基于C＃和Direct X的三維虛擬校園構(gòu)建探討

張繼超，馬洋洋，董塞漠

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2．中國伊斯蘭教協(xié)會，北京100053）

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和“數(shù)字地球”概念的提出與廣泛實踐，對三維虛擬校園的構(gòu)建研究也越來越多。三維虛擬校園可提供校園的虛擬環(huán)境，讓人足不出戶就能實現(xiàn)對該場景的漫游與交互，從而達(dá)到身臨其境的主觀感受。

Direct X自從1995年出現(xiàn)以來，己成為目前計算機(jī)領(lǐng)域中最廣泛的3D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在眾多3D開發(fā)領(lǐng)域得以應(yīng)用。而C＃開發(fā)語言，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對Direct X自身強(qiáng)大的渲染功能的調(diào)用，而且能將操作者的意圖運用圖像界面流暢地表現(xiàn)出來［1］。3DSMax是由Autodesk旗下的公司開發(fā)的三維建模和動畫制作軟件，具有強(qiáng)大、完美的三維建模功能，是當(dāng)今世界上最流行的三維建模、動畫制作及渲染軟件。本文利用 C＃調(diào)用 Direct X［2－3］，結(jié)合3DSMax建模工具，對三維虛擬校園的構(gòu)建方法進(jìn)行探討，并以遼寧工程技術(shù)大學(xué)（中華路校區(qū)）為例，實現(xiàn)了三維虛擬校園的初步構(gòu)建。

1 三維建模背景及相關(guān)理論

1．1 三維建模理論

三維模型是物體的三維多邊形表示，通常用計算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。顯示的物體可以是現(xiàn)實世界的實體，也可以是虛構(gòu)的東西，既可以小到原子，也可以大到很大的尺寸。任何自然界存在的物體都可以用三維模型表示［4］。

三維模型廣泛用于任何使用三維圖形的地方。實際上，它們的應(yīng)用早于個人電腦上三維圖形的流行。許多計算機(jī)游戲使用預(yù)先渲染的三維模型圖像作為sprite用于實時計算機(jī)渲染

近年來，隨著數(shù)字城市的發(fā)展，三維模型也在地球科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如建立數(shù)字高程模型、三維地質(zhì)模型、數(shù)字小區(qū)、數(shù)字校園［6］等。

三維模型本身是不可見的，為增加模型的真實效果，常采用紋理映射或其他方法（如調(diào)整曲面法線、立體渲染等）來增強(qiáng)模型。

1．2 攝像機(jī)視圖矩陣

為了將真實世界的對象以三維模型的形式表達(dá)出來，需要將世界空間的對象先轉(zhuǎn)換為模型自身的空間坐標(biāo)系，然后利用攝像機(jī)空間展示顯示區(qū)域，其轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。

圖1 三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程

攝像機(jī)空間轉(zhuǎn)換的過程需要3個參數(shù)：即攝像機(jī)位置、目標(biāo)位置以及攝像機(jī)上下方向，這3個參數(shù)又稱為攝像機(jī)矩陣，都為空間向量［7］。在Direct X中可以通過這3個向量形成一個視圖矩陣。即以攝像機(jī)位置為起點、攝像機(jī)目標(biāo)位置為終點的單位向量作為攝像機(jī)空間的Z′軸坐標(biāo)（相對于世界空間），然后根據(jù)左手法則或右手法則計算出攝像機(jī)空間的X′軸坐標(biāo)，最后計算出攝像機(jī)空間的Y′軸坐標(biāo)。所以視圖矩陣中保存攝像機(jī)空間X′，Y′，Z′軸坐標(biāo)在X，Y，Z方向上的分量，以及在攝像機(jī)空間中世界坐標(biāo)原點的位置，如圖2所示。

圖2 視圖矩陣

2 C＃調(diào)用Direct X構(gòu)建虛擬場景

利用C＃調(diào)用Direct X接口，完成場景的搭建、材質(zhì)燈光的導(dǎo)入、場景整體渲染、攝像機(jī)導(dǎo)入等功能。

2．1 項目初步配置

1）新建項目并添加新建項。新建一個Visual C＃空項目，設(shè)置其項目名稱，在解決方案資源管理器中選擇項目名稱并添加新建項。

2）添加窗體及引用。在 “添加新項”窗體上選擇“Windows窗體”模板，完成窗體添加，并在主菜單上選擇“項目—添加引用”，在．NET中添加Direct X和 Direct X．Direct3D（X）等組件，完成 Direct X的調(diào)用。

2．2 3D場景底圖構(gòu)建

在全局中定義頂點變量，設(shè)置貼圖圖片上的水平和垂直位置的坐標(biāo)分別為Tu和Tv，其中貼圖坐標(biāo)（0，0）表示圖片左上角，貼圖坐標(biāo)（1，1）表示右下角。在全局中定義貼圖變量texture及材質(zhì)變量material，分別用于保存貼圖圖片對象和材質(zhì)對象，通過指定材質(zhì)類型可以設(shè)置三角形表面的反射等方式。將場景圖片文件復(fù)制到項目目錄下作為場景的底圖，并修改渲染函數(shù)，導(dǎo)入貼圖和材質(zhì)函數(shù)的相關(guān)代碼，進(jìn)行渲染，然后以上述類似的方式繪制三角形，將兩三角形拼接到一起，構(gòu)建整個場景底圖。

2．3 攝像機(jī)導(dǎo)入及設(shè)置

調(diào)整三角形頂點坐標(biāo)及攝像機(jī)位置，然后修改攝像機(jī)函數(shù)Set Up Ca mera（）中視圖矩陣的代碼，對攝像機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)［8］。以圍繞Y軸選擇為例，首先在全局中定義旋轉(zhuǎn)角度及攝像機(jī)位置等變量，然后修改攝像機(jī)函數(shù)，設(shè)置鍵盤輸入的Left和Right鍵來控制攝像機(jī)的左右旋轉(zhuǎn)，并通過直接添加窗體的On Key Down（）重載函數(shù)來實現(xiàn)。

值得注意的是，上述過程實現(xiàn)了攝像機(jī)左右旋轉(zhuǎn)的功能，但是這個旋轉(zhuǎn)是相對于世界坐標(biāo)系的Y軸，如果攝像機(jī)空間坐標(biāo)系的Y軸和世界坐標(biāo)系的Y軸不為同一個方向，這將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)功能無法完全實現(xiàn)。因此在定義旋轉(zhuǎn)軸時，應(yīng)以攝像機(jī)空間坐標(biāo)系的Y軸方向為旋轉(zhuǎn)軸。除了左右旋轉(zhuǎn)外，攝像機(jī)還應(yīng)具有上下旋轉(zhuǎn)來調(diào)整視角的功能，此時，其旋轉(zhuǎn)軸為攝像機(jī)空間坐標(biāo)系的X軸。

攝像機(jī)縮放的控制，可以通過設(shè)置攝像機(jī)位置的比例函數(shù)Scale（）來實現(xiàn)。在窗體的 On－Key Down（）重載函數(shù)中添加縮放攝像機(jī)代碼，并可設(shè)置鍵盤快捷鍵（如鍵盤加號（＋ 表示放大、減號（－）表示縮?。┛刂茢z像機(jī)的放大和縮小操作。

2．4 繪制基本幾何體

通過Direct3D繪制的每個對象都是由三角形組成的，一個三角形由3個點組成，而每個點都定義成一個向量來指定點的X，Y，Z坐標(biāo)。所有基本體，主要是由長方體和球體組成［9］。對于任意一個六面體，其各頂點坐標(biāo)編號如圖3所示。

圖3 六面體頂點坐標(biāo)編號

通過繪制12個三角形即可形成圖3所示的六面體，將該六面體的頂部和底部面、四周的面進(jìn)行展開。值得注意的是，為了使頂面的法線向外（即頂點序號按順時針排列），對于底部的面采用序號反向使得繪制的三角形可見。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 立方體繪制結(jié)果

2．5 幾何體的復(fù)制、貼圖及場景搭建

在Direct X中，幾何模型對象基本上都是通過Mesh來表示，它也是組成三維場景的基本元素之一。Mesh類具有一個Clone（）方法用于復(fù)制網(wǎng)格對象至另外一個網(wǎng)格對象中，修改全局變量、初始化函數(shù)及渲染函數(shù)的相關(guān)代碼，復(fù)制長方體，將之前建立的場景與幾何體結(jié)合到一起，合并相關(guān)代碼，進(jìn)行整體三維場景的搭建［9］。將相關(guān)幾何體進(jìn)行材質(zhì)貼圖，使其變成完整樓體。

3 3DSMax模型構(gòu)建

Direct X雖然可實現(xiàn)用戶交互功能，運用鼠標(biāo)與鍵盤的輸入，多角度觀測整體場景，但該軟件的精度不高，對三維模型細(xì)節(jié)的渲染不夠完善。因此，本文應(yīng)用3DSMax軟件對部分三維模型進(jìn)行制作及渲染。

建模過程包括：三角網(wǎng)搭建、元素的對齊、線條的擠出、布爾運算、圖形的縮放、空間坐標(biāo)的選定、材質(zhì)編輯以及渲染參數(shù)的設(shè)定等。

下面以致遠(yuǎn)樓為例，闡述3DSMax模型的構(gòu)建過程。

1）繪制長方體，并設(shè)置其長、寬、高及材質(zhì)，作為部分樓體輪廓，如圖5所示。

圖5 樓體輪廓

2）建立指定長方體，與樓體輪廓相交，運用布爾運算、復(fù)制陣列等，對樓體輪廓進(jìn)行摳圖，作為門窗的位置。

3）制作門窗，運用多個尺寸不同的長方體，按固定位置進(jìn)行擺放，作為窗框、門框和玻璃，然后找到相關(guān)元素的材質(zhì)參數(shù)，編輯材質(zhì)，如圖6所示。

圖6 窗戶制作

4）以同樣的方式制作樓體輪廓的中心部分。運用鏡像功能將樓體輪廓的右側(cè)部分鏡像并作為樓體的左側(cè)部分，最后運用3DS的“倒角”和“擠出”功能，制作樓體的頂部及側(cè)面元素并設(shè)置材質(zhì)，如圖7所示。

圖7 鏡像后模型

5）將所有制作完成的模型進(jìn)行拼接，增加天光，設(shè)置高級照明參數(shù)并進(jìn)行映射紋理，對模型進(jìn)行渲染，如圖8所示。

圖8 渲染后“致遠(yuǎn)樓”模型

4 三維虛擬校園的構(gòu)建

本文以遼寧工程技術(shù)大學(xué)（中華路校區(qū)）為例，結(jié)合校園遙感影像圖和建筑物側(cè)面照片紋理數(shù)據(jù)，進(jìn)行了三維虛擬校園的構(gòu)建。

4．1 3D場景互動平臺構(gòu)建

將校園遙感影像文件復(fù)制到項目目錄下作為場景底圖，修改渲染函數(shù)，導(dǎo)入貼圖和材質(zhì)函數(shù)的相關(guān)代碼，進(jìn)行渲染。然后，修改鼠標(biāo)控制相關(guān)代碼，得到校園3 D場景互動平臺，如圖9所示。

圖9 校園3D場景互動平臺

4．2 校園三維模型導(dǎo)入

在3DSMax下，選擇具有普遍性、代表性以及真實場景的特殊性地物，完成典型地物要素的三維精確建模。主要包括：編輯地形、水泥地面及主要建筑物的導(dǎo)入、花壇的設(shè)計、草坪的渲染，并增加樹木、垃圾箱、路燈等地物，提高虛擬校園的視覺效果。部分效果如圖10所示。

5 結(jié)束語

本文基于C＃調(diào)用Direct X，輔以3DSMax實現(xiàn)了三維虛擬校園的構(gòu)建，包括三維場景的搭建；樓體元素的構(gòu)建及導(dǎo)入；樓體貼圖函數(shù)的運用及場景圖的渲染；其他實體模型構(gòu)建與導(dǎo)入；燈光及材質(zhì)代碼的編寫；攝像機(jī)位置設(shè)置等。用戶能夠通過鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備輸入相關(guān)消息，并可以對三維場景進(jìn)行多角度操作，真正實現(xiàn)了系統(tǒng)的用戶交互功能。此外，通過3DMAX軟件制作的模型場景，補(bǔ)償了Direct X的表現(xiàn)效果，完善了三維虛擬校園的元素細(xì)節(jié)，增加了真實感。

［1］ 肖澤云．基于Visual C＃的Direct X開發(fā)實例［M］．宜昌：三峽大學(xué)出版社，2010．

［2］ 吳昊．關(guān)于C＋＋BUILDER語言的Direct X開發(fā)問題的研究［J］．軟件導(dǎo)刊，2006，5（6）：67－69．

［3］ 李震宇．游戲開發(fā)之路——在C＋＋Builder中進(jìn)行Direct X編程［J］．電腦編程技巧與維護(hù)，2000，6（3）：72－86．

［4］ 馬萍．三維虛擬校園立體場景的設(shè)計與實現(xiàn)［D］．濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2013．

［5］ 孫明杰，韓超．用C＋＋6．0和Direct X實現(xiàn)太空射擊游戲引擎［J］．科技廣場，2006，18（5）：77－79．

［6］ 王建敏，王凱，孟凡帥．校園三維景觀設(shè)計與實現(xiàn)［J］，測繪工程，2011，20（3）：62－64．

［7］ 徐黎明．Visual C＋＋下Direct3D坐標(biāo)變換的實現(xiàn) ［J］．軟件導(dǎo)刊，2008，7（2）：77－79．

［8］ LAH SAU MENG，KELVIN．Design and Development of a Peer－to－Peer Online Multiplayer Game Using Direct X and C＃［A］．TENCON 2004 IEEE Region 10 Conference，Singapore，2004：278－281．

［9］ FENGHUA SHI．Visualization Modeling of Mine Road way based on Visual C＃［J］．Co mputer Society，2008，18（5）：271－275．