三維數(shù)字校園的實現(xiàn)方法研究

夏小棠

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

三維數(shù)字校園的實現(xiàn)方法研究

夏小棠

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計方法主要是通過數(shù)據(jù)收集、模型建立和系統(tǒng)設(shè)計三個步驟完成三維數(shù)字校園的實現(xiàn)。每個步驟都提供了不同的方法，這些方法既可以獨立使用，也可以一起使用。本文便針對三維數(shù)字校園的實現(xiàn)方法展開幾點論述。

三維數(shù)字校園；實現(xiàn)方法

一、三維數(shù)字校園

1.建模平臺。

三維建模的方法主要有：

①直接利用傳統(tǒng)GIS中的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的高度屬性進行三維建模，各建筑物表面可加上相應(yīng)的紋理，但這種方法只限于平頂建筑物的三維建模。②使用3D 軟件，如AutoCAD、3DMAX可直接做出逼真的三維模型，特別是對于那些不規(guī)則的建筑物（如路燈、涼亭、塔型建筑物等）效果較好。③利用數(shù)字攝影測量技術(shù)進行三維建模，但采用這種方法過程較復(fù)雜，成本高，逼真度不好。

2.開發(fā)平臺。

①以Unity3D為虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺。Unity是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。②VR-Platform（簡稱VRP）三維互動仿真平臺。深圳中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的一款三維虛擬現(xiàn)實平臺。

二、三維校園的實現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)收集。三維模型所涉及的數(shù)據(jù)包括數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)、三維模型尺寸數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)。

數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)可以使用KML語言建模。KML（匙孔標記語言）是在Google earth中表示地理信息的一種基于XML語法的標簽式語言，它能夠描述多種具有地理信息的原始要素，如點、線、多邊形、幾何體。使用KML的元素能通過定義幾何體中的各個點的地理坐標和海拔高度，從而生成模型。還能通過校園總平面圖、建筑圖紙及全校航拍圖來獲得數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)。

三維模型尺寸數(shù)據(jù)能通過激光掃描技術(shù)獲取，該技術(shù)可通過在空中以較大的傾斜度用激光掃描城市，快速獲得城市建筑物和地形的三維點云數(shù)據(jù)； 通過特定的軟件，快速建立城市地面模型，根據(jù)所獲得的建筑物的特征點快速構(gòu)建三維建筑物, 如果同時獲得影像，還可以解決建筑物的紋理問題，大大提高構(gòu)建三維建筑物的速度和精細度。但該技術(shù)目前存在模擬精細度不高、側(cè)面紋理難以全面獲取及應(yīng)用領(lǐng)域窄、成本高等缺點。也能通過建筑圖紙獲得建筑尺寸。

紋理數(shù)據(jù)來自實地拍攝照片和紋理數(shù)據(jù)庫。紋理對于增加虛擬世界的真實感有至關(guān)重要的作用，可以彌補細節(jié)的不足。

2.模型建立。

在數(shù)據(jù)收集便能通過建模平臺進行初步三維模型建立。

使用KML的「Polygon」元素及其子元素能通過定義幾何體中的各個點的地理坐標和海拔高度，從而生成地形模型。KML的「href」元素能調(diào)用網(wǎng)絡(luò)路徑下的圖片文件，可為通過KML定義的模型添加紋理圖片。

建筑建模一般通過三維建模軟件進行建模。比如SketchUp，3D Max等。

SketchUp軟件建模的方法是，首先按建筑物的二維底圖在SketchUp中勾勒出底面，再通過激光掃描技術(shù)獲取的建筑尺寸數(shù)據(jù)獲取建筑高度，將面沿豎直方向按建筑物的高度向上拉伸，從而得到最粗略等級的建筑物模型，然后結(jié)合激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)在此基礎(chǔ)上進行細化編輯。

3DMax軟件建模相比于SketchUp軟件建模精細度上更加優(yōu)秀，但是工作量也相對的有增加。將校園平面圖通過AutoCAD轉(zhuǎn)化為dwg格式的電子平面底圖，將得到的底圖導(dǎo)入3D Max中進行三維建模，同時做好模型整合與場景優(yōu)化處理。然后再添加校園綠化。

模型建立后，可以相應(yīng)的軟件中進行紋理貼圖。使用Photoshop處理實地拍攝的照片，把照片制作成貼圖進入SketchUp或3D Max中對模型進行紋理映射，為了解決場景運行效率，可以對貼圖進行不同等級的細分，為引擎平臺提供不同的選擇。

之后能通過三維建模軟件將地形模型和校園各個建筑模型進行整合并且優(yōu)化后可以進行導(dǎo)出。

3.系統(tǒng)設(shè)計。

（1）Unity3d平臺。Unity3D平臺雖然是一個專業(yè)的游戲引擎，但是在建筑可視化、實時三維動畫等互動內(nèi)容領(lǐng)域同樣有著廣闊的應(yīng)用開發(fā)前景，同時也具備著獨有的核心優(yōu)勢——跨平臺，無客戶端，交互性，強大腳本，高速渲染（能支撐比較精細的貼圖），大型場景支持（能支撐龐大的校園范圍），在線控制（能提供實時更新模型）等。

但是Unity3D引擎對模型的要求有嚴格的限制。三維數(shù)字模型所包含的基本內(nèi)容，如場景尺寸、單位，模型歸類命名，紋理坐標、紋理尺寸等必須符合制作規(guī)范。（因此3D Max的模型更符合Unity3D的需求。）

把通過3D Max構(gòu)建好的數(shù)字校園模型導(dǎo)出成.Fbx格式，然后再導(dǎo)入到Unity3D平臺中，根據(jù)平臺提供的交互行為模塊進行交互設(shè)置。主要交互方式有：自主漫游方式下的攝像機控制、路徑選擇下的攝像機控制、碰撞檢測、上樓爬坡功能、環(huán)境燈光、環(huán)境天氣氣氛渲染等。除此之外還能根據(jù)不同的功能要求進行程序腳本的編寫。還能進行UI設(shè)計來豐富交互體驗。

（2）VR-Platform平臺。VR-Platform（VRP）是中視典數(shù)字科技研發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件平臺。

將SketchUp或3D Max處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入VRP軟件中，編輯場景材質(zhì)，優(yōu)化場景貼圖；然后創(chuàng)建行走相機和飛行相機，設(shè)計漫游路線，以第一人稱的視角來游覽整個虛擬（VR）場景?？紤]到一些「穿墻而過」這類違背現(xiàn)實的情況，以及實現(xiàn)上樓和爬坡等功能，需要設(shè)置重力效應(yīng)和碰撞檢測。為環(huán)境添加場景特效。同樣可以進行UI設(shè)計，實現(xiàn)根據(jù)用戶的意愿來全方位、多視角、多方式的瀏覽校園場景，實現(xiàn)查詢定位、信息查詢等交互性操作。

本文闡述了三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計方法與實現(xiàn)手段。通過數(shù)據(jù)收集、模型建立和系統(tǒng)設(shè)計三個步驟完成三維數(shù)字校園的實現(xiàn)。每個步驟提供了不同的方法，這些方法既可以獨立使用，也可以一起使用提高效率。最后制作的三維數(shù)字校園平臺能夠表現(xiàn)極具真實感和沉浸感展示校園場景和大量屬性信息，讓用戶產(chǎn)生身臨其境的震撼。

[1]李闖 朱靜.基于Google SketchUp的虛擬校園三維建模.《吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報》 2012.05.

[2]舒中義.基于Unity3d 技術(shù)的三維數(shù)字校園系統(tǒng)研究.《科協(xié)論壇》，2012(12).

[3]李芳,肖洪,楊波,周亮,劉宇鵬.三維數(shù)字校園的設(shè)計與實現(xiàn).《系統(tǒng)仿真技術(shù)》,2010(1).

TP393

A

1671-864X（2015）12-0196-01