三維虛擬校園瀏覽動畫的構建與問題解決

☆鮑青 袁曉斌

（安徽師范大學教育科學學院，安徽蕪湖 241000）

隨著信息技術的高速發(fā)展，全球的信息化表征越來越突出。信息化、數(shù)字化、網絡化、虛擬化給人們帶來便捷的同時更帶來與眾不同的體驗。尤其是虛擬現(xiàn)實技術的日漸成熟，能夠模擬出現(xiàn)實空間無法或難于表現(xiàn)的效果。虛擬現(xiàn)實技術不僅在軍事、商業(yè)領域得到廣泛運用，近些年來在教育領域的發(fā)展也卓有成效。其中虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的一個重要應用。很多高校都通過虛擬現(xiàn)實技術來開發(fā)自己的三維虛擬校園，利用三維技術的空間表現(xiàn)力來展示校園的風光。以三維虛擬校園的形式來宣傳校園較之文字、圖片及實景視頻，更加形象、生動，更具視覺沖擊力。同時，用三維的形式展現(xiàn)校園，能在仿真校園實景的同時加入一些設計者的創(chuàng)意內容，更具藝術觀賞性。

本文亦是通過虛擬現(xiàn)實技術來構建安徽師范大學皖江學院的三維虛擬校園瀏覽動畫，通過虛擬的攝像機鏡頭帶領觀賞者游覽整個校園，向大家展示這所年輕學校的整體風光。

一、虛擬現(xiàn)實及三維虛擬校園概述

“虛擬現(xiàn)實（VR）是利用計算機生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設備使用戶投入到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術。”根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術在不同領域的應用以及用戶參與VR的不同形式和沉浸程度的不同，可把虛擬現(xiàn)實技術劃分為四類：桌面虛擬現(xiàn)實、沉浸式虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實、分布式虛擬現(xiàn)實。其中桌面式虛擬現(xiàn)實技術較為簡單，需要投入的成本也不高，在教育領域內可應用的范圍很廣，推廣價值高。

桌面虛擬現(xiàn)實（desktop virtual reality,DVR）主要是在個人計算機和低級別的工作站上進行圖形圖像仿真，依靠計算機的屏幕提供給用戶一個虛擬平臺，運用虛擬現(xiàn)實的輸入設備實現(xiàn)與虛擬世界場景之間的交互。三維虛擬校園即是運用桌面虛擬現(xiàn)實技術，通過計算機產生的圖形圖像再現(xiàn)真實校園的景物；能夠對眼睛所看到的校園景象進行仿真，通過三維場景來表現(xiàn)校園風貌。虛擬校園是校園信息化建設的重要組成部分，而較之傳統(tǒng)的二維虛擬校園更具空間表現(xiàn)力，也更加逼真，是虛擬校園的又一大進步。

二、三維虛擬校園瀏覽動畫的構建過程

筆者根據(jù)設計的流程將三維虛擬校園瀏覽動畫構建過程概括為布局規(guī)劃、校園立體模型制作及貼圖、燈光的添加和后期動畫合成三個過程。

（一）布局規(guī)劃

三維虛擬校園建模是構建三維虛擬校園瀏覽動畫的基礎。在建立虛擬校園模型之前要做好前期的準備工作，對校園的布局要有整體的把握，需要繪制出整個校園的建筑結構草圖，并且收集校園各部分建筑的圖片資料。

1.繪制草圖

首先要繪制出整個校園的草圖，即是將整個校園的構造繪制出來，包括教學樓、實驗樓、圖書館、學生宿舍區(qū)、操場等的大致位置，以便在制作時作為建模的參照。校園的鳥瞰圖可以通過AutoCAD軟件繪制，再導入3ds max軟件中。由于沒有安徽師范大學皖江學院的航拍照片，拍攝鳥瞰校園的照片難度比較大。因此，較之簡單的方法是通過谷歌地球（google earth）來找到安徽師范大學皖江學院的地理位置，調至能夠看清楚的合適比例，保存截圖，根據(jù)截圖中各建筑的位置、比例來繪制出草圖。

2.收集圖片資料

草圖是對布局的總體把握，而各個建筑的具體造型需要借助數(shù)碼相機來拍攝，可以拍攝校園建筑的圖片作為建模的參考圖。為了使模型更加的逼真，會對模型賦材質，因此可單獨拍攝各種校園建筑的外部造型圖片作為虛擬建筑的材質。

（二）模型制作

將AutoCAD中繪制的草圖導入3ds max中，在3ds max中進行三維虛擬校園的模型制作、貼圖、燈光的添加以及渲染工作。

1.三維虛擬校園模型制作

在3ds max中制作三維虛擬校園模型，主要通過使用內置幾何模型，對圖形擠壓、車削、放樣、布爾運算等實現(xiàn)的，如對內置的幾何模型圓柱體進行布爾運算來制作花壇；畫出建筑物的線條和作為窗戶的方框線條，把它們附加后擠出就得到了建筑物的各個側面墻體；制作窗簾時用到放樣命令等。

圖1為制作的三維虛擬校園模型圖：

圖1 安徽師范大學皖江學院三維虛擬校園模型

2.賦材質

在建好虛擬校園的模型后，為了使模型更加的逼真，需要對模型賦材質，材質主要用于描述物體如何反射和傳播光線，材質中的貼圖主要用于模擬物體質地、提供紋理圖案、反射、折射等其它效果（貼圖還可以用于環(huán)境和燈光投影），依靠各種類型的貼圖，可以創(chuàng)作出千變萬化的材質。

三維虛擬校園模型制作中使用到的材質有清玻璃材質、金屬材質、平面鏡材質、大理石材質、水材質、透空貼圖以及各種地面的材質等，常用的玻璃、金屬、水材質有固定的參數(shù)，各建筑物獨有的外部材質可以使用拍攝的材質照片來賦材質。

此外，整個虛擬校園是基于白天的環(huán)境，所以，也要模擬出白天的天空，可以通過建立一個半球，將其翻轉，并賦上天空的貼圖作為球天，將整個校園至于球天的下方，就可以得到如圖2的效果。

圖2 賦材質效果

3.賦燈光

賦材質后的模型逼真感明顯增強，但是還需要通過為場景打燈來增強場景的真實感，以及增加場景的清晰度和三維縱深度，三維虛擬校園動畫中使用的燈光是用標準燈光中的泛光燈來模擬天光的效果。

4.動畫漫游及渲染

在整個校園的三維虛擬模型制作完成后，接下來制作三維虛擬校園的瀏覽動畫過程，本設計是為展現(xiàn)校園的整體風貌，因此，通過加入3ds max中的攝像機來帶領觀看者游覽。從校園大門處繪制一條攝像機的軌跡，沿著軌跡繞整個校園一周，可以游覽整個校園風光。

動畫制作好后，要想看到整個動畫的過程，還需要借助3ds max的渲染功能，渲染即是依據(jù)所指定的材質，所使用的燈光，以及諸如背景與大氣等環(huán)境的設置，將場景中創(chuàng)建的幾何體實體化現(xiàn)實出來。

由于安徽師范大學皖江學院三維虛擬校園動畫的模型龐大、材質繁多，一般配置的獨立計算機無法渲染或需要相當長的時間渲染出動畫格式的文件，因此，本設計利用多臺計算機同時渲染，并采用了先渲染出圖片，再將圖片合成為動畫的方式。動畫的長度設置為2000幀，每400幀一臺計算機進行渲染，利用5臺計算機同時渲染，圖3、圖4為渲染后的截圖。

圖3 虛擬實驗樓

圖4 虛擬學生食堂

（三）后期合成

要將渲染出的圖片制作成視頻，就要借助視頻編輯軟件，本設計選用的視頻編輯軟件是premiere，premiere是可以將序列號是連續(xù)的圖片制作成視頻效果，以.avi格式保存。

在將三維虛擬校園動畫的圖片渲染出后，要先檢查渲染出的圖片是否是序列號連續(xù)的圖片后才能向premiere中導入圖片，導入時要將彈出對話框中“靜幀序列”前的勾打上，這樣才能一次性導入所有圖片，并且是以視頻的方式在premiere中顯示。

接下來，只需在premiere中檢查視頻播放是否流暢，達到滿意效果后，就可以將視頻導出，選擇avi格式，最終形成三維虛擬校園瀏覽動畫視頻。

三、三維虛擬校園瀏覽動畫構建中的若干問題解決

在安徽師范大學皖江學院三維虛擬校園瀏覽動畫的制作過程中，遇到很多技術上的問題，這些問題也是在制作其他三維動畫作品中經常遇到的問題，現(xiàn)將制作過程中的問題歸納為如下五項，并從各項問題出發(fā)提出筆者在設計中是如何解決這些問題的，以供借鑒。

（一）建模方面的問題

整個安徽師范大學皖江學院的三維虛擬校園模型的建設是一個比較大的工程，加上3ds max本身對電腦配置的要求比較高，一臺配置較好的計算機必不可少，計算機的配置要達到2G的內存，最好是獨立顯卡。這樣隨著建模的越來越多，3ds max才能正常運行不出現(xiàn)卡死。在3ds max中建模時要注意盡量減少“面”的量，例如：樹的建模，如果使用3ds max中自帶的樹，由于自帶的樹有很多“面”，這將會使整個場景中的“面”數(shù)劇增，在場景中大量的復制使用，增多面的數(shù)量，會導致制作的模型占用很多內存，以至3ds max運行速度減慢，渲染時出現(xiàn)內存不夠的問題，這可以通過減少樹的面來解決，方法是不使用3ds max中自帶的樹模型，而通過制作十字交叉的平面，給平面賦樹的透空貼圖來完成，這樣可以大大地減少面的數(shù)量，節(jié)省內存的使用并且減少文件的大小。

（二）材質方面的問題

對模型賦材質是通過給材質編輯器中的材質球設置參數(shù)，賦上材質后，再賦給場景中的模型，而材質編輯器中的材質球只有24個，整個安徽師范大學皖江學院三維虛擬校園模型使用的材質肯定會超過24個，這樣材質編輯器中的材質球肯定不夠用，材質球也不可以再增加，所以，可以通過刪除一些已經用過了，不再使用的材質球上的貼圖，使材質球可以重新被利用，在刪除時要注意選擇“僅影響編輯器示例窗中的材質／貼圖？”如果選擇的是“影響場景和編輯器示例窗中的材質／貼圖？”，這會將所有已經賦過的材質都刪除。

（三）燈光方面的問題

設計中將三個泛光燈放置在建筑物上方的三個點來模擬天光，由于渲染時要計算燈光，計算時間的長短會直接影響渲染時間的長短，所以，在能夠模擬出一定的天光感覺的情況下，將泛光燈的“強度／顏色／衰減”下的倍增參數(shù)設置小一點，這樣會降低渲染的時間。

（四）渲染方面的問題

由于機器配置的限制，安徽師范大學皖江學院三維虛擬校園瀏覽動畫的渲染不能通過常規(guī)的渲染視頻方式完成，而是通過在多臺計算機上同時渲染出圖片后，進行后期合成來實現(xiàn)。因為連續(xù)的動畫實際上也是通過一幀一幀的圖片組成的，因此，只要渲染出圖片，再經過后期的視頻編輯，就可以合成完整的動畫。

此外，因為要在不同計算機上同時渲染，所以3D文件要拷貝到其它計算機上，而3D中賦了大量材質，一旦路徑改變，材質將缺失，所以，可以通過把3ds max源文件“歸檔”（格式為.zip），來避免當文件拷貝到其它計算機上時會丟失材質貼圖。

（五）后期合成的問題

渲染出的圖片要經過合成后才能成為視頻，合成的軟件有很多，如 After effects、premiere等，After effects是一款通用的后期軟件，也是現(xiàn)在為止使用最為廣泛的后期合成軟件，它可以和大多數(shù)的3D軟件進行配合使用，但如果要將圖片導入After effects中渲染出視頻，還需要安裝一些插件，比較麻煩；而premiere直接可以將序列號相連的圖片導入成為視頻，操作比較方便，因此，本設計選擇premiere作為合成軟件。

四、結束語

目前，安徽師范大學皖江學院三維虛擬校園瀏覽動畫已經初步完成，可以通過動畫帶領觀賞者游覽整個校園。隨著今后學校的發(fā)展，也會繼續(xù)對三維虛擬校園進一步完善，如可以增加交互操作，使觀賞者可以進入虛擬圖書館、虛擬教室、虛擬寢室的內部進行游覽，實現(xiàn)更加全面、完善、多功能的虛擬校園。

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