貼圖與渲染技術在虛擬校園漫游中的應用與研究

楚雄師范學院 易家敏 王俊潔

0 引言

虛擬現實(Virtual Reality，簡寫為VR)技術又稱靈境技術，是近期正在逐步興起的高新的科學技術，它利用計算機模擬產生虛擬場景，是一種可以產生虛擬現實環境的計算機仿真技術[1]。虛擬現實技術在國內外迅速崛起并快速發展。現在,國內不少高校也已經開始虛擬現實技術的研究工作，虛擬校園游覽模式的研究和運用是其中的一個方面[2-4]。虛擬現實有以下四個特征：多媒體信息感知感、沉浸感、交互性、自主性。隨著科學技術的發展，虛擬現實在科學可視化、戰場、醫學、儀器、銀行、企業、高校、計算機等方面得到廣泛的應用。

三維虛擬校園漫游系統[5]的基本框架分為素材收集、對素材進行處理、建立校園模型、構建三維虛擬校園和虛擬漫游交互的實現。虛擬校園漫游系統在宣傳校園文化、輔助校園規劃、樹立校園良好形象等方面具有重大作用。

從現實出發，我們提出了制作虛擬校園漫游系統的要求。此課題是基于3D軟件MAYA對校園漫游系統進行了貼圖與渲染。三維場景中的材質與紋理貼圖主要是用于描述對象表面的物質狀態，構造真實世界中自然物質表面的視覺表象[6]；渲染是利用計算機的計算能力，將三維場景呈現為圖像的過程，是影片畫面風格與質量的基本保證[7]。經過一系列的設計與制作，最終形成一個交互性較好、效果逼真的校園漫游系統，從而達到提高了學校的知名度、美譽度以及宣傳力度的目標。

1 虛擬校園開發流程

本項目采用MAYA作為虛擬場景的建模工具，該工具有建模速度快、精度高、功能全面等特點。采用游戲引擎UE4來完成漫游平臺的控制。系統開發流程如圖1所示。

2 模型的貼圖

2.1 貼圖技術的簡介

MAYA貼圖就是貼在模型表面的一層皮，目的是為了更好的塑造角色。精致的三維模型為系統提供了一個良好的開端，合適的貼圖會使模型更加逼真，所以精致的模型和優秀的貼圖的結合能形成一個好的系統模型。

2.2 貼圖的制作要求

為了降低系統后期運行所占用的內存空間，Maya建模成功后，還需要將模型的面數減少。模型都是需要渲染的，在面數很低的情況下表現模型的真實感，貼圖起到了重要的作用。所以，系統對模型的貼圖要求是很高的。

圖1 虛擬校園開發流程圖

3D引擎的性能決定了貼圖的大小，貼圖越大表現的內容就越詳細，反之相反。例如：當貼圖較大時，物體表面的許多細節都能表現出來;當貼圖較小時，物體表面會顯得模糊。一張好的貼圖要求，既要表現到位又要節省內存空間，即選擇一個好的3D引擎是做好貼圖的必要準備。

在系統的虛擬場景中，需要用到大量的貼圖，這些貼圖素材來源主要是由數碼相機拍攝的畫面。由于相機性能問題會使拍攝后的照片產生模糊，需要經過專業軟件處理才能貼到模型上，一般用Photoshop來繪制貼圖。Photoshop繪制貼圖的具體工作主要是：繪制簡單貼圖、對照片進行編輯、制作帶透明通道的圖像文件。繪制好的貼圖保存為帶透明通道的tag或png格式，最后將繪制好的貼圖導入Maya中進行紋理貼圖。貼圖尺寸一般都是2的倍數，其目的是將貼圖更有效地讀入內存。

2.3 貼圖的繪制

繪制貼圖時，要先將三維模型轉換為二維形式，然后在模型的二維形式上，調整紋理貼圖。材質貼圖包括建筑物貼圖與室內模型貼圖。建筑物貼圖主要是門、窗、地板、墻壁等；室內模型貼圖主要是對室內的各個模型進行貼圖。

2．3．1 UV的投射與編輯

UV是貼圖坐標，它決定貼圖的每一部分分別貼在模型的哪個位置。例如：創建一個球，給它隨便指定一個材質、顏色進行貼圖。因為沒有編輯UV，貼圖在模型上是隨機分布的。要讓貼圖有規律的分布在模型的固定部位上，則需要展開UV。一般來說，都是對多邊形物體進行展UV。曲面的UV一般都是隱藏不定的。UV展開主要分兩步：第一步將UV投射出來；第二步對UV進行編輯。

在Maya中，用棋盤格形式來展現UV，棋盤格的顏色均勻，容易區分模型的不規則部分。展開UV時，我們會使用一些技巧使復雜的模型UV簡單化。

在Maya內部自帶了一些編輯UV的方法，平面物體的平面投影、圓柱特征的圓柱形投影、球形特征的球形映射、其次是自動映射。因為系統模型不是規則形狀，所以主要運用自動映射來編輯UV，少數復雜的模型使用插件。

2．3．2 繪制紋理

本系統的模型主要是用多邊形來建模的，模型面數在前期經過處理后，已經達到面數相對較少的基本要求。因為模型面數相對較少，所以繪制紋理要靠我們自主手繪。繪制紋理可以改善模型細節的不足之處，即對紋理的要求比較嚴格。特殊材質貼圖是經過數碼拍攝獲得素材，將素材導入Photoshop進行編輯。（如圖2所示）在Photoshop中將圖形的大小、亮度、透明度、對比度等進行處理，按照UV的紋理標準生成初步的圖像數據。為了得到更精致的紋理貼圖，還要將初步圖像平滑去噪，然后提取圖像的重要特征，利用不同建筑物墻面的不同灰度值對圖像進行分割，形成墻面的色彩特征矢量圖。

圖2 photoshop中繪制貼圖的情形

2．3．3 導入貼圖

要將外部的貼圖導入Maya，可以使用文件節點方式。將繪制好的貼圖導入UV中，調整模型的擺放部分。將模型放在合適的位置，以得到合適的紋理貼圖。

3 材質渲染

3.1 材質渲染的簡介

渲染也叫做著色，它在Maya是最后一道工序，很大程度上決定了最后做出來的成品的效果和質量。在Maya中渲染與著色功能相似，但還是存在區別。著色在Maya的作用是輔助觀察。而渲染可以顯示陰影效果、貼圖紋理效果以及簡單的燈光效果。

3.2 初識渲染

渲染是將做好的模型渲染成圖或動畫的作品，此作品記錄場景中的光照關系陰影及材質信息，與在視窗中見到效果截然不同。

在渲染設置中，Maya自帶了各種渲染器。這些渲染器分別是:Maya軟件、Maya硬件、Maya軟件2.0、mentalray、Maya向量。這些渲染器各自有特點，Maya軟件和Maya硬件的主要區別是渲染使用的部位不同。Mentalray是Maya內置的一款插件。硬件粒子用硬件渲染器，軟件粒子用軟件渲染器。

在渲染設置中，要對文件名、圖片格式、幀動畫擴展名、可渲染攝像機、圖像大小等進行常規參數的設置。這些常規的參數設置，對渲染結果具有重要意義。

3.3 渲染過程

在Maya中，動畫是以動態序列圖片的形式來輸出的，可以將輸出后的動態序列圖片導入UE4中，生成視頻動畫。在渲染動畫的過程中，需要創建攝影機。攝影機進入視角后，設置開始處的關鍵幀；旋轉攝影機，得到理想的視角后，在結束幀處設置關鍵幀。觀察透視圖中攝影機隨時間變化的情況，若已達到理想的效果，即輸出序列。

現實中的物體存在陰影，為了使模型更加逼真。還得為模型添加燈光，并調整燈光。系統場景模型添加的是平行燈光，平行燈光在所有燈光中是最容易調節的。場景中創建兩盞平行光，主光占主要亮度，輔光輔助主光亮度，產生陰影顏色。主光增加光線跟蹤是生成陰影的必要條件。渲染器的光線跟蹤，對于陰影效果來說是必不可少的。陰影的兩個條件：一是燈光的光線跟蹤；二是渲染器的光線跟蹤。

4 技術效果

虛擬校園漫游系統的模型，經過貼圖達到逼真的效果。例如：校園宿舍的墻面上有細小的花紋，我們用貼圖將它表現出來。將材質賦予貼圖后，在場景中貼圖不一定顯示出來，還得渲染才能將模型的材質貼圖展現出來。渲染為模型添加了燈光、陰影，即渲染使模型更加逼真。

貼圖前后模型具有很大的區別，貼圖前模型表面只是一種簡單的材質，貼圖后模型表面是繪制的紋理貼圖，這種貼圖將模型的凹凸表現的很細致。（如圖3所示）

圖3 模型貼圖在渲染下的最終效果

5 結語

本文通過對虛擬現實技術運用，在Maya軟件中，完成了校園模型的貼圖與渲染工作，構建了虛擬校園的環境，分析了校園模型的貼圖與渲染的特點。用戶進入校園官網后，能看到生動逼真的校園景觀，該系統將虛擬現實技術應用于校園的展示中，為外界了解校園環境提供了一個全新的技術平臺。虛擬校園漫游系統可以為學校的教學、招生、宣傳發揮重要的作用，具有實際應用價值。

[1]朱惠娟．基于Unity3D的虛擬漫游系統[J]．計算機系統應用,2012,21(10)∶36-39．

[2]周春艷,鄒崢嶸．基于全景圖像的虛擬校園[J]．電腦與信息技術,2002,(2)∶34-36．

[3]徐勝華,楊志軍．基于Multiage Creator和Vega的“數字校園”演示系統開發[J]．鐵路航測,2003,(9)∶23-25．

[4]龔建華,林琿,譚倩．虛擬香港中文大學校園的設計與初步試驗[J]．測繪學報,2002,(2)∶ 39-43．

[5]何書前,桂占吉,高慧鴻．多用戶網絡虛擬校園漫游系統的構建與研究[J]．現代計算機(專業版),2009(02)∶17-19．

[6]劉曉杰．三維設計中的材質與貼圖藝術探議[J]．裝飾,2003(07)∶66．

[7]任泉．三維動畫制作的產業化渲染流程研究[J]．海南師范大學學報(自然科學版),2009(03)∶268-270．