′軸坐標。所以視圖矩陣中保存攝像機空間X′，Y′，Z′軸坐標在X，Y，Z方向上的分量，以及在攝像機空間中世界坐標原點的位置，如圖2所示。

圖2 視圖矩陣

2 C＃調用Direct X構建虛擬場景

利用C＃調用Direct X接口，完成場景的搭建、材質燈光的導入、場景整體渲染、攝像機導入等功能。

2．1 項目初步配置

1）新建項目并添加新建項。新建一個Visual C?？枕椖?，設置其項目名稱，在解決方案資源管理器中選擇項目名稱并添加新建項。

2）添加窗體及引用。在 “添加新項”窗體上選擇“Windows窗體”模板，完成窗體添加，并在主菜單上選擇“項目—添加引用”，在．NET中添加Direct X和 Direct X．Direct3D（X）等組件，完成 Direct X的調用。

2．2 3D場景底圖構建

在全局中定義頂點變量，設置貼圖圖片上的水平和垂直位置的坐標分別為Tu和Tv，其中貼圖坐標（0，0）表示圖片左上角，貼圖坐標（1，1）表示右下角。在全局中定義貼圖變量texture及材質變量material，分別用于保存貼圖圖片對象和材質對象，通過指定材質類型可以設置三角形表面的反射等方式。將場景圖片文件復制到項目目錄下作為場景的底圖，并修改渲染函數，導入貼圖和材質函數的相關代碼，進行渲染，然后以上述類似的方式繪制三角形，將兩三角形拼接到一起，構建整個場景底圖。

2．3 攝像機導入及設置

調整三角形頂點坐標及攝像機位置，然后修改攝像機函數Set Up Ca mera（）中視圖矩陣的代碼，對攝像機進行旋轉［8］。以圍繞Y軸選擇為例，首先在全局中定義旋轉角度及攝像機位置等變量，然后修改攝像機函數，設置鍵盤輸入的Left和Right鍵來控制攝像機的左右旋轉，并通過直接添加窗體的On Key Down（）重載函數來實現。

值得注意的是，上述過程實現了攝像機左右旋轉的功能，但是這個旋轉是相對于世界坐標系的Y軸，如果攝像機空間坐標系的Y軸和世界坐標系的Y軸不為同一個方向，這將導致旋轉功能無法完全實現。因此在定義旋轉軸時，應以攝像機空間坐標系的Y軸方向為旋轉軸。除了左右旋轉外，攝像機還應具有上下旋轉來調整視角的功能，此時，其旋轉軸為攝像機空間坐標系的X軸。

攝像機縮放的控制，可以通過設置攝像機位置的比例函數Scale（）來實現。在窗體的 On－Key Down（）重載函數中添加縮放攝像機代碼，并可設置鍵盤快捷鍵（如鍵盤加號（＋ 表示放大、減號（－）表示縮?。┛刂茢z像機的放大和縮小操作。

2．4 繪制基本幾何體

通過Direct3D繪制的每個對象都是由三角形組成的，一個三角形由3個點組成，而每個點都定義成一個向量來指定點的X，Y，Z坐標。所有基本體，主要是由長方體和球體組成［9］。對于任意一個六面體，其各頂點坐標編號如圖3所示。

圖3 六面體頂點坐標編號

通過繪制12個三角形即可形成圖3所示的六面體，將該六面體的頂部和底部面、四周的面進行展開。值得注意的是，為了使頂面的法線向外（即頂點序號按順時針排列），對于底部的面采用序號反向使得繪制的三角形可見。其結果如圖4所示。

圖4 立方體繪制結果

2．5 幾何體的復制、貼圖及場景搭建

在Direct X中，幾何模型對象基本上都是通過Mesh來表示，它也是組成三維場景的基本元素之一。Mesh類具有一個Clone（）方法用于復制網格對象至另外一個網格對象中，修改全局變量、初始化函數及渲染函數的相關代碼，復制長方體，將之前建立的場景與幾何體結合到一起，合并相關代碼，進行整體三維場景的搭建［9］。將相關幾何體進行材質貼圖，使其變成完整樓體。

3 3DSMax模型構建

Direct X雖然可實現用戶交互功能，運用鼠標與鍵盤的輸入，多角度觀測整體場景，但該軟件的精度不高，對三維模型細節的渲染不夠完善。因此，本文應用3DSMax軟件對部分三維模型進行制作及渲染。

建模過程包括：三角網搭建、元素的對齊、線條的擠出、布爾運算、圖形的縮放、空間坐標的選定、材質編輯以及渲染參數的設定等。

下面以致遠樓為例，闡述3DSMax模型的構建過程。

1）繪制長方體，并設置其長、寬、高及材質，作為部分樓體輪廓，如圖5所示。

圖5 樓體輪廓

2）建立指定長方體，與樓體輪廓相交，運用布爾運算、復制陣列等，對樓體輪廓進行摳圖，作為門窗的位置。

3）制作門窗，運用多個尺寸不同的長方體，按固定位置進行擺放，作為窗框、門框和玻璃，然后找到相關元素的材質參數，編輯材質，如圖6所示。

圖6 窗戶制作

4）以同樣的方式制作樓體輪廓的中心部分。運用鏡像功能將樓體輪廓的右側部分鏡像并作為樓體的左側部分，最后運用3DS的“倒角”和“擠出”功能，制作樓體的頂部及側面元素并設置材質，如圖7所示。

圖7 鏡像后模型

5）將所有制作完成的模型進行拼接，增加天光，設置高級照明參數并進行映射紋理，對模型進行渲染，如圖8所示。

圖8 渲染后“致遠樓”模型

4 三維虛擬校園的構建

本文以遼寧工程技術大學（中華路校區）為例，結合校園遙感影像圖和建筑物側面照片紋理數據，進行了三維虛擬校園的構建。

4．1 3D場景互動平臺構建

將校園遙感影像文件復制到項目目錄下作為場景底圖，修改渲染函數，導入貼圖和材質函數的相關代碼，進行渲染。然后，修改鼠標控制相關代碼，得到校園3 D場景互動平臺，如圖9所示。

圖9 校園3D場景互動平臺

4．2 校園三維模型導入

在3DSMax下，選擇具有普遍性、代表性以及真實場景的特殊性地物，完成典型地物要素的三維精確建模。主要包括：編輯地形、水泥地面及主要建筑物的導入、花壇的設計、草坪的渲染，并增加樹木、垃圾箱、路燈等地物，提高虛擬校園的視覺效果。部分效果如圖10所示。

5 結束語

本文基于C＃調用Direct X，輔以3DSMax實現了三維虛擬校園的構建，包括三維場景的搭建；樓體元素的構建及導入；樓體貼圖函數的運用及場景圖的渲染；其他實體模型構建與導入；燈光及材質代碼的編寫；攝像機位置設置等。用戶能夠通過鼠標鍵盤等設備輸入相關消息，并可以對三維場景進行多角度操作，真正實現了系統的用戶交互功能。此外，通過3DMAX軟件制作的模型場景，補償了Direct X的表現效果，完善了三維虛擬校園的元素細節，增加了真實感。

［1］ 肖澤云．基于Visual C＃的Direct X開發實例［M］．宜昌：三峽大學出版社，2010．

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［3］ 李震宇．游戲開發之路——在C＋＋Builder中進行Direct X編程［J］．電腦編程技巧與維護，2000，6（3）：72－86．

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［5］ 孫明杰，韓超．用C＋＋6．0和Direct X實現太空射擊游戲引擎［J］．科技廣場，2006，18（5）：77－79．

［6］ 王建敏，王凱，孟凡帥．校園三維景觀設計與實現［J］，測繪工程，2011，20（3）：62－64．

［7］ 徐黎明．Visual C＋＋下Direct3D坐標變換的實現 ［J］．軟件導刊，2008，7（2）：77－79．

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