虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊偉策

（浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院影視制作學(xué)院，浙江金華321000）

虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊偉策

（浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院影視制作學(xué)院，浙江金華321000）

本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念和主要作用，選取浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院作為研究對(duì)象，闡述了如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)。包括前期數(shù)據(jù)的采集處理到使用3dsMax進(jìn)行三維場(chǎng)景建模、模型優(yōu)化、貼圖與烘焙、燈光設(shè)置等主要環(huán)節(jié)，以及運(yùn)用Virtools實(shí)現(xiàn)漫游交互功能。

虛擬校園；3dsMax；三維建模；Virtools

虛擬校園漫游系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)對(duì)真實(shí)的客觀世界進(jìn)行逼真的模擬再現(xiàn)，通過(guò)利用傳感器技術(shù)或輸入設(shè)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(duì)象進(jìn)行相互作用且得到反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的系統(tǒng)有多種不同類型，其中桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是最為普遍、相對(duì)最容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件對(duì)現(xiàn)實(shí)空間進(jìn)行模擬，用戶透過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬空間的交互。

開(kāi)發(fā)虛擬校園系統(tǒng)是校園信息化、數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分，也是現(xiàn)代化校園建設(shè)的必然要求。一個(gè)三維可視化、有聲有色的虛擬校園漫游系統(tǒng)可以讓來(lái)訪者立體式全方位游覽真實(shí)模擬的校園環(huán)境，參觀教學(xué)設(shè)施，了解教學(xué)資源，體驗(yàn)生活環(huán)境，有利于全面展示學(xué)院形象，提高學(xué)校的知名度。另外，虛擬校園漫游系統(tǒng)還能夠起到輔助校園規(guī)劃和建設(shè)的重要參考作用，校園建設(shè)的設(shè)計(jì)者、決策者可以充分利用三維虛擬校園直觀檢驗(yàn)校園未來(lái)的環(huán)境布局，為科學(xué)決策提供有利的保障。本文以浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院為例，旨在探討主要基于三維設(shè)計(jì)軟件3dMax和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件Virtools來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)仿真性較高，且具有良好用戶體驗(yàn)功能的虛擬校園漫游系統(tǒng)。

一、設(shè)計(jì)軟件和主要流程

虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的關(guān)鍵軟件是3dsMax和Virtools。3dsMax是一款十分流行、應(yīng)用廣泛的三維設(shè)計(jì)軟件，由美國(guó)Autodesk公司開(kāi)發(fā)，目前最新版本是2015版，它在三維游戲設(shè)計(jì)、建筑動(dòng)畫設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)等方面表現(xiàn)突出，在影視特效設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)等方面也有不俗表現(xiàn)。Virtools是一款基于3dsMax等三維設(shè)計(jì)軟件的交互式內(nèi)容整合插件，利用該插件自帶的邏輯行為、人工智能等互動(dòng)模塊可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維作品的交互功能。除以上兩款軟件之外，平面設(shè)計(jì)軟件Photoshop和繪圖軟件AutoCAD也必不可少。

虛擬校園漫游系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程是：(1)素材采集與處理；(2)三維模型創(chuàng)建；(3)模型的優(yōu)化與整合；(4)貼圖與烘焙；(5)交互功能設(shè)計(jì)；(6)發(fā)布系統(tǒng)。虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，用戶就能夠通過(guò)桌面視窗多視角全方位瀏覽浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院校園全貌，可以選擇漫游方式，如沿路徑自動(dòng)漫游或者自由手動(dòng)漫游，也可以通過(guò)鼠標(biāo)操作實(shí)現(xiàn)視線平移、旋轉(zhuǎn)、放大等效果。

二、素材采集與處理

為了完整準(zhǔn)確地表現(xiàn)真實(shí)的校園環(huán)境，必須采集和處理校園的相關(guān)信息，為三維建筑和地形環(huán)境模型的創(chuàng)建提供依據(jù)。信息包括三維空間數(shù)據(jù)信息和圖像信息兩部分，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）收集整理校園建筑相關(guān)平面圖、立面圖，也可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得建筑物各項(xiàng)數(shù)據(jù)；（2）通過(guò)AutoCAD軟件進(jìn)行建筑二維平面圖的繪制；（3）利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行校園建筑和景觀拍攝，用以三維建模時(shí)的參照和真實(shí)的紋理貼圖處理；（4）利用貼圖素材庫(kù)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(chǎng)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(xiàn)，所以在三維模型的創(chuàng)建過(guò)程中應(yīng)該盡可能準(zhǔn)確。虛擬校園漫游系統(tǒng)中需要?jiǎng)?chuàng)建的三維模型主要包括校園建筑物模型和地形、環(huán)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(jù)建模對(duì)象不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的建模方法。

1.建筑物的三維建模

學(xué)院的建筑物主要包括教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)樓、圖書館、餐廳、學(xué)生和教工公寓、體育館、實(shí)驗(yàn)劇場(chǎng)等共計(jì)32棟建筑。最能直觀表現(xiàn)校園環(huán)境特點(diǎn)的是建筑物，因此建筑物三維模型應(yīng)按實(shí)際比例進(jìn)行創(chuàng)建。我們通常在3dx Max中導(dǎo)入已經(jīng)繪制好的校園建筑AutoCAD圖，然后利用二維樣條線創(chuàng)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(yùn)算、曲面變形等等，這些修改器都是建模的利器。對(duì)于建筑物的常見(jiàn)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(lái)創(chuàng)建。創(chuàng)建方法極為簡(jiǎn)便，每一個(gè)部件模型都有完整的比例參數(shù)，可以精確地進(jìn)行調(diào)整。

2.地形與環(huán)境的三維建模

地形的創(chuàng)建主要是對(duì)校園及周邊地面進(jìn)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(yùn)用樣條線畫出地面和道路。繪制過(guò)程中，可以根據(jù)需要添加或者刪除頂點(diǎn)，并且可以轉(zhuǎn)換頂點(diǎn)的類型（Bezier角點(diǎn)、Bezier、曲線、平滑），通過(guò)控制這些頂點(diǎn)進(jìn)行形狀細(xì)節(jié)的調(diào)整，然后通過(guò)修改器列表添加擠出命令，將其轉(zhuǎn)化成三維模型。橫店影視職業(yè)學(xué)院依山而建，要充分考慮校園內(nèi)較大起伏的地形。環(huán)境的創(chuàng)建主要包括天空、綠化植物、雕塑和路燈、路牌等輔助設(shè)施。天空的創(chuàng)建比較簡(jiǎn)單，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)足夠大的球體，使其能夠完全包裹整個(gè)校園地形。校園綠化植物數(shù)量龐大、構(gòu)造復(fù)雜，由于虛擬校園系統(tǒng)對(duì)模型面數(shù)的限制，我們不可能創(chuàng)建復(fù)雜的植物三維模型。通常的做法是：根據(jù)植物大小創(chuàng)建兩個(gè)相同平面，使其十字交叉作為植物模型，再到材質(zhì)編輯器中勾選雙面參數(shù)，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(qiáng)大利器，能夠快速創(chuàng)建大量的植物模型。

3.三維模型的優(yōu)化

虛擬校園漫游系統(tǒng)運(yùn)行速度與三維模型的面數(shù)緊密相關(guān)，因?yàn)橛蒝irtools插件制作生成的虛擬系統(tǒng)使用了即時(shí)渲染技術(shù)，運(yùn)行時(shí)尤其是交互過(guò)程中需要占用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源。如果整個(gè)校園三維模型面數(shù)過(guò)多，就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不流暢現(xiàn)象，降低用戶的使用意愿。因此，我們必須在3dsMax中對(duì)三維模型進(jìn)行合理優(yōu)化，整體的多邊形面數(shù)必須控制在一定范圍內(nèi)。目前，模型面數(shù)一般要求不超過(guò)60萬(wàn)面。設(shè)計(jì)者建模時(shí)就要遵循在不影響整個(gè)虛擬校園質(zhì)量的前提下盡可能簡(jiǎn)化的原則，不需要過(guò)多地表現(xiàn)細(xì)節(jié)。我們要將所有不可見(jiàn)的面全部刪除，例如建筑物的底面、內(nèi)部不可見(jiàn)的面等等，還要防止模型出現(xiàn)兩面重疊、相交等錯(cuò)誤建?，F(xiàn)象。需要注意的是，布爾運(yùn)算是3dsMax三維建模過(guò)程中常用的一種方法，但是表現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)要盡量避免使用。

四、燈光、貼圖與烘焙

1.材質(zhì)貼圖

制作材質(zhì)就是讓物體表面展現(xiàn)出其本質(zhì)，可以利用3dsMax軟件中的各種材質(zhì)球和渲染器實(shí)現(xiàn)。但是，基本的材質(zhì)編輯處理并不能準(zhǔn)確完整體現(xiàn)三維模擬對(duì)象的屬性，還需要進(jìn)一步對(duì)紋理進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。紋理可以直接通過(guò)貼圖的形式實(shí)現(xiàn)，而貼圖的獲得除了購(gòu)買貼圖材質(zhì)庫(kù)外，最簡(jiǎn)便的方法就是自己實(shí)地拍攝。拍攝的照片如果不能直接使用，就需要運(yùn)用Photoshop軟件對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，如色彩、亮度的調(diào)整，無(wú)縫貼圖制作等。好的材質(zhì)和貼圖文理對(duì)虛擬校園的真實(shí)再現(xiàn)至關(guān)重要，尤其是建筑物效果。在3dsMax中制作比較規(guī)則的模型紋理貼圖時(shí)，可以添加修改器列表中的UVW貼圖坐標(biāo)進(jìn)行貼圖與三維模型的匹配設(shè)置。而相對(duì)復(fù)雜不規(guī)則的模型想要得到匹配的貼圖效果就需要進(jìn)行UV的拆分，然后將輸出的UV貼圖導(dǎo)入Photoshop軟件中進(jìn)行貼圖繪制，繪制完成后再導(dǎo)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(xiàn)除了模型、材質(zhì)貼圖外，還需要模擬光影效果。通常逼真效果的呈現(xiàn)依靠3dsMax光線跟蹤、全局光照以及渲染器的運(yùn)算，而高質(zhì)量的渲染要耗費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源，少則幾分鐘，多則數(shù)小時(shí)。虛擬校園漫游系統(tǒng)要求模擬的場(chǎng)景能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)交互功能，就需要運(yùn)用烘焙貼圖技術(shù)，即將模型最終渲染的具有光影效果的材質(zhì)貼圖烘焙出來(lái)，再重新賦予原來(lái)的模型，這樣虛擬校園的實(shí)時(shí)渲染速度極快，時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。

貼圖烘焙的基本步驟是：（1）在3dsMax校園場(chǎng)景中設(shè)置好燈光，燈光一般采用天光；（2）打開(kāi)渲染設(shè)置的高級(jí)照明面板，勾選開(kāi)啟光跟蹤器；（3）渲染測(cè)試得到合適的光影效果后，再打開(kāi)渲染到紋理rendertotexture對(duì)話框，選擇烘焙對(duì)象，設(shè)置貼圖坐標(biāo)通道，添加輸出的紋理元素，以及設(shè)置烘焙紋理貼圖保存類型、路徑和貼圖大小等參數(shù)（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(shù)量，設(shè)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(jí)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(shè)置材質(zhì)編輯器中自發(fā)光的參數(shù)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(xué)院整體面積較大，建筑物較多，受系統(tǒng)限制不能將整個(gè)虛擬校園場(chǎng)景進(jìn)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(shù)處理。為了表現(xiàn)未進(jìn)行烘焙貼圖處理的場(chǎng)景環(huán)境，我們還需要設(shè)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(jù)測(cè)試情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，要注意避免曝光過(guò)度，場(chǎng)景中已經(jīng)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(shí)現(xiàn)

虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的漫游模式有三種：分別是手動(dòng)漫游模式、自動(dòng)漫游模式、頂視鳥(niǎo)瞰模式。手動(dòng)漫游模式是為攝影機(jī)上添加Virtools控制腳本，實(shí)現(xiàn)用鼠標(biāo)或鍵盤操作攝影機(jī)自由游覽的目的。自動(dòng)漫游模式是根據(jù)校園游覽需要設(shè)計(jì)一條游覽線路，讓攝影機(jī)在規(guī)定的線路上運(yùn)動(dòng)，其具體步驟是：（1）根據(jù)校園環(huán)境特點(diǎn)創(chuàng)建樣條線Curve路徑，通過(guò)編輯樣條線的點(diǎn)、線段，使路徑盡量平滑；（2）在輔助對(duì)象對(duì)話框中選擇創(chuàng)建一個(gè)虛擬對(duì)象，使用動(dòng)畫菜單中的路徑約束命令指定鏈接到樣條線路徑上；（3）創(chuàng)建一臺(tái)自由攝影機(jī)并調(diào)整攝影機(jī)到虛擬對(duì)象中心位置，然后將該攝影機(jī)選擇并鏈接到虛擬對(duì)象上。當(dāng)然，虛擬校園自動(dòng)漫游路徑可以是一條，也可以設(shè)計(jì)多條，制作方法都一樣。頂視鳥(niǎo)瞰模式是可以通過(guò)場(chǎng)景頂部架設(shè)的攝影機(jī)俯瞰整個(gè)校園環(huán)境，該攝影機(jī)可以是自由攝影機(jī)，也可以為其指定運(yùn)動(dòng)路徑。攝影機(jī)的漫游設(shè)計(jì)中為了達(dá)到節(jié)約計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，加速交互的目的，還可以對(duì)攝影機(jī)進(jìn)行顯示范圍設(shè)置。方法是：打開(kāi)攝影機(jī)設(shè)置參數(shù)對(duì)話框，勾選手動(dòng)剪切命令，通過(guò)測(cè)試設(shè)定攝影機(jī)的遠(yuǎn)距剪切FarCIip的合理范圍參數(shù)，使得攝影機(jī)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(tǒng)中，碰撞檢測(cè)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，尤其是手動(dòng)漫游模式。因?yàn)樵诓辉O(shè)置碰撞腳本情況下，攝影機(jī)可以直接穿過(guò)任何三維虛擬對(duì)象，這樣的用戶體驗(yàn)并不可取。

所有環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)制作完成后，最終可以輸出生成虛擬校園漫游系統(tǒng)的可執(zhí)行后綴名為html和tnt文件，這些系統(tǒng)文件可以脫離軟件單獨(dú)運(yùn)行。另外，我們可以將其組合到學(xué)院官方網(wǎng)站中，方便訪問(wèn)網(wǎng)站的用戶點(diǎn)擊瀏覽虛擬校園全貌（注意：用戶必須下載安裝Virtools應(yīng)用程序ViewerInstall.exe后才能夠顯示）。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的獨(dú)特魅力在于模擬對(duì)象的三維立體化、情境化、交互性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值必將不斷提升。本研究探討、綜合應(yīng)用3dsMax、AutoCAD、Photoshop和Virtools等多款設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了三維可視化的浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院虛擬校園漫游系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn)后得到了實(shí)際使用，基本展現(xiàn)了浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院全貌，為后續(xù)虛擬校園系統(tǒng)功能的進(jìn)一步完善打下了基礎(chǔ)。

[1]彭玉元，姜林暉.基于Virtools的三維虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，20（4）：60-64.

[2]郭苗.基于3dsMax軟件的虛擬校園設(shè)計(jì)探討[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014（6）：217-218.

[3]于飛，紀(jì)玉波.三維虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（4）：95-98.

[4]武宜廣，胡召玲，黃翌，林立偉，王健.徐州師范大學(xué)三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，28（1）：75-78.

[5]敬峰.分布式三維虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州大學(xué)碩士論文，2010.

[6]楊宏艷，史卓，鐘艷如.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（4）：287-291.

TN

A

1673-0046（2015）4-0184-03

2013年浙江省教育廳科研項(xiàng)目:《虛擬校園設(shè)計(jì)與制作——以橫店影視職業(yè)學(xué)院為例》（Y201329651）]