構(gòu)建三維數(shù)字校園的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

楊宇行

摘 要： 三維數(shù)字校園集成了信息化、數(shù)字化、可視化等多種技術(shù)，與傳統(tǒng)的二維數(shù)字校園相比，三維數(shù)字校園更能逼真的反應(yīng)現(xiàn)實場景。三維模型構(gòu)建是三維數(shù)字校園系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)要素，除此之外，紋理映射技術(shù)、三維全景技術(shù)、貼圖采集技術(shù)、貼圖烘焙技術(shù)也常用于該系統(tǒng)的構(gòu)建之中。對這些關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究，以期為三維數(shù)字校園的建設(shè)和推廣提供參考。

關(guān)鍵詞： 三維數(shù)字技術(shù)； 三維模型； 紋理映射； 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）09-24-02

Study on key technologies for construction of 3-D digital campus

Yang Yuxing

（Computer and Science Department， Yunyang Teachers' College， Shiyan， Hubei 442000， China）

Abstract： Three-dimensional digital campus integrates informationization， digitalization， visualization and other technologies， compared with the traditional two-dimensional digital campus， 3-D digital campus can be more realistically response to the reality scene. Three-dimensional modeling is the basis of 3-D digital campus system construction. In addition， texture mapping technology， 3-D panorama technology， textures acquisition technology and the render to texture is also commonly used in the construction of the system. In this paper， the key technologies are analyzed in order to provide a reference for the construction and promotion of three-dimensional digital campus.

Key words： 3-D digitalized technology； three-dimensional model； texture mapping； key technology

0 引言

三維數(shù)字校園又稱三維虛擬校園，指的是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、WebGIS技術(shù)構(gòu)建校園網(wǎng)絡(luò)拓撲，構(gòu)建校園三維模擬場景。在傳統(tǒng)方式下，校園的對外宣傳主要依靠文字呈現(xiàn)、圖片展示、視頻播放等方法實現(xiàn)，不能多角度、全方位和有針對性的體現(xiàn)校園特色?！皵?shù)字地球”、“數(shù)字城市”等三維數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)校的宣傳與交流提供了一種新型的表現(xiàn)形式。同時三維數(shù)字校園的建設(shè)也為學(xué)校的管理提供了方便，如虛擬現(xiàn)實技術(shù)為校園空間布局、環(huán)境治理、校園規(guī)劃提供了必要的輔助[1]。目前，國內(nèi)諸多學(xué)校已在或正在探索三維數(shù)字校園建設(shè)，已取得了相當(dāng)大的成果。因此，從技術(shù)層面上分析三維數(shù)字校園的建設(shè)，具有較大的現(xiàn)實意義。

1 三維模型構(gòu)建

中國實驗攝影測量組織研究表明，在三維模型中，超過90%的人對模型建筑很感興趣，60%的人對植物配置和交通設(shè)置感興趣，25%的人對公用設(shè)備如垃圾箱、電纜、電話亭等感興趣。鑒于此，在構(gòu)建三維數(shù)字校園模型時，應(yīng)堅持“此輕彼重”原則，突出建筑物在三維數(shù)字模型中的地位，繼而根據(jù)其他地物的形狀、大小、紋理、地理位置等數(shù)據(jù)建立虛擬的三維地物數(shù)據(jù)庫[2]。對于不同結(jié)構(gòu)類型的建筑物要采用不同的三維建模方式，如規(guī)則建筑物精度要求高，盡可能選擇近景測量建模技術(shù)或基于3dmax的人機交互建模技術(shù)，而對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物建模時不要求呈現(xiàn)具體細節(jié)，可采用三維激光掃描技術(shù)或點云建模技術(shù)。

對于垃圾桶、路燈、電話亭等規(guī)則物體建模時應(yīng)盡可能采用公告板技術(shù)。通過貼圖映射技術(shù)把帶有alpha通道的貼圖映射到模型之中，進而實現(xiàn)平面角度隨著觀看者的視線調(diào)整而旋轉(zhuǎn)，并確保觀察者視線始終與觀察平面呈線垂直狀態(tài)。對于花草、林木等一些需大量呈現(xiàn)的不規(guī)則物體，在建模時可采用Doubleboard技術(shù)，其流程是：首先選擇兩塊長寬一致的垂直平面作為建?；A(chǔ)，再分別在兩平面中映射alpha通道的紋理貼圖（紋理貼圖保持一致）。此種技術(shù)的優(yōu)點在于，用戶的視覺不會隨著距離的移動和角度的改變而發(fā)生變化，同時建構(gòu)技術(shù)要求低，不會對建構(gòu)模型造成太大的文件壓力。需要指出的是，在構(gòu)建模型階段需要不斷的對紋理圖像大小進行調(diào)試，涉及到這兩種技術(shù)時，要堅持保真原則，盡可能在不大幅度增加數(shù)據(jù)量的前提下采用場景調(diào)試的方式對其進行調(diào)節(jié)。

為了更為形象和真實地展示校園環(huán)境，還需以校園物像為中心設(shè)計大地、天空，以及較遠處河流、山脈的背景圖。每所校園中都會有一個主干道，利用SketchUp技術(shù)勾勒出主干道影像，以此為基線對其他物像進行鋪排，把各個空間中的場景有機地組織在一起，使之與遠處場景自然、協(xié)調(diào)地融為一體（見圖1）。

[校園平面圖（Shapefile）] [建筑物高度數(shù)據(jù)] [ArcMap] [SketchUp中生成初步模型][ESRI插件] [建筑物三維模型（skp）] [模型編輯] [建筑物三維模型（mdb）][轉(zhuǎn)換] [加載] [ArcScene平臺，執(zhí)行高級操作][建筑紋理]

圖1 三維模型構(gòu)建流程

2 紋理映射

紋理映射作為一種技術(shù)處理手段，可以清晰的表達出物體的圍觀細節(jié)，有助于強化物體的真實感和情景性。三維數(shù)字校園模型中設(shè)置的遠距離物體幾何模型復(fù)雜，利用近距離實地取景技術(shù)過于繁瑣，使用紋理映射可以把復(fù)雜建筑物的表象特征清晰勾勒出來[3]。一般來講，建筑物頂層物像構(gòu)建常應(yīng)用航空正影攝像技術(shù)，但有時航空正影攝像未拍攝到時，或出于節(jié)省建模資金考慮，可以使用相近的紋理代替；如果航拍只獲得了局部圖像，可考慮以局部圖像為基礎(chǔ)進行紋理映射，最后通過圖像處理軟件進行優(yōu)化處理，使之與局部圖像構(gòu)成一個協(xié)調(diào)的整體。三維數(shù)字校園構(gòu)建中，利用貼圖可以更為逼真的展示物體圖像，但缺點是貼圖文件會占用更多的網(wǎng)絡(luò)資源，繼而影響模型的顯示速度。利用紋理映射可對圖像進行重復(fù)和延展，且小紋理可以替代大紋理使用，既能保持圖像顯示效果，又不影響網(wǎng)絡(luò)顯示速度（見圖2）。需要指出的是，在模型材質(zhì)能夠逼真體現(xiàn)物體特征時，一般不采用紋理映射技術(shù)。

圖2 紋理映射前后效果對比

3 三維全景技術(shù)

三維全景是一種基于真實場景的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，指的是借助數(shù)碼相機對物體進行多角度拍攝，把多組照片拼接到一個全景之中，利用播放軟件進行三維空間展示的一種技術(shù)方式。從虛擬效果劃分，三維取景分成了球形360度取景和柱狀取景兩方面[4]。取景基本步驟如下：通過利用全景采集設(shè)備對物體圖像進行多角度的采集，再利用圖像處理軟件對采集的圖像進行拼接處理，最后利用全景漫游軟件對全景進行開發(fā)，實現(xiàn)三維全景視頻顯示、音頻播放、圖片淡入淡出、導(dǎo)航鏈接等功能（見圖3）。國外的一些高校在構(gòu)建數(shù)字校園時利用了oneshot技術(shù)，通過計算全景的矩形投影圖，對圖像進行拼接，繼而利用網(wǎng)絡(luò)軟件還原真實三維場景，實現(xiàn)了一次拍攝就能進行三維取景。

圖3 某學(xué)校三維全景效果圖

4 貼圖采集和處理

紋理貼圖一般是從互聯(lián)網(wǎng)中下載獲得或利用數(shù)碼相機拍攝而成，其質(zhì)量越高，占用內(nèi)存也就越大，模型的顯示速度也隨之降低，但如果不追求質(zhì)量又會導(dǎo)致模型的逼真度下降[5]。在具體選擇時，可以采用一些簡單的技術(shù)處理方式來平衡逼真度與質(zhì)量之間的矛盾，例如利用數(shù)碼相機拍攝貼圖時，保持相機沿著垂直方向旋轉(zhuǎn)可以減少圖像拼接的運算量，并為圖像的后期處理提供方面。利用貼圖處理軟件對紋理圖片進行處理時，應(yīng)堅持美觀真實和數(shù)據(jù)量小的原則，常用的處理軟件有Photoshop CS3、Adobe、gif movie gear、Ulead GIF Animator等，基本處理工作包含色彩調(diào)整、污點清除、對比度調(diào)節(jié)、鏤空裝飾、方位調(diào)節(jié)等。為了避免圖像渲染時紋理出現(xiàn)不規(guī)則變化，在利用處理軟件時應(yīng)先把一些圖片處理成無縫平鋪的貼圖（分辨率與像素視模型要求而定），而后對紋理文件進行格式轉(zhuǎn)換，一般轉(zhuǎn)換為壓縮率高的png格式。

5 貼圖烘焙

門框、窗戶、玻璃和欄桿盡量不參加烘焙，特殊要求下應(yīng)分類附加防止重名。需要烘焙的物體要明確顯示，以利于3DMAX計算光影效果。貼圖尺寸規(guī)格使用2的n次方，通常情形下，為了追求紋理的清晰度常提高烘焙尺寸，但隨著烘焙尺寸的增加，貼圖占用內(nèi)存空間也會增大。以一張521尺寸的烘焙貼圖為例，需要耗費0.35M的顯存。因此，在滿足圖像清晰展示的前提下應(yīng)盡可能的控制烘焙貼圖尺寸，一般而言，大型建筑物烘焙貼圖尺寸選擇1024×1024可滿足需要，一般建筑物貼圖烘焙尺寸只需其一半即可，而小型物體的烘焙尺寸應(yīng)盡量不超過128×128。

6 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展，以及智能跨平臺終端的普及，為三維數(shù)字校園的建設(shè)提供了強大的技術(shù)支持。通過信息化的管理手段，三維數(shù)字校園系統(tǒng)能夠不僅僅局限于學(xué)校形象的展示，還將與學(xué)校的科研、管理、教學(xué)等充分融合，這對提高我國教育的發(fā)展無疑具有重要的意義[6]。因而，認真分析三維數(shù)字校園的關(guān)鍵技術(shù)，促進三維數(shù)字校園系統(tǒng)的建設(shè)，也就成了教育工作者和科研工作者面臨的重要任務(wù)。

參考文獻：

[1] 李芳，肖洪，楊波等.三維數(shù)字校園的設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2013.1：71-75

[2] 胡瑩.三維建模流程的優(yōu)化和簡化[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2014.2：90-94

[3] 毛學(xué)剛，李明澤，范文義.三維虛擬校園的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪信息與工程，2013.33（1）：47-48

[4] 馮建平，吳麗華.基于全景圖像的三維全景漫游系統(tǒng)的構(gòu)建[J].計算機與數(shù)字工程，2013.1：83-89

[5] 王勇杰，岳云康.三維紋理圖像特征準(zhǔn)確識別技術(shù)仿真研究[J].計算機仿真，2012.5：23-26

[6] 陳竹安，張立亭.三維校園地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2006.12（1）：76-78