三維虛擬校園自動漫游系統的設計與實現

蔡靖

摘要：基于虛擬現實技術應用于現代教育的考慮，三維虛擬校園的研究逐漸興起。以校園布局、環境為基礎進行三維虛擬校園自動漫游系統的開發設計，從而實現校園的數字化與虛擬化的研究思路逐漸成型。本文主要分析三維虛擬校園的開發設計及其自動漫游系統的實現。

關鍵詞：三維虛擬校園；自動漫游系統；開發設計；實現

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0175-02

1 虛擬現實技術與三維虛擬校園

虛擬現實技術是仿真技術研究的一個重要方向，基于相關技術的支持，能夠創建一個虛擬世界的計算機仿真系統，由虛擬現實技術生成的模擬環境融合了多源信息，以交互式的三維動態視景、實體行為的系統仿真，讓用戶獲得真實的體驗，沉浸其中。

三維虛擬校園的靈感源于虛擬現實技術在現代教育的應用，在教學環境的規劃、教學資源的管理等方面，實現數字化與虛擬化具有極為重要的意義。基于虛擬仿真技術的學校環境，一方面為學校自身樹立了良好的形象，另一方面也給教師和學生帶來了更好的體驗。此外，虛擬校園作為一種輔助工具，對提升校園的現代化管理水平起到了較好的促進作用。

近年來，國內高校掀起了建立虛擬校園的熱潮，如東北大學基于Vega建立的虛擬校園漫游系統，清華大學建立的平面俯瞰式虛擬校園，浙江大學建立的三維立體虛擬校園。此外，上海交通大學、中國海洋大學、南京大學等高校也紛紛加入建設三維虛擬校園漫游系統的隊伍之中。

2 開發設計

現階段的三維虛擬校園自動漫游系統的開發，大致可以分為數據采集、三維建模、模型優化、導入仿真幾個步驟，形成整個系統后，最終完成開發。

2.1 數據采集

在進行虛擬校園漫游系統開發之前，應當對校園各維度的數據進行精確的采集，轉化為Maya等相關建模軟件支持的數據類型。數據采集是系統開發的準備工作，同時也是整個系統的基礎，其精準與否直接關系到整個系統的生成質量?；诋斍暗木W絡優勢采集校園的相關數據是一個較為普遍的方法，在此基礎上，以現有的建筑平面圖進行數據補充。對各個建筑物的紋理圖的采集，應當能夠準確反映實際數據，實地進行考察，可采用高分辨率的相機進行拍攝，拍攝時需要注意建筑物的宏觀結構與微觀細節，同時統一數據格式，選擇建模軟件支持的文件格式，方便后期建模。為了解決因為拍攝距離、建筑物高度等因素而出現相片的比例失調現象，每張照片都需要使用圖像軟件進行處理。

2.2 三維建模

三維建模是整個開發過程中一個重點內容，同時也存在著較大的難度。建模的首要任務是根據校園平面圖等信息創建地形。創建地形時可導入相關圖像，利用線條描繪出地形的輪廓，根據實際地形的相對高低對線條進行局部的調整，以保證線條呈現的效果與實際的情況相符。完成地形的創建后，就應當對校園進行合理的分區，對每個分區內的建筑物進行逐個建模。建模過程中所用的模型應當根據實際的地形需要進行分配。為防止場景運行速度過慢，同時方便后期的處理，建模時應當在不影響整個模型的效果的前提下盡量簡化模型。此外，對建模需要用到的照片，應當進行篩選，保證能夠精確反應實際模型。

2.3 模型優化

模型建好后參考采集的數據選擇合適的材質和貼圖，保證其接近真實情況。考慮到模型的場景一般較大，為了防止系統整體的運行速度過慢，可對模型進行整合：在創建好的模型中，依次序對各個分區所在的模型進行合并與導入，標記并保存，保存時注意命名的合理性，避免出現貼圖錯位等問題。對虛擬場景中的草地、樹木等，可通過十字交叉的兩個固定矩形面進行構造，以優化整個場景。就草地與樹木的種植而言，為了盡量優化整個模型，可采用大區域內添加少數的模型的方式。在完成上述步驟后，選擇3D視景仿真軟件支持的格式FYF，導出模型。

2.4 導入仿真

虛擬環境要實現漫游就需要與周圍環境產生交互，包括對天氣環境的模擬、燈光環境、漫游的路徑與速度等。天氣模擬可以添加晴天、雷雨、陰天、雪花等天氣效果；對關鍵的步驟可以通過添加文字進行提示；漫游路徑與漫游速度的設置對整個系統的效果極為重要，因此需要結合實際情況做出最優設置。

3 系統實現

3.1 模型貼圖

在虛擬校園自動漫游系統中，需要將整個校園環境進行呈現。要實現這一目的，就需要依靠大量的真實圖片，包括各個不同角度拍攝的圖片，以坐標向量的方式進行輸入，計算其仿真模型。在模型中所使用的參考圖像，應當是真實物體的映射。從此點出發，在進行圖片采集時，應當盡量排除雜質的干擾，以減少后期對圖片處理的工作量。此外，拍攝圖片時應當注意實物的形狀變化。

制作模型時，采用多邊形建模是一種較為常見的建模手段，容易實現，也容易控制，將校園場景中的各個元素進行合理防止，同時對整個布局設計的過程進行規范化，才能使得最終呈現的虛擬校園場景反應出實際情況。

3.2 環境生成

對地形的繪制除了符合真實情況外，在創建湖泊等時需要適當降低地形的高度。在完成地形的會之后，應當添加紋理使整個地形的效果更加真實。在進行植物的種植時，應當注意參數的設置，使用縮放、移動等工具調節各種植物的位置，同時保證植物的多樣性，使得整個模擬環境更接近真實的校園環境。

燈光的設置對整個模型所呈現的效果有著重要的影響。由于整個校園場景較大，對燈光的設置，應當采取以太陽光為主，適當添加局部泛光燈的模式，再配上一定的光影效果，增強現實感。

3.3 自動漫游

自動漫游的實現途徑較為單一，主要是通過創建360°全角度的相機及其設置對路徑進行約束，通過對相機的時間配置的調整，能夠獲得更好的視覺效果。整個漫游過程的動畫效果借由對攝像頭運動的控制實現?；诖它c出發，在自動漫游的系統中，需要針對整個過程中可能出現的不同階段，制作相對應的動畫并進行錄制保存。在進行動畫制作的過程中，應當注意相機的攝像頭的移動，避免整個動畫過于僵硬，同時，為了使整個漫游的效果更加逼真，需要對漫游的速度進行適當調整。

4 結語

三維虛擬校園自動漫游系統的開發與實現存在很多難題，需要在實踐的過程中不斷思考，對各個環節所使用的方法進行不斷的改進與完善。在實現整個系統的同時，用戶能夠通過漫游觀看不同角度的校園場景，對校園文化的宣傳與校園形象的塑造都有重要的作用。

參考文獻

[1]劉爽，劉仁鋒.三維虛擬校園漫游系統的設計與實現[J].電腦知識與技術， 2013，（15）：3527-3531.

[2]胡光軍.三維虛擬校園自動漫游系統的設計與實現[D].山東大學，2013.

[3]張曉宇.虛擬校園漫游系統的設計與實現[D].吉林大學，2013.