三維虛擬校園漫游設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

于浩海 鄒治偉

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院 武漢：430080)

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三維虛擬校園漫游設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

于浩海 鄒治偉

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院 武漢：430080)

以武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院江北校區(qū)為對象，利用3D MAX、VR、AE等軟件進(jìn)行三維虛擬校園漫游的開發(fā)，為三維虛擬校園漫游的建設(shè)者提供參考。

虛擬校園；三維模型；漫游動畫

近年來，隨著計算機(jī)圖形圖像技術(shù)的飛速發(fā)展、三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和智慧城市等概念的提出，人們已不再滿足于通過簡單的文字和圖片來了解學(xué)校，通過三維虛擬校園漫游來了解學(xué)校已成為一種趨勢。所以，利用三維虛擬校園漫游技術(shù)，促進(jìn)學(xué)校的形象宣傳、教學(xué)資源管理、環(huán)境規(guī)劃等工作，均能起到很好的輔助作用。本文對三維虛擬校園漫游的制作過程進(jìn)行了簡單闡述，以便為后期進(jìn)一步建設(shè)智慧校園提供服務(wù)。

1 方案選擇

在實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園漫游時，常使用到兩種方式：

1.1 360度全景圖片虛擬漫游

這種方式也稱作靜態(tài)圖像全景圖，先使用數(shù)碼相機(jī)對校園進(jìn)行多場景、多角度的拍照，對產(chǎn)生的有效圖片通過計算機(jī)合成校園全景圖。該方法雖然效果逼真，可以達(dá)到在不同場景中、不同角度的切換，并且成本較低，但是缺點(diǎn)也比較明顯：首先想要轉(zhuǎn)換場景只能通過對設(shè)定好的鏈接點(diǎn)擊來改變視角實(shí)現(xiàn)漫游，局限性大；其次瀏覽者只能從拍攝者的角度觀看全景，不能觀察到該場景中的每一個細(xì)節(jié)，靈活性略顯不足。

1.2 三維模型虛擬漫游

這種方法主要是通過3D MAX等三維軟件，將整個校園對應(yīng)的環(huán)境建立模型，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園的全景空間與真實(shí)環(huán)境的一一映射，再通過后期的VR渲染和AE制作來實(shí)現(xiàn)漫游。這種方式能實(shí)現(xiàn)不同視點(diǎn)的虛擬漫游，增強(qiáng)了漫游的真實(shí)感與沉浸感，而且由于三維模型制作和后期漫游制作的分離，比較容易對學(xué)校建筑和地形變化進(jìn)行實(shí)時的修改，但是這種方式因?yàn)槭褂密浖^多且制作周期較長，制作成本相對會比較高。

綜上所述，本方案考慮采用第二種方式來實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園漫游。

2 實(shí)現(xiàn)過程

經(jīng)過分析，設(shè)計整體制作流程如圖1。

圖1 設(shè)計制作流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

前期需要收集整個校園地形圖和所有建筑單體的相關(guān)文檔資料，包括平面圖、結(jié)構(gòu)圖、外觀圖等，同時采集校園相關(guān)建筑的照片。這些照片有兩個用處：一是后期模型制作過程中進(jìn)行參考；二是經(jīng)過處理后用作對模型的貼圖。在照片采集時需要注意充分體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與細(xì)節(jié)，盡量在光線充足時取景，清晰度要高，門、窗、圍欄等也要盡可能拍攝規(guī)整，以便于后期減少圖片處理的工作量，從而提高工作效率。

2.2 底圖繪制

依據(jù)前期收集到的文檔圖像資料，在Auto CAD中繪制校園的二維平面地形圖和每棟建筑的二維截面圖(如已有的CAD建筑和地形圖可以直接使用)。校園的整體二維平面圖主要使用校園規(guī)劃設(shè)計時的CAD施工圖，它是校園三維模型制作的主要數(shù)據(jù)來源(如圖2、圖3所示)，同時參考Google Earth上的衛(wèi)星影像來作為校園三維場景的地形底圖。

圖2 江北校區(qū)校園規(guī)劃圖

圖3 江北校區(qū)前區(qū)平面圖

2.3 模型制作

使用3D MAX 2012軟件進(jìn)行建筑模型的制作，場景中大部分建筑都使用多邊形建模法來創(chuàng)建。考慮到整個校園的建筑單體較多，所有建筑單體均采用單獨(dú)建模，后期再進(jìn)行統(tǒng)一合并，在較好表現(xiàn)效果的前提下盡量優(yōu)化減少每個建筑單體的面數(shù)，減少后期合并運(yùn)算的工作量。建模是完成場景中重要的組成部分，所以在制作過程中需嚴(yán)格按照前期CAD底圖的尺寸、位置來進(jìn)行建模，以免后期合并時再次修改。圖4、圖5為部份單體結(jié)構(gòu)的三維模型圖。

圖4 江北校區(qū)前區(qū)建筑模型圖

圖5 江北校區(qū)圖書館三維模型圖

2.4 材質(zhì)貼圖

室外建筑一般采用材質(zhì)表現(xiàn)，如：大理石、玻璃效果等；但是有些精細(xì)部位則需要利用前期采集的照片來制作紋理貼圖。在這里借鑒了游戲制作的模式采用UVW展開貼圖，使一兩張圖片就能集合一個建筑的紋理圖片。

2.5 植被代理

場景中的植被綠化率的多少會直接影響到整個場景最終顯示效果的好壞，所以在植被的制作上采用了近、遠(yuǎn)景兩種處理方式，近景植被使用較高面數(shù)進(jìn)行表現(xiàn)，遠(yuǎn)景植被則是最簡約的面數(shù)，這樣能夠降低場景的運(yùn)算工作量。

2.6 場景合并

結(jié)合校區(qū)規(guī)劃設(shè)計時的CAD施工圖和Google Earth上的衛(wèi)星影像，本方案對校園內(nèi)的局部場景地形模型包括：道路、湖泊、小品等進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計，并利用實(shí)景照片進(jìn)行對比修圖，然后將前期制作的建筑模型合并后導(dǎo)入到校園場景中。部份場景設(shè)計靜態(tài)效果圖如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 江北校區(qū)前區(qū)設(shè)計效果圖

圖7 江北校區(qū)實(shí)訓(xùn)樓設(shè)計效果圖

圖8 江北校區(qū)圖書館設(shè)計效果圖

圖9 江北校區(qū)鳥瞰效果圖

2.7 燈光渲染

整個校園的場景規(guī)模是相當(dāng)龐大的，所以燈光設(shè)置應(yīng)采用整體太陽光加局部泛光燈的模式，配上一定的光影效果后進(jìn)行烘焙，利用本技術(shù)，將渲染完成的燈光、材質(zhì)等效果導(dǎo)入到校園場景中來，達(dá)到校園內(nèi)實(shí)時交互的效果。

2.8 后期制作

通過前面的制作，整個虛擬校園的靜態(tài)演示初步完成，設(shè)計人員通過設(shè)置攝像機(jī)來調(diào)整移動軌跡，就可直接生成最初的漫游動畫或靜態(tài)圖片。利用VR渲染和AE的后期剪輯配音，設(shè)計人員就可以讓體驗(yàn)者得到效果精美的三維虛擬校園漫游體驗(yàn)了。

3 結(jié)論

三維虛擬校園漫游的實(shí)現(xiàn)，可以拓展學(xué)校對外宣傳渠道，提升學(xué)校在社會上的聲譽(yù)，也為設(shè)計人員參與到智慧校園建設(shè)提供了一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 尹新梅，等編著，3ds Max三維建模與動畫設(shè)計實(shí)踐教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2] 李杰光，等編著，3ds Max&VRay建筑全模型渲染火星課堂[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 韓慶年.國外高校3D虛擬校園設(shè)計與應(yīng)用評述[J].中國教育信息化，2012(9)：17-21.

[4] 趙筱斌.浙江建院數(shù)字虛擬校園漫游項(xiàng)目設(shè)計與開發(fā)[J].科技信息，2012(29)：20-21.

[5] 楊彬，趙建民，朱信忠，等.虛擬校園三維全景漫游技術(shù)研究[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2007,29(10)：26-28.

(責(zé)任編輯：游 濤)

Design and Realization of 3-D Virtual Campus Roaming System

Yu Haohai Zou Zhiwei

(Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

By using 3D MAX，VR,AE and other software to develop three-dimensional virtual campus，this thesis takes the Jiangbei campus of Wuhan Engineering Institute as the researching object to provide some reference for the construction of three-dimensional virtual campus.

virtual campus； 3-D model； animation roaming

2016-07-22

2016-09-18

武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年校級課題《虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與研究》(項(xiàng)目編號201423)研究成果

于浩海(1984～)，男，講師.E-mail：34103558@qq.com

TP391

A

1671-3524(2016)04-0041-03