基于SketchUp虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字校園漫游設計與實現(xiàn)

黃檢文（萍鄉(xiāng)學院 江西萍鄉(xiāng) 337000）

基于SketchUp虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字校園漫游設計與實現(xiàn)

黃檢文（萍鄉(xiāng)學院 江西萍鄉(xiāng) 337000）

本文以萍鄉(xiāng)學院數(shù)字化校園場景漫游的制作為例，介紹了三維建模軟件SketchUp在基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字化校園場景漫游制作方面的特點和功能，提出了虛擬現(xiàn)實技術數(shù)字化校園漫游設計與制作的一般過程，并從實現(xiàn)技術和方法等方面進行闡述，為SketchUp學習愛好者提供積極幫助與參考。

虛擬現(xiàn)實；數(shù)字化校園漫游；SketchUp；萍鄉(xiāng)學院

當今信息化時代，計算機技術的快速發(fā)展，與之相關的數(shù)字媒體技術、三維虛擬現(xiàn)實等各類數(shù)字信息技術也迅猛發(fā)展，實體的虛擬化和管理的信息化已經成為當前社會各領域的重要數(shù)字技術應用。數(shù)字化辦公、網上博物館參觀、數(shù)字城市社區(qū)管理等，讓人們意識到虛擬現(xiàn)實技術的廣闊發(fā)展空間和巨大開發(fā)價值，由此世界各發(fā)達國家都著力于重點開發(fā)研究這一數(shù)字技術領域。我國的虛擬現(xiàn)實技術研究發(fā)展較晚，但是國內各地區(qū)也正在積極倡導和開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術相關的應用領域，如建設智慧城市、數(shù)字校園、數(shù)字社區(qū)、數(shù)字博物館與數(shù)字景區(qū)等，逐步深度的與互聯(lián)網技術完美融合，確實展現(xiàn)“互聯(lián)網+”帶來的方便與快捷。高校作為新技術、新知識的學習和開發(fā)應用前沿，數(shù)字校園的開發(fā)或者三維虛擬校園的建設是目前國內許多高等院校正在努力或者已經應用的重要工程。三維虛擬校園的逼真數(shù)字視覺場景環(huán)境，可以將真實的校園場景全方位、立體化的展現(xiàn)在大眾面前，從而讓三維虛擬校園在高校面向考生及家長進行校園環(huán)境的招生宣傳、面向入學新生和早已畢業(yè)校友以及游客的校園環(huán)境導航、面向師生員工的數(shù)字化信息管理等方面都發(fā)揮著重要的作用。本文以贛西地方高校萍鄉(xiāng)學院數(shù)字校園漫游為例，綜合分析基于虛擬現(xiàn)實技術的SketchUp三維建模軟件在數(shù)字校園漫游設計與實現(xiàn)中的應用。

一、三維建模軟件SketchUp介紹

當前，設計界常用的三維建模軟件主要有：SketchUp、3dsMax、AutoCAD、Maya、XSI，ZBrush等。SketchUp軟件功能和操作簡單、模型通用性好、模型較小、建模周期短、可以快速大批量精細建模；3dsMax軟件功能和操作復雜、模型通用性好、模型數(shù)據量大、建模周期較長、渲染效果好；AutoCAD軟件功能和操作性一般、模型精細度差、模型數(shù)據量一般、模型通用性差、模型搭建時間一般；Softimage公司的XSI一款超強的動畫設計與影視特效軟件，它具有強大的動畫能力和優(yōu)異的模型制作水平，模型搭建精細周期長、操作性復雜以及通用性差；ZBrush 是一個數(shù)字雕刻和繪畫軟件。通過這些主流的三維建模軟件的實用性、普適性、軟件功能側重點、模型搭建周期等方面的比較分析得出，各模型搭建軟件各有優(yōu)劣長短，各有其擅長和弱化的方面。在實際工程項目模型搭建過程中，可以根據項目實際和客戶預算與需求來權衡考慮選擇。

SketchUp（中文名為：草圖大師）是由成立于2000年的@Last Software公司開發(fā)，公司規(guī)模不大，卻以SketchUp聞名。2006年該公司被互聯(lián)網巨頭Google公司收購，故現(xiàn)稱為Google SketchUp。Google SketchUp是一套直接面向設計方案創(chuàng)作過程的設計工具，利用其進行創(chuàng)作不僅能夠充分表達設計師的意思，而且能完全滿足設計師與客戶即時交流的需要。它讓設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構思，是三維建筑設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。在SketchUp中建立三維模型就像使用鉛筆作圖一樣，Sketch Up本身能自動識別這些線條，并加以自動捕捉。它的建模流程簡單，即：畫線成面，然后擠壓成型，這也是建筑建模中最常用的拉伸建模法。[1]

SketchUp是一款非常受歡迎并且易于使用的3D設計軟件，有電子設計中的“鉛筆”美譽之稱，可見該軟件的使用簡便，容易上手，圖形設計者只需創(chuàng)作中完美展現(xiàn)圖形作品創(chuàng)意而無須過多考慮軟件使用技巧。它是以直觀面對作品方案設計創(chuàng)作的圖形設計工具，設計者的創(chuàng)意思維首先可以在創(chuàng)作過程中完美呈現(xiàn)，其次也可以充分實現(xiàn)與客戶隨時溝通的需要，它極大的方便了設計者直接計算機軟件上開展建模設計構思的直觀性與即時性，是數(shù)字校園漫游設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。根據數(shù)字校園三維模型搭建的項目特點，我們可以分析出SketchUp軟件可以建筑、園林、景觀等多個方面應用的適用范圍廣闊特性；它同時具有界面直觀性，綜合虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字校園漫游三維建模的應用特性，我們簡要對SketchUp的長處情況進行歸納概括：它具有軟件適用范圍廣；軟件界面簡潔明了；其自帶建筑項目中的各類素材組件和紋理邊線的材質庫，有不同模式下的顯示，如三維模型的草稿、透視、渲染等各式顯示效果展現(xiàn)，方便設計者直觀設計創(chuàng)作；軟件演示視頻動畫功能的操作簡便，同樣讓設計者可以很好的進行工程項目的展示動畫制作，也可以在文化類等其它動畫作品設計或創(chuàng)作中使用SketchUp軟件的視頻動畫功能進行動畫場景模型的構思與草圖創(chuàng)作。

從以上幾款常用三維圖形軟件的比較和SketchUp軟件的長處介紹，SketchUp可以作為虛擬現(xiàn)實技術中數(shù)字校園漫游設計與制作的首選軟件，進行項目開展。

二、虛擬現(xiàn)實技術數(shù)字校園漫游設計與制作的一般過程

數(shù)字校園漫游場景一般包括校園道路環(huán)境、教學生活建筑場所、體育活動場、校園景觀環(huán)境空間等基本構成元素，其中校園道路環(huán)境是數(shù)字校園漫游設計與制作的主體，建筑漫游圍繞著校園道路的進深而展開制作，一般又包括學校主道、輔道、連接教學與生活的各校園脈絡支流道路；數(shù)字校園漫游場景中的另外一個重點就是校園建筑場所，主要涵蓋了學校的教學與實驗辦公場地、圖書資料場館、餐飲消費場所、教職工居住休息樓宇、學生公寓、師生活動中心、校園創(chuàng)意孵化中心等。從數(shù)字校園漫游建模對象的種類和數(shù)量上來分析，虛擬現(xiàn)實技術下的數(shù)字化校園漫游環(huán)境空間表現(xiàn)是較為繁瑣的項目工程，為了此項目的流程進展順暢，項目開展前的籌劃設計必須提前做好，筆者計劃從數(shù)學校園漫游制作的前段項目素材資料整理與分析、中段校園空間環(huán)境三維數(shù)字化模型的搭建與整合、尾段項目整體三維可視化效果的實現(xiàn)與完善三個方面來進行項目制作。

三、萍鄉(xiāng)學院校園環(huán)境空間的三維數(shù)字化虛擬漫游創(chuàng)作與實現(xiàn)

1.校園環(huán)境空間三維數(shù)字化虛擬漫游實現(xiàn)的軟、硬件需求

校園環(huán)境空間三維數(shù)字化虛擬漫游創(chuàng)作與實現(xiàn)流程中核心使用SketchUp數(shù)字三維建模軟件，同時配合3DMAX軟件輔助建模、Photoshop模型貼圖材質軟件操作、音視頻后期處理軟件Premiere或大洋ME的虛擬漫游動畫后期合成制作完善。硬件方面配備一臺的高清像素的單反帶廣角鏡頭的數(shù)碼相機，一臺配置好的主機電腦（i5 4590四核3.3GHz/6，60G固態(tài)+1TB機械硬盤，顯卡GTX960OC 4G D5，內存8G DDR3 1600，3D滾輪鼠標等），采用Win XP或Win 8應用平臺，安裝SketchUp8.0及3DMAX2014三維建模繪制軟件，視頻剪輯與合成軟件使用Premiere Pro CS4、Afiereffects8.0，材質貼圖處理軟件采用Photoshop CS4.

2.萍鄉(xiāng)學院校園環(huán)境空間三維數(shù)字化漫游系統(tǒng)設計

萍鄉(xiāng)學院坐落在湘贛交界的“贛西明珠”、“工運搖籃”萍鄉(xiāng)市安源新區(qū)。萍鄉(xiāng)學院辦學始于1941年創(chuàng)辦的省立萍鄉(xiāng)師范學校，1949年更名為萍鄉(xiāng)師范學校，1982年成立萍鄉(xiāng)教育學院，1993年更名為萍鄉(xiāng)高等?？茖W校，2013年經教育部和江西省人民政府批準升格為全日制公辦普通本科院校萍鄉(xiāng)學院。本文是以萍鄉(xiāng)學院校園環(huán)境空間為設計對象進行虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字化校園漫游制作。

萍鄉(xiāng)學院校園環(huán)境主要包括教學與實驗大樓和師生宿舍建筑物、田徑運動場、室外籃球場、校園雕塑人文景觀、車道人行線路、景觀植物帶等。學院環(huán)境空間核心為校園建筑物，主要由學院鼎新樓、格致樓、圖書館、音樂廳、藝術樓、跬步樓、英華樓、多維樓、學生宿舍、教職工家屬樓、學生食堂等十多棟校園建筑構成學院校園環(huán)境空間主體；除了上述學院建筑樓宇之外，還有校園車道人行線路、景觀植物帶、田徑場、 東西校門、文廷式小廣場、毛澤東去安源雕塑升旗廣場、校園導示牌等；這樣也構成和豐富了學院校園環(huán)境空間效果，成為虛擬數(shù)字校園的核心組成部分，進一步豐富了學院校園數(shù)字漫游動畫的場景層次感和空間真實感。

（1）校園環(huán)境資料收集

數(shù)字校園資料收集主要是把校園各教學與實驗大樓、師生宿舍、學生食堂、田徑場、校園車道人行線路以及文廷式雕塑等人文景觀物件外形、尺寸大小等數(shù)據收集與整理。校園規(guī)劃的整體平面CAD圖紙和單棟建筑及校園雕塑的具體數(shù)據信息可以去基建等相關后勤部門或學校發(fā)展展示館詳細查閱；如果有些數(shù)據信息不夠清楚或者因為校園發(fā)展與材料搬遷過程中丟失不祥的情況，則可以通過組織項目人員直接用標尺和測位儀器對需要掌握數(shù)據的校園建筑或者景觀進行丈量，從而得到數(shù)字校園漫游制作所需的參數(shù)數(shù)據。再利用百度地圖、高德地圖或者谷歌地球等數(shù)字地圖系統(tǒng)工具搜索到萍鄉(xiāng)學院校園整體環(huán)境數(shù)字圖形，選擇符合項目尺寸的比例抓取平面效果圖數(shù)據，把從各方面收集的數(shù)據參數(shù)進行整合分析最后得到相對準確的數(shù)據信息。再通過數(shù)碼相機直接拍攝獲得學院校園環(huán)境景觀實景圖形數(shù)據資料，用于后續(xù)軟件三維模型搭建參照圖和場景后期貼圖材質使用。材質貼圖的校園素材圖片要選擇好場景角度和環(huán)境光影效果，光影要均勻，相機鏡頭和被拍建筑景觀面垂直，同時拍攝建筑景觀的全景圖片作為該對象建模的完整參照圖。拍攝所得的校園景觀圖片可能會有大小、光線、角度、分辨率、格式等方面的細節(jié)問題，可以通過數(shù)字圖形處理軟件Photoshop進行必要的處理完善，從而得到符合數(shù)字校園漫游制作所需的貼圖材質。

（2）數(shù)字校園三維模型的搭建及方法

數(shù)字校園三維模型首先可以按照校園景別的不同進行模型區(qū)塊劃分，如萍鄉(xiāng)學院西校門區(qū)域校園景別主要包括西校門、鼎新樓、格致樓、圖書館、學術交流中心以及道路花壇等物體，然后根據不同模型區(qū)塊分別進行場景模型的制作，可以減少因為所需項目模型同時搭建過多、數(shù)據超載而導致軟件運行緩慢或者直接死機崩潰的項目制作麻煩，同時模型區(qū)塊的分別制作也有助于項目工作效率的提高、速度加快。數(shù)字校園模型搭建過程中首先確立校園每個不同區(qū)域的空間場景作為一個個單獨對象進行分別建模與貼圖。根據之前Sketchup中調入的包括校園道路、操場、花壇水池的校園場景信息的平面圖，進行逐個制作與貼圖，并加以渲染。最后再根據校園實際效果進行位置的擺放與整合。

三維模型搭建時，群組和組件兩個命令的正確使用可以加快模型建模速度，從而提高工作效率。萍鄉(xiāng)學院圖書館是此次數(shù)字化校園漫游虛擬現(xiàn)實場景中的地標性場景，下面以圖書館為例，來說明三維建模的制作過程及制作技巧。

首先利用通過校園CAD圖紙或者谷歌地球捕捉的俯視圖作為繪制圖書館底圖。然后使用推拉工具根據實際高度將地底圖進行拉伸，再將一條垂直邊線拆分成六等份，將圖書館樓分為六層；再用線條工具將等分點捕捉并結合Ctrl鍵和輸入5X就可以把圖書館大樓分為六層。然后進行圖書館的外墻面制作，外墻面主要是門框和窗戶，可以先在草稿區(qū)繪制好門窗構件，移動到館墻外部立面，定位外墻表面粘貼，位置合適調整及尺寸大小設置，再使用移動工具選中窗戶組件用上述方法將各樓層窗戶繪制好。整個圖書館建模完成之后，可以進行渲染和通過軟件自帶的材質進行貼圖，或者網絡下載合適材質進行貼圖，亦可以通過自拍的圖片照片，經過Photoshop軟件處理后，獲得較好些的真實場景材質逼真效果。

接下來把之前通過SketchUp軟件繪制好的校園車道人行線路、植物景觀、人文雕塑小品、亭臺等場景模型分組拆解打散，布置于其空間合適位置并進行組合調整。通過此類數(shù)字校園配套模型的組合調整，搭建起來了數(shù)字校園漫游系統(tǒng)中的場景空間重要組成部件，從而使共享和協(xié)同信息系統(tǒng)資源之間的各項命令暢通，最終實現(xiàn)萍鄉(xiāng)學院的數(shù)字校園漫游系統(tǒng)。

最后實現(xiàn)萍鄉(xiāng)學院三維虛擬數(shù)字校園場景可視化或漫游系統(tǒng)，首先可以是基于網絡開放共享系統(tǒng)的谷歌地球（Google Earth）上面的命令程序操作實現(xiàn)萍鄉(xiāng)學院數(shù)字化校園的在線可視化；其次可以通過三維軟件自帶的動畫程序及相關命令生成數(shù)字化校園漫游三維動畫，再經過非線性編輯軟件的后期剪輯與合成，使萍鄉(xiāng)學院數(shù)字校園以動畫視頻的方式在網絡和視音頻媒體進行數(shù)學化展示或傳播。

四、結語

本文基于Google SketchUp 搭建了萍鄉(xiāng)學院數(shù)字校園虛擬漫游系統(tǒng)，概述了數(shù)字校園漫游場景模型的項目制作手段和進展程序，然后通過谷歌地球（Google Earth）網絡共享系統(tǒng)平臺和數(shù)字校園動畫漫游再現(xiàn)。本項目制作初步實現(xiàn)了數(shù)字校園漫游的基本效果，今后將從虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)研究，逐步探索數(shù)字化校園信息查詢、方向定位、動態(tài)與交互等方面功能，讓其更好的為學校招生就業(yè)宣傳、校友資源拓展、校園規(guī)劃建設以及提高教育教學質量和科研管理水平等多方面服務，真正成為我院一個重要的開放、共享與交流的數(shù)字化校園生態(tài)平臺。

[1]呼延玲、劉斌、阿布力肯.基于SketchUp的三維虛擬校園景觀制作[J].軟件導刊，2013,01：65

[2]汪娟娟、康玲.虛擬現(xiàn)實在數(shù)字校園中的應用[J].計算機仿真，2003,20（6）

[3]2+1創(chuàng)維視界、張紅霞.中文版Google SketchUp Pro8.0實用教程[M].北京：人民郵電出版社.2013

[4]張恒國.SketchUp建筑草圖設計[M].北京：人民郵電出版社.2010

[5]童滋雨.SketchUp建筑建模詳解教程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2007

[6]萍鄉(xiāng)學院簡介[EB/OL]. http://www.pxc.jx.cn/admin/lmnrgl/ content1.htm. 2016.9

10.19312/j.cnki.61-1499/c.2016.12.064

黃檢文（1980--）男，江西宜春人，講師，碩士，研究方向：數(shù)字媒體技術、圖形圖像。

萍鄉(xiāng)市指導性科技計劃項目課題2014NS078；萍鄉(xiāng)學院校級課題11PXKY-11