三維數(shù)字化校園動(dòng)漫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫君菊， 曾雪松

(信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院， 河南 信陽 464000)

三維數(shù)字化校園動(dòng)漫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫君菊， 曾雪松

(信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院， 河南 信陽 464000)

系統(tǒng)研究三維數(shù)字化校園開發(fā)的現(xiàn)實(shí)意義、三維數(shù)字化校園構(gòu)建相關(guān)技術(shù)和理論、三維數(shù)字化校園開發(fā)的系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計(jì)、三維數(shù)字化校園模型的創(chuàng)建以及三維數(shù)字化校園動(dòng)漫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等主要內(nèi)容。該課題的研究與實(shí)施，為信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維數(shù)字化校園的開發(fā)奠定了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

三維數(shù)字化校園；建模技術(shù)；虛擬技術(shù)；漫游動(dòng)畫

隨著高校招生宣傳和學(xué)校軟硬件建設(shè)發(fā)展的需要，三維數(shù)字化校園建設(shè)必將成為高校社會形象工程的一個(gè)典型代表。對于學(xué)校招生宣傳、師生交流互動(dòng)、教學(xué)信息查詢、校園未來設(shè)計(jì)與規(guī)劃等都有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。主要表現(xiàn)為：(1)促進(jìn)招生宣傳。學(xué)校要招生，學(xué)生要上學(xué)，搭建互相交流、互相了解的平臺至關(guān)重要，三維數(shù)字化校園動(dòng)漫系統(tǒng)就是一種很好的互通渠道。通過網(wǎng)絡(luò)，可以讓家長和學(xué)生全面了解學(xué)校的基本情況。(2)學(xué)院的公共設(shè)施等教學(xué)資源很多,有了三維數(shù)字化校園動(dòng)漫系統(tǒng)之后，對在校師生以及參觀者來說，不失為一個(gè)最佳向?qū)А?3)三維數(shù)字化校園動(dòng)漫系統(tǒng)能直觀地展示校容校貌，是清晰展示校園風(fēng)貌的最佳選擇，對校園規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)有重要指導(dǎo)意義。

1 三維數(shù)字化校園的構(gòu)建

1.1 三維數(shù)字化校園構(gòu)建的主要理論依據(jù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心,結(jié)合地理信息技術(shù)和圖形圖象技術(shù)，生成集視、聽于一體的虛擬技術(shù)。用戶借助網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互,產(chǎn)生真實(shí)的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是現(xiàn)代新技術(shù)研究的熱點(diǎn)，涉及多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、系統(tǒng)仿真技術(shù)等多個(gè)學(xué)科技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)有兩個(gè)組成部分:一是通過計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件所開發(fā)的虛擬環(huán)境；二是想訪問這個(gè)虛擬世界的來訪者。虛擬現(xiàn)實(shí)盡可能滿足用戶輸入自己的意愿到系統(tǒng),系統(tǒng)則把感官信息反饋給用戶,強(qiáng)調(diào)用戶與系統(tǒng)之間的交互功能。

三維數(shù)字化校園[2]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種新技術(shù)進(jìn)行信息資源整合開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)校園的三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化。三維數(shù)字化校園的構(gòu)建以真實(shí)環(huán)境為依據(jù)，以平面布局與空間層次為參照，以三維模型和實(shí)際尺寸為基礎(chǔ)，以虛擬仿真技術(shù)為支持，模擬虛擬校園建設(shè)，使三維數(shù)字化校園與真實(shí)校園能夠在客觀上相似或相同，在視覺上產(chǎn)生真實(shí)感。

虛擬校園構(gòu)建的基本功能包括場景漫游和人機(jī)交互，給用戶參與其中的機(jī)會，實(shí)現(xiàn)游覽仿真校園自然景觀、人文景觀，直接看到或者感受到校園真實(shí)面貌的功能。

1.2 三維數(shù)字化校園的構(gòu)建平臺

三維數(shù)字化校園模型的建立是三維數(shù)字化校園系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。不同的建模平臺對場景模型優(yōu)化處理方式不同，將會直接影響虛擬校園的真實(shí)性。三維數(shù)字化校園建模的工具有很多種，較為常見的有SketchUp、Maya、3DSMAX等，本例采用3DS MAX軟件建模。3DS MAX軟件[3]的工作界面與常用圖形設(shè)計(jì)軟件界面相同，簡單易用，所有操作按鈕均在界面顯示，所見即所得，同時(shí)軟件采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式，相近或相似功能的操作按鈕分類存放，使用操作更加人性化。3DS MAX突出的特點(diǎn)是幾何建模，主要用于對三維場景景觀、三維虛構(gòu)環(huán)境以及角色的建模，可以兼容其它軟件，提供多種輸出文件格式。此外，在動(dòng)畫渲染、網(wǎng)格生成、多邊形處理以及材質(zhì)參數(shù)設(shè)置等方面功能卓越。因此，使用3DS MAX軟件建模，是一種性價(jià)比不錯(cuò)的選擇。

三維建模是創(chuàng)建、仿真一個(gè)真實(shí)環(huán)境，交互則是與環(huán)境進(jìn)行溝通交流、增進(jìn)用戶感情的一種有效方法。因此，設(shè)置良好的交互訪問是很重要的。常見的虛擬開發(fā)軟件有很多種，國外最著名的有Vega、Mutilgen Creator、3DVIA Virtools等；國內(nèi)最新開發(fā)的有VRML、VR-Platform、X3D等。VR-Platform[4]是中視典公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，具有強(qiáng)大的3D圖形處理能力，兼容windows操作系統(tǒng)的多種版本，能夠開發(fā)出支持網(wǎng)絡(luò)版和單機(jī)系統(tǒng)版且實(shí)時(shí)性能較強(qiáng)的多角度播放的虛擬校園動(dòng)畫漫游系統(tǒng)，因此本項(xiàng)目選擇VR-Platform作為虛擬現(xiàn)實(shí)平臺開發(fā)軟件。

2 三維數(shù)字化校園開發(fā)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 三維數(shù)字化校園開發(fā)的系統(tǒng)需求分析

開發(fā)三維數(shù)字化校園需以現(xiàn)實(shí)校園作為基礎(chǔ)，為了能夠真實(shí)反映校園風(fēng)貌，要求場景中的建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施以及環(huán)境綠化在形狀、氛圍以及光感等方面都必須仿真?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的交互性、構(gòu)想性和沉浸感等特點(diǎn)，主要為師生日常工作和生活提供便利，達(dá)到促進(jìn)學(xué)校規(guī)劃和宣傳的作用，信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)三維數(shù)字化校園的構(gòu)建力求實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)展示全景功能[5]。三維數(shù)字化校園需要實(shí)現(xiàn)基本場景瀏覽功能，用戶不但可以全景觀看預(yù)先制定的三維數(shù)字化校園動(dòng)漫，還可以利用鍵盤或鼠標(biāo)對三維數(shù)字化校園進(jìn)行全景旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可以選取背景音樂進(jìn)行氣氛烘托。

(2)碰撞檢測功能。為了避免場景人物漫游時(shí)出現(xiàn)“穿墻而過”或“空中漂浮”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)系統(tǒng)碰撞檢測響應(yīng)功能，確保用戶在虛擬場景中動(dòng)作和行為的效果能與現(xiàn)實(shí)生活中一樣。

(3)漫游展示功能。交互式漫游[6]就是用戶自主選擇參觀的路線和感興趣的景點(diǎn)，通過行走相機(jī)的形式自主改變參觀視野和角度、調(diào)節(jié)漫游的方向和高度設(shè)置，可以使用鍵盤的功能鍵或鼠標(biāo)來調(diào)節(jié)漫游的速度，從而達(dá)到最佳的訪問效果。另外，自動(dòng)漫游又叫固定路徑漫游，設(shè)計(jì)者為了給訪問者提供一條展示校園特色的漫游路徑，選擇真實(shí)校園中有代表性的建筑物和人文景觀，設(shè)置一定的漫游時(shí)間和展示信息，從開發(fā)者的角度去了解學(xué)校實(shí)情，感受真實(shí)的校園風(fēng)景。

2.2 三維數(shù)字化校園開發(fā)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)主要分三個(gè)階段:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、模型創(chuàng)建階段和交互設(shè)置階段。因?yàn)橐紤]系統(tǒng)的運(yùn)行速度和效率，所以設(shè)置時(shí)需注意考慮整個(gè)系統(tǒng)的呈現(xiàn)形式和相關(guān)功能參數(shù)，如相機(jī)設(shè)置、交互設(shè)置、碰撞檢測設(shè)置以及背景音樂添加等都要兼顧。本項(xiàng)目旨在開發(fā)信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)三維數(shù)字化校園系統(tǒng)。信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院校新校區(qū)占地2000多畝，坐落在交通便利的羊山新區(qū)。校區(qū)依地勢造景，校園建筑清新素雅，將學(xué)校文化底蘊(yùn)與現(xiàn)代教育特色相融合，營造出綜合、科技、人文、生態(tài)的主題。三維數(shù)字化校園總體規(guī)劃效果如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字化校園總體規(guī)劃效果圖

3 三維數(shù)字化校園模型的創(chuàng)建

3.1 建筑模型

3DS MAX中常用的建模方法主要有簡單模型建模和復(fù)雜模型建模兩種。簡單建模利用基本幾何體進(jìn)行組合構(gòu)成復(fù)合幾何體建模，或利用擠出、放樣、車削、倒角等命令將二維圖形轉(zhuǎn)換為三維圖形建模；復(fù)雜模型建模將長方體、圓柱體等簡單幾何體轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形，通過加工處理多邊形的各個(gè)子對象來實(shí)現(xiàn)建模。以信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)護(hù)理學(xué)院大樓為例，模型如圖2所示。

圖2 護(hù)理學(xué)院大樓模型

3.2 地物模型

信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)景色優(yōu)美、生活設(shè)施齊全，校園景觀主要包括樹木、座椅、路燈、人工湖、噴泉廣場等。郁郁蔥蔥的樹木和嬌艷芬芳的花草都象征著學(xué)校深厚的歷史文化底蘊(yùn)，不但給人一種幽雅寧靜感，也能給人一種真實(shí)感。系統(tǒng)采用了目前較為流行的Doubleboarding技術(shù)[7]，使用圖像代替實(shí)物的模型設(shè)計(jì)方法，即把一個(gè)準(zhǔn)備好的樹木或花草貼圖貼到兩個(gè)互相垂直的模型表面并進(jìn)行透明處理，設(shè)置好ALPHA值。植物模型如圖3所示。

圖3 樹木模型

3.3 地形模型

地形模型主要用于描述地面的起伏狀況，用于提取各種地形參數(shù)并進(jìn)行透視分析。其表達(dá)方法有多種，包括等高線、三角網(wǎng)和網(wǎng)格等。本系統(tǒng)地形模型采用校園原始地形測繪CAD圖紙，利用AUTOCAD2010進(jìn)行建模。

3.4 模型導(dǎo)出

模型是三維數(shù)字化校園的核心，模型出現(xiàn)在3DS MAX建模階段以及在VR-Platform編輯器中進(jìn)行三維數(shù)字化校園相關(guān)功能設(shè)置的交互階段。3DS MAX與VR-Platform編輯器的連接插件可以自行安裝。模型導(dǎo)入過程是先找到VRP導(dǎo)出插件，根據(jù)需要選定導(dǎo)出選擇集命令或?qū)С鋈棵?，系統(tǒng)會根據(jù)相關(guān)參數(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)檢測，彈出信息提示框，其中包括模型數(shù)量、錯(cuò)誤提示等內(nèi)容，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤提示就不能立即導(dǎo)出，需要依據(jù)錯(cuò)誤提示回到3DS MAX編輯狀態(tài)進(jìn)行修改,直至VR-Platform編輯器沒有錯(cuò)誤提示信息為止，說明系統(tǒng)檢測通過，就可以完成模型的最后交互使用了。

4 三維數(shù)字化校園動(dòng)漫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照三維數(shù)字化校園預(yù)期目標(biāo)功能設(shè)計(jì)要求，首先對真實(shí)校園對象進(jìn)行模擬，然后對三維模型對象進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景交互功能。在單機(jī)系統(tǒng)中顯示三維數(shù)字化校園場景，用戶能夠不受限制地瀏覽場景中的景觀，并通過交互訪問實(shí)現(xiàn)在真實(shí)世界中觀看的感受效果。因此，在三維數(shù)字化校園動(dòng)漫實(shí)現(xiàn)中，需要做好相關(guān)設(shè)置，如碰撞檢測、創(chuàng)建動(dòng)畫、相機(jī)設(shè)置、音效設(shè)置以及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等，這樣才能實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化校園動(dòng)漫功能。

4.1 碰撞檢測

通過設(shè)置碰撞檢測，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免用戶在場景中與虛擬物體發(fā)生碰撞；用戶在虛擬環(huán)境中漫游時(shí)產(chǎn)生互動(dòng)響應(yīng)，讓用戶體會漫游真實(shí)世界的舒適感。在設(shè)置碰撞效果時(shí)，VR-Platform平臺軟件首先需要檢查虛擬對象的完整程度和虛擬場景的結(jié)構(gòu)，然后使用軟件平臺中的物理碰撞功能面板設(shè)置相關(guān)的碰撞檢測屬性及參數(shù)信息。在設(shè)置物理碰撞時(shí)，可以根據(jù)碰撞檢測的屬性特點(diǎn)和實(shí)際需要為選定的對象添加碰撞檢測功能，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景的漫游碰撞檢測功能。

4.2 相機(jī)創(chuàng)建

在三維數(shù)字化校園中漫游時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的相機(jī)[8]，即模擬人對應(yīng)的視角，讓用戶以一定的視角來瀏覽整個(gè)三維數(shù)字化校園場景。VR-Platform編輯器提供的相機(jī)有多種，本項(xiàng)目中用到的主要有飛行相機(jī)和行走相機(jī)。飛行相機(jī)用于游覽、俯瞰整個(gè)三維數(shù)字化校園的全貌；行走相機(jī)讓用戶以第一人稱的視角, 自主選擇瀏覽，360度全視角觀察整個(gè)虛擬場景。為了給用戶提供自由的、不同視覺角度的三維數(shù)字化校園場景瀏覽方式，可以綜合使用不同類型的相機(jī)功能。相機(jī)之間可以通過相機(jī)腳本設(shè)計(jì)來切換，先創(chuàng)建一個(gè)按鈕，然后對這個(gè)按鈕設(shè)置對應(yīng)的腳本內(nèi)容并保存，通過按鈕來選擇不同相機(jī)，完成相機(jī)不同功能設(shè)置。以學(xué)院大門為參照物進(jìn)行飛行旋轉(zhuǎn)的飛行相機(jī)設(shè)置，如圖4所示。行走相機(jī)設(shè)置示意圖如圖5所示。用黃線和紅點(diǎn)表示動(dòng)畫相機(jī)的路徑和節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。

圖4 飛行相機(jī)設(shè)置圖

4.3 特效設(shè)置

好的背景音樂能夠讓校園立即活躍起來，能夠增強(qiáng)用戶的舒服感，使三維數(shù)字化校園場景顯得自由生動(dòng)。通過腳本編輯器添加背景音樂，在腳本編輯器中插入設(shè)定音樂的語句，設(shè)置音樂播放控制屬性相關(guān)參數(shù)即可。

圖5 行走相機(jī)設(shè)置圖

圖6 動(dòng)畫相機(jī)漫游路徑

為了增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)世界虛擬仿真的表現(xiàn)力，通常在虛擬場景完成后，通過腳本函數(shù)的設(shè)置添加場景特效。把前期制作的天空球?qū)隫RP編輯器中生成自己特有的天空球，給VR場景添加太陽光暈，按照光照方向和虛擬場景投影方向一致的原則，對天空球角度和太陽光暈的角度進(jìn)行調(diào)整，使其符合自然規(guī)律。

4.4 數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建

為了增強(qiáng)虛擬場景的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化校園場景的交互功能，需要添加外接的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬對象的交互功能。借助VRP編輯器提供的數(shù)據(jù)庫插件，將數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)到三維數(shù)字化校園場景中，讓用戶在系統(tǒng)中漫游時(shí)能夠選擇任意模型對象，并了解相關(guān)對象的詳細(xì)信息。使用微軟的Access關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，文件擴(kuò)展名為.MDB,數(shù)據(jù)庫都以文件形式保存。

4.5 系統(tǒng)功能優(yōu)化

為了創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)行高效、快速、流暢的三維數(shù)字化校園系統(tǒng)，同時(shí)確保系統(tǒng)具有良好的交互性、沉浸感和仿真性，系統(tǒng)優(yōu)化思想會貫穿于整個(gè)三維數(shù)字化校園開發(fā)過程中，從模型優(yōu)化、貼圖優(yōu)化、實(shí)例優(yōu)化、效果優(yōu)化等方面總結(jié)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

4.6 項(xiàng)目發(fā)布

三維數(shù)字化校園設(shè)計(jì)開發(fā)的最后一道工序是系統(tǒng)打包發(fā)布。將三維虛擬場景、各種相機(jī)設(shè)置、音樂文件和特殊光效文件以及VRP控制插件全部打包，編譯成可獨(dú)立執(zhí)行的EXE文件。

4.7 運(yùn)行效果

三維數(shù)字化校園系統(tǒng)經(jīng)過編譯打包發(fā)布后，打開三維數(shù)字化校園可執(zhí)行文件，文件運(yùn)行界面如圖7所示，系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖8所示。

圖7 三維數(shù)字化校園初始界面

圖8 三維數(shù)字化校園運(yùn)行主界面

5 結(jié)語

三維數(shù)字化校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是三維數(shù)字化校園系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支持。給受訪者提供了一個(gè)很好的仿真環(huán)境，讓其漫游在校園場景之中，再現(xiàn)真實(shí)的感受，因此對三維數(shù)字化校園的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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[責(zé)任編輯 吳?？黓

2017-01-26

河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度課題(課題編號：[2016]-JKGHB-0394)

孫君菊(1979-)，女，河南南陽人，講師，研究方向：多媒體技術(shù)，教育學(xué)。

10.3969/j.issn.1671-7864.2017.02.005

TP391.41

A

1671-7864(2017)02-0016-04