三維虛擬數(shù)字化校園實(shí)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究

孫君菊，曾雪松

（信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

隨著社會(huì)發(fā)展和招生宣傳的需要，數(shù)字化校園建設(shè)已成為各所高校信息化建設(shè)的工作重心，三維虛擬校園建設(shè)更是其核心。早期的2DGIS主要以平面制圖和平面分析為主，現(xiàn)在已被淘汰。中期的3DGIS主要以Flash和360全景技術(shù)應(yīng)用為主，但交互性和沉浸性差，也被新技術(shù)所取代?，F(xiàn)在最多使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和地理信息技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的綜合應(yīng)用來(lái)讓大學(xué)校園優(yōu)美的地理環(huán)境和高尚的人文信息以三維虛擬場(chǎng)景形式呈現(xiàn)給我們,實(shí)現(xiàn)大學(xué)校園數(shù)字化和虛擬化建設(shè)。我們不到學(xué)校，就可以上網(wǎng)瀏覽校園的一樓一室，一草一木，感受積淀深厚的校園文化，讓我們?cè)谟?jì)算機(jī)所創(chuàng)造的三維虛擬校園中漫游，猶如“身臨其境”。

本文主要以信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維虛擬數(shù)字化校園建設(shè)為例，對(duì)三維虛擬校園的設(shè)計(jì)方案和流程，數(shù)據(jù)收集與處理，三維建模與材質(zhì)貼圖等進(jìn)行詳細(xì)的研究，給我們提供了一套完整仿真技術(shù)參考方案。

一、系統(tǒng)分析與開(kāi)發(fā)流程

學(xué)校新校區(qū)占地2000多畝，坐落在交通便利的羊山新區(qū)。學(xué)院南大門(mén)緊靠312國(guó)道，西大門(mén)門(mén)前是通往滬陜高速的“咽喉”的信陽(yáng)24大街，東邊緊臨信陽(yáng)高鐵火車(chē)站，北邊是正在建設(shè)中的龍飛山森林公園。學(xué)院環(huán)境優(yōu)美，是莘莘學(xué)子求學(xué)和生活的好地方。學(xué)院設(shè)有20個(gè)黨政群團(tuán)部門(mén)和19個(gè)教學(xué)院部，開(kāi)設(shè)51個(gè)專(zhuān)業(yè)，圖書(shū)館藏書(shū)125萬(wàn)冊(cè)，在校生19486人。校區(qū)與山相依，依景造景，校園建筑素雅清新，將學(xué)校文化底蘊(yùn)與現(xiàn)代教育特色相融合，不斷營(yíng)造出綜合、科技、人文、生態(tài)為主題的三維虛擬數(shù)字化校園系統(tǒng)。

虛擬校園漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程主要包括四個(gè)方面，分別是三維建模前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理、三維場(chǎng)景模型的創(chuàng)建、漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、交互功能的實(shí)現(xiàn)。實(shí)施步驟如下:首先，按照三維虛擬校園設(shè)計(jì)構(gòu)想，采集與收集相關(guān)平面圖設(shè)計(jì)原始資料和現(xiàn)有景觀圖片，并做好相關(guān)處理。其次，按照校園實(shí)際尺寸比例構(gòu)建三維校園模型，主要包含學(xué)校地形、主體建筑、花草樹(shù)木和規(guī)劃綠地等。再次，建立漫游系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)三維虛擬場(chǎng)景漫游系統(tǒng)。最后，實(shí)現(xiàn)交互功能，真實(shí)地體驗(yàn)三維虛擬校園仿真功能。

虛擬校園三維模型主要分為建筑模型、地物模型、地形模型三類(lèi)。目前，主流三維設(shè)計(jì)軟件有3dsMax、MAYA和VRP等。本系統(tǒng)采用3dsMax2010建模，3ds Max是Autodesk公司研發(fā)的一款三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)軟件，其功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，廣泛地應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)游戲設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、人文景觀設(shè)計(jì)等三維建模領(lǐng)域。

二、三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）數(shù)據(jù)收集與處理

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)收集與處理主要是校園景觀平面圖和校園設(shè)計(jì)圖紙等相關(guān)資料。因?yàn)槿S建模需要，我們可以用相機(jī)把現(xiàn)有的學(xué)校建筑物，人文景觀等外觀照片拍下來(lái)，然后用PS軟件預(yù)處理，以便作為紋理貼圖?？紤]制作成本和優(yōu)化方案，結(jié)合我校實(shí)際情況，我們采取借閱學(xué)院新校區(qū)建設(shè)原始設(shè)計(jì)資料。校園原始設(shè)計(jì)CAD文件都可以從學(xué)校檔案室找到，這就大大減少了我們?cè)O(shè)計(jì)工作量。AutoCAD和Photoshop軟件在此就不做詳細(xì)介紹。

（二）3dsMax三維建模

1.建筑模型建模

校園建筑物建模是建三維虛擬校園模型的重點(diǎn)。3dsMax軟件基于Windows平臺(tái)，與Auto CAD同是Autodesk公司的產(chǎn)品，使用3dsMax進(jìn)行三維建?？梢詫?shí)現(xiàn)與Auto CAD文件很好的兼容，二者配合能夠做出精準(zhǔn)模型。大概過(guò)程是先導(dǎo)入CAD參考圖到3dsMax軟件，然后建立灰色輪廓模型，展開(kāi)UV圖，不斷進(jìn)行貼圖繪制，最后添加燈光，進(jìn)行效果圖渲染輸出。下面以信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)汽車(chē)學(xué)院辦公樓為例進(jìn)行分析建筑物建模。

第一步，將原來(lái)處理好的AutoCAD平面圖導(dǎo)入3ds Max軟件的頂視圖中，作為參照?qǐng)D，截圖如下圖1所示:

圖1辦公樓模型參考圖

第二步，采用最優(yōu)化模型設(shè)計(jì)思想，盡可能減少面數(shù)，把窗戶和墻體盡可能設(shè)計(jì)在一個(gè)平面上，但對(duì)突出的部分輪廓，必須按原型建模，避免模型失真。3dsMax幾何建模方法分3類(lèi)，即Polygon（多邊形建模）、NURBS（非均勻有理B樣條曲線建模）、Subdivision Surface（細(xì)分曲面技術(shù)建模）。本文采用Polygon法建模，該方法主要是用一個(gè)個(gè)小平面支拼合物體表面，然后利用修改器進(jìn)行修改，最后制作成規(guī)則的物體。此法特別適合建筑物建模。做出模型截圖如下圖2所示。

圖2辦公樓模型圖

第三步，模型建好后，為多邊形曲面創(chuàng)建貼圖，首先創(chuàng)建UV。UV是與多邊形頂點(diǎn)相關(guān)的點(diǎn)，為物體應(yīng)用紋理圖提供所需要的信息。每個(gè)UV點(diǎn)直接依附于模型的每個(gè)頂點(diǎn)，位于UV點(diǎn)的紋理像素將被映射到UV所依附的頂點(diǎn)上。使用UV編輯器來(lái)展示模型的UV，截圖如下圖3所示:

圖3辦公樓模型UV展示圖

第四步，利用前期照相機(jī)拍攝照片，用Photashop軟件處理好，添加材質(zhì)貼圖。其過(guò)程是首先選定需要添加材質(zhì)貼圖的模型，打開(kāi)UVW貼圖選項(xiàng)，設(shè)置好貼圖的坐標(biāo)、方式和位置等參數(shù)，準(zhǔn)確地進(jìn)行模型貼圖，截圖如下圖4所示。

圖4辦公樓UVW貼圖

第五步，燈光是提高三維虛擬仿真效果的重要方法。靈活地運(yùn)用燈光組合，能夠更加有效地美化虛擬校園。 3dsMax中常見(jiàn)的燈光有 Skylight、Target Spot、Target Direct等，Skylight一般來(lái)自一個(gè)固定方向，能夠均勻散射，在場(chǎng)景中不同位置讓人感受到的亮度都是一樣的，因此在模擬天空和太陽(yáng)光散射時(shí)光照效果都很好。本例使用該燈光進(jìn)行渲染輸出。模型效果截圖如下圖5所示：

圖5辦公樓最終效果圖

2.地物模型建模

校園景觀主要就是樹(shù)木和花草。蔥蔥郁郁的樹(shù)木和嬌艷芬芳的花草都象征著學(xué)校深厚的歷史文化底蘊(yùn)，不但給人一種幽雅寧?kù)o感，也能給人一種真實(shí)感。系統(tǒng)采用了目前最為流行的Doubleboarding技術(shù)，使用圖像代替實(shí)物的模型設(shè)計(jì)方法，即把一個(gè)準(zhǔn)備好的樹(shù)木或花草貼圖貼到這個(gè)模型表面上并進(jìn)行透明處理，設(shè)置好Alpha。該方法操作簡(jiǎn)單，占內(nèi)存小，生成速度快，視覺(jué)效果好。

3.地形建模

地形模型主要用于描述地面起伏狀況，用于提取各種地形參數(shù)并進(jìn)行透視分析。其表達(dá)方法多種，包括等高線、三角網(wǎng)和網(wǎng)格等。常用的建模軟件有SketchUp、Auto和3dsMax等。本系統(tǒng)地形模型采用校園原始地形測(cè)繪CAD圖紙，利用Auto CAD2010進(jìn)行建模，只保留等高線，其余的線條全部刪除。

本文對(duì)三維虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路進(jìn)行了分析研究，系統(tǒng)地展示了3dsMax軟件開(kāi)發(fā)三維場(chǎng)景的方法以及流程，以實(shí)例形式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維虛擬校園原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。在模型創(chuàng)建過(guò)程中，采用虛實(shí)結(jié)合的方法減少了模型數(shù)量，節(jié)省了磁盤(pán)空間，為后續(xù)交互開(kāi)發(fā)和網(wǎng)上發(fā)布做好了鋪墊。但由于本文側(cè)重技術(shù)應(yīng)用研究，沒(méi)有詳細(xì)論證各種模型的設(shè)計(jì)理論，對(duì)校園復(fù)雜建筑樓群以及復(fù)雜人文景觀，還有地表空間如花園樓閣、湖泊、假山、池塘等建模均沒(méi)有提及，還需要做大量建模工作，進(jìn)一步完善理論論證和實(shí)踐應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

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