三維虛擬校園漫游研究設計

□史素霞 宋志英

一、引言

在當今“數(shù)字城市”和“智慧城市”的大背景下，數(shù)字校園作為這個大背景的微觀組成部分，越來越受到大部分高校的青睞，尤其是三維數(shù)字可以通過網(wǎng)絡漫游系統(tǒng)的發(fā)布，可以更加方便地實現(xiàn)社會上對校園的認識和了解。目前，三維虛擬校園的實現(xiàn)主要有兩種方式:一種是發(fā)揮高級編程語言的優(yōu)勢，完全運用編程方式實現(xiàn)，如VRML、OpenGL、Java3D等;另一種則運用集成的3D建模軟件建模實現(xiàn)，如3Dmax、Maya、Skyline等。

二、校園景觀三維建模

目前，實現(xiàn)三維建模的軟件較多，可以根據(jù)任務需要和各種軟件在三維建模中優(yōu)缺點合理選擇三維建模方式，以下簡單介紹幾種常用到的三維建模軟件。

(一)Auto CAD三維建模。Auto CAD在三維建模方面具有速度快、精確等優(yōu)點，同時Auto CAD包含工程標準、精確材質(zhì)賦予以及大量的屬性數(shù)據(jù)及用于工程規(guī)劃和靜態(tài)圖形生成的、基于復雜規(guī)則的數(shù)據(jù)。但它在光照和紋理貼圖等方面的效果相對于3DSMAX差一些。AutoCAD建模時對圖上所有地物按材質(zhì)進行分類，如:湖泊、苗圃、林地、路燈、建筑物、井蓋等。分類完成后再按照不同地物類別提取相應圖層，以地物分類名對圖層進行命名，并且提取每個圖層保存為一個AutoCAD文件。對比較有代表性的建筑物進行建模，為了提高建模速度最好每一個建筑保存一個文件。對于經(jīng)常要用到門窗、陽臺等模型，最好先各自做好一個模型進行保存，根據(jù)需要可進行復制和修改，以提高建模效率。將建好的各部件模型復制到提取出的建筑物圖層中，完成建筑物三維建模，并移動建筑物到實際的坐標位置進行保存，其他地物建模方法同建筑物建模方法，各種地物模型建好以后，整合到一個統(tǒng)一的Auto CAD文件中完成整體校園的三維建模。

(二)Creator三維建模。MultiGen Crearor是美國Multi-Gen-Paradigm公司開發(fā)的一款功能強大、交互式的三維建模軟件，專門用于創(chuàng)建視景仿真的三維模型。它通過“所見即所得”的交互式建模環(huán)境使用戶可以方便地對模型進行編輯，其強大的建模工具箱，可以對現(xiàn)實世界中各種復雜對象完美表達。綜合應用Creator的建模工具和關鍵技術可以得出最優(yōu)化的三維模型。

Creator校園三維建模在對校園地物進行分類基礎上，一是按照校園地物復雜程度進行二級或者三級分類，鑒于一般規(guī)模校園進行二級分類就可以，比如一級分類可包括建筑物、交通設施、綠化場、休閑娛樂設施等。在一級分類基礎上再進行更加詳細的二級分類，比如建筑物類里包括餐廳、教學樓、辦公樓、學生公寓、圖書館等，其他分類同此法。Creator校園三維建模所用數(shù)據(jù)包括通過傳統(tǒng)測繪方法得到的空間數(shù)據(jù)，也可以由遙感影像數(shù)據(jù)數(shù)字化得到這些空間數(shù)據(jù)，包括平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞將直接影響模型建成后的精度，由于一般學校管理或者參考的三維模型對精度要求不是太高，所以空間數(shù)據(jù)精度對于建模容易得到保證。二是用于體現(xiàn)各地物真實感的紋理數(shù)據(jù)，紋理數(shù)據(jù)的質(zhì)量往往直接影響地物的真實感，紋理數(shù)據(jù)的采集可以采用高分辨率的數(shù)碼相機，在紋理數(shù)據(jù)的采集過程注意從多個角度對各地物進行紋理數(shù)據(jù)采集，同時要注意數(shù)據(jù)采集的天氣情況、背景以及成像的穩(wěn)定度，這些將影響到模型的美觀效果。紋理數(shù)據(jù)的后期制作主要借助于圖形處理功能，主要是光學效果處理有很大優(yōu)勢的phtoshop來完成，主要是根據(jù)實際地物大小制作合適的紋理單元，再者為了將來模型美觀往往對紋理進行一些亮度、變形處理，目的是使紋理數(shù)據(jù)既能保證模型的真實感又不失其觀感性。Creator建模借助于工具箱提供的各種標準幾何體來完成，比如:一般標準矩形建筑物可由box工具直接來完成，可以根據(jù)cad等底圖勾畫出既有建筑物的平面輪廓，在根據(jù)高程數(shù)據(jù)將建筑物拉伸到實際高度即可。不同樓層可以有紋理數(shù)據(jù)來反應，一般采用四點映射法貼圖處理。對于比較復雜的觀賞性較強的建筑物則需要借助工具箱里的多種幾何體來實現(xiàn)。需要注意Creator在構(gòu)建模式一般采用自下而上的順序來進行。三是進行模型優(yōu)化處理，對于模型中數(shù)量比較多的，形狀完全一致的地物，可以采取實例化的方法減少數(shù)據(jù)冗余度，實例化方法顯示模型其實質(zhì)是對內(nèi)存中的原始模型進行坐標平移、比例、旋轉(zhuǎn)變換。對模型進行LOD(Level of Detai l層次細節(jié)技術)處理，應用LOD技術主要是基于提高仿真系統(tǒng)顯示速度考慮的，在實時應用系統(tǒng)運行時根據(jù)視點到對象的距離來確定繪制哪個級別的模型，因為視點距離較遠時繪制細節(jié)程度較高的模型對仿真效果沒有多大提高，反而影響系統(tǒng)運行速度。

(三)3DMax三維建模。3DMax是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的，主要用于各種物體三維建模、可視化設計、動畫和渲染等解決方案，是一種制作建筑效果圖和動畫制作專業(yè)工具，因此3DMax在校園三維建模中具有明顯的優(yōu)勢。3DMax建模的流程大致如下:首先啟動軟件，設置單位，一般單位設置為米，以CAD底圖為基礎進行三維建模，直接導入CAD底圖在此基礎上勾畫出各種地物(主要是建筑物)的輪廓，如果沒有CAD矢量圖，可以在影像圖如googleearth上截取建筑物底圖，通過測量確定所截取建筑物圖片長寬比例。然后根據(jù)這個比例創(chuàng)建box，截取圖片貼到box確定建筑物長寬，根據(jù)截圖進行建筑物輪廓勾畫，確定建筑物的材質(zhì)。最后根據(jù)高度信息擠壓建立建筑物的立體模型，將采集的紋理數(shù)據(jù)進行貼圖，進行模型的優(yōu)化，包括模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模型貼圖優(yōu)化，模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是在保持模型實際效果的前提下，盡量減少不必要的點、線、面造成的冗余度。貼圖優(yōu)化主要是針對紋理數(shù)據(jù)進行亮度處理，根據(jù)需要調(diào)整紋理像素尺寸，以達到視覺效果更加逼真。

(四)Sketchup、skyline等比較簡單快捷的建模方法。以上每種建模方法都有其優(yōu)缺點，這就要求在進行校園建模時，根據(jù)實際場景需要可以選擇多種建模方法實現(xiàn)優(yōu)勢互補，比如為了達到逼真的視覺效果，在建筑物建模時可以采用光度處理效果比較好的3DMax，而對于數(shù)據(jù)精度要求不高的綠地植被等可以考慮建模比較方便適用于景觀設計的Sketchup建模軟件，總之在進行建模的過程中要達到效率和質(zhì)量的最佳結(jié)合。

三、基于Unity3D三維數(shù)字校園漫游設計

Unity3D是一種跨平臺的三維動畫漫游軟件，該軟件除了具備常規(guī)的動畫漫游外，還具有一定的編輯功能，Unity3D作為一個整合跨平臺的專業(yè)三維動畫引擎更適合三維數(shù)字校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)。除此之外Unity3D具有較高的性價比，并可以將三維效果圖以網(wǎng)頁方式使不同用戶進行瀏覽，且不需要任何客戶端。Unity3D支持各種腳本語言，其中包括JavaScript、C#、Python，兼容各類操作系統(tǒng)，真正地實現(xiàn)跨平臺。

Unity3D實現(xiàn)三維數(shù)字校園漫游首先利用各種建模軟件進行三維數(shù)字校園建模，并導出fbx.格式文件，建立場景數(shù)據(jù)庫，開發(fā)者在對用戶信息進行調(diào)查的基礎上，按相機控制、碰撞檢測最后進行Unity3D渲染完成虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)。由于校園場景要實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽，因此對軟件大小有較高要求，必須保證用戶在網(wǎng)絡上瀏覽的暢通。

四、結(jié)語

要實現(xiàn)三維數(shù)字校園建漫游系統(tǒng)還需要投入更大的人力和物力，因此還有待進一步的建模、實現(xiàn)和開發(fā)。

［1］黃秀常，全秋燕，葉春紅.基于VRML的虛擬校園漫游系統(tǒng)［J］.電腦知識與技術，2005，10:228～230

［2］岳俊梅.基于OpenGL的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機時代，2007，11:65～66

［3］顧朝林，段學軍，于濤方.論“數(shù)字城市”及其三維再現(xiàn)關鍵技術［J］.地理研究，2002，21，1:14～24

［4］靳海亮，苗保亮，劉慧杰，李剛.Creator三維校園建模方法的研究與實現(xiàn)［J］.計算機與數(shù)字工程，2010，10:133～136

［5］賈涼.基于Creator/Vega城市環(huán)境仿真系統(tǒng)的研究［D］.武漢大學，2005

［6］伊力哈木江·巴圖爾，崔龍，張紅忠，買買提明·買提玉蘇甫.基于Unity3D的三維數(shù)字校園漫游系統(tǒng)［J］.開發(fā)案例，2010，36:90～93