構(gòu)建三維虛擬校園模型關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

曾雪松，呂　爭

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，河南信陽464000）

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構(gòu)建三維虛擬校園模型關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

曾雪松，呂爭

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，河南信陽464000）

［摘要］與二維數(shù)字校園相比，三維虛擬校園因其集成了數(shù)字化、可視化、信息化等多種技術(shù)而更能逼真形象地反映校園實景。本文主要分析研究了構(gòu)建三維虛擬校園的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，如三維模型建模技術(shù)、三維全景技術(shù)、紋理映射技術(shù)和貼圖烘焙處理技術(shù)等，旨在為三維虛擬校園模型創(chuàng)建和開發(fā)提供理論依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］三維虛擬校園；三維全景技術(shù)；紋理映射；貼圖烘焙

三維虛擬校園也稱三維仿真校園，是利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、地理信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等來構(gòu)建校園三維立體的模擬場景圖和配有交互功能的數(shù)字化平臺。一方面，它是學(xué)校對外宣傳與交流的一種全新開放窗口，使用這個窗口，學(xué)生和家長可以從圖文并茂、有聲有色和全方位多角度的校園特色展示中有針對性地觀察和了解學(xué)校。另一方面，使用三維仿真技術(shù)能使校園實物景觀數(shù)字化，更加直觀地展示校園空間布局，從而可為學(xué)校在景觀設(shè)計和整體規(guī)劃方面提供必要的參考。因此，從應(yīng)用前景和技術(shù)實用方面來講，研究三維數(shù)字化校園建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。

一、三維模型建模技術(shù)

校園模型主要以建筑物為主，其次是校園景觀，地形地貌。用戶最關(guān)心的往往不是校園景觀，而是校園建筑和校園建筑所能承載的文化內(nèi)涵。因此，在三維虛擬校園構(gòu)建時，應(yīng)該突出校園建筑物，針對不同的建筑物采用不同的建模技術(shù)。如要求精度高的規(guī)則建筑物，可采用基于3DS max和autoCAD結(jié)合的人機交互技術(shù)來實現(xiàn)，而對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又不需要展示細(xì)節(jié)的建筑物，則可以采用點云建模或三維激光掃描技術(shù)解決。

另外，公告板技術(shù)和透明十字交叉貼圖技術(shù)能夠很好地解決三維虛擬校園景觀建模。如校園路燈、垃圾桶、警亭等規(guī)則物體建模盡可能采用公告板技術(shù)，通過貼圖把帶有Alpha通道的圖片映射到模型中，保證觀察者視角與觀察平面呈垂直狀態(tài)，實現(xiàn)視覺正面效應(yīng)。對于校園樹木、花草等一系列大量不規(guī)則景觀，則采用透明十字交叉貼圖技術(shù)，即選擇兩塊長寬一樣的互相垂直平面作為基面，然后將Alpha通道紋理貼圖映射到基面上，形成一個立體感視覺模型圖像，如圖1所示。在紋理貼圖圖像進行調(diào)試時，要盡可能地注意圖像保真，直到一個令人滿意的量度為止。為實現(xiàn)校園環(huán)境真實的再現(xiàn)與烘托，還需要以校園建筑和景觀為中心設(shè)計大地、天空、山脈、河流等背景。每一個學(xué)校都有一個中心線，可以利用SketchUp軟件來對其他場景進行有效組織和編排，最終形成一個遠近和諧、自然真實的三維虛擬校園模型。

二、三維全景技術(shù)

借助數(shù)碼相機對物體進行多角度、多方位的拍攝，拍攝一組原始照片，如圖2所示，然后把多張照片拼接到一張合成的全景圖，如圖3所示，利用專業(yè)播放軟件進行三維空間展示的一種基于真實場景的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，稱之為三維全景技術(shù)。使用這種技術(shù)可以更加真實地增強立體感，更好地展示空間物景效果。國外一些科研機構(gòu)和高校在使用三維全景技術(shù)時，采用一種叫做ONESHOT技術(shù)方法，實現(xiàn)了一次拍攝取景，即通過對全景矩形投影圖的計算，然后對圖像進行詳細(xì)拼接，最后使用網(wǎng)絡(luò)軟件真實還原三維場景。在我們國家，大多三維全景取景方法采用球形取景或柱狀取景。這種方法簡易可行，通過全景數(shù)碼相機對物體圖像進行多角度的拍攝，把采集到的圖像使用Photoshop專業(yè)軟件進行完整拼接，最后使用全景漫游軟件對全景進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)三維全景視頻顯示動態(tài)效果，如圖像淡入淡出、音頻播放、導(dǎo)航鏈接等。

三、紋理映射技術(shù)

圖1　透明貼圖法建模原理

圖2　拍攝原始照片一組

圖3　合成的全景圖

紋理映射技術(shù)是一種有助于強化物體的真實感和情景性，能夠清晰地表達出物體景觀細(xì)節(jié)的處理方法。在三維虛擬校園模型中，利用近距離實地取景技術(shù)過于繁瑣，設(shè)置的遠距離物體幾何模型相當(dāng)復(fù)雜，采用紋理映射技術(shù)則可以化繁為簡，復(fù)雜建筑物的表象特征可以用高清圖片清晰勾畫出來。紋理貼圖映射的建筑實例如圖4所示。在進行物像采集時，可以分類處理，如建筑物頂層圖像常應(yīng)用航空正影攝像技術(shù)拍攝，但在航拍時，可能會出現(xiàn)拍漏、少拍或不清的，則可以采用相近的紋理替代，或通過Photoshoop軟件進行局部優(yōu)化處理，最終形成一個協(xié)調(diào)的整體。

貼圖技術(shù)能夠很好地、逼真地展示三維虛擬校園場景，但因為貼圖文件會占用很多網(wǎng)絡(luò)資源，導(dǎo)致模型的顯示速度頗受影響。因此，在處理紋理貼圖時，要盡可能使用小紋理圖像，避免大紋理圖像使用，這樣大大提高了圖像顯示效果，減少了三維模型渲染輸出時數(shù)據(jù)的讀取時間。

圖4　紋理貼圖映射效果圖

四、貼圖烘焙處理技術(shù)

簡單地說，貼圖烘焙技術(shù)就是先把光照信息渲染成貼圖的方式，然后把烘焙后的貼圖再貼回原場景中去的方法。光照信息變成了貼圖，增強了模型的真實感和亮度，不需要CPU再去費時計算，提高了場景渲染速度。

貼圖通常由高清數(shù)碼相機拍攝獲得，圖片清晰度越高，圖片占用內(nèi)存越大，模型的渲染耗時長，顯示速度就明顯降低，因此，處理貼圖需要兼顧考慮質(zhì)量和速度二者的矛盾。為了解決這個難題，可以首先從基礎(chǔ)工作做起，當(dāng)拍攝貼圖時，盡可能使用相機沿著垂直方向旋轉(zhuǎn)拍攝，從而減少后期圖像拼接運算量；同時，利用PhotoshopCS6，Gif movie gear等常用軟件對圖像進行污點清除、對比度調(diào)節(jié)、方位調(diào)節(jié)、色彩調(diào)整、鏤空裝飾等，進而形成一張無縫平鋪的貼圖，并存儲為壓縮率高的JPG或PNG格式。

另外，不需要使用貼圖烘焙的門框、窗戶、玻璃和欄桿，盡量不用烘焙；需要使用烘焙的物體貼圖遵循滿足圖像清晰展示的前提下，應(yīng)盡可能地控制烘焙貼圖尺寸大小，尺寸規(guī)格使用2的n次方規(guī)劃。據(jù)相關(guān)資料論證，小型物體的貼圖烘焙尺寸應(yīng)盡量不超過128×128，一般建筑物貼圖烘焙尺寸只需512×512即可，大型建筑物烘焙貼圖尺寸選擇1024×1024就好。通過上述兩種方法，就可以大大提高貼圖質(zhì)量，也不明顯降低模型顯示速度。

隨著智能跨平臺終端設(shè)備的廣泛應(yīng)用，以及四網(wǎng)融合技術(shù)的進一步發(fā)展，梳理和研究三維虛擬校園模型建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)具有實用價值，三維數(shù)字化仿真校園開發(fā)也將成為新時代全真虛擬技術(shù)的一個典型應(yīng)用。高清、逼真的三維數(shù)字化仿真校園將承擔(dān)的不僅僅是學(xué)校形象展示的功能，還將整合學(xué)校教學(xué)、學(xué)術(shù)科研以及相關(guān)業(yè)務(wù)查詢等功能，必將推動校園數(shù)字化平臺的進一步發(fā)展。

參考文獻∶

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［中圖分類號］TP

［文獻標(biāo)識碼］A

［文章編號］1673- 0046（2016）4- 0173- 02