實(shí)景虛擬校園構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

鄒紅　陸津　包競(jìng)生

摘要：虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字化校園建設(shè)的具體應(yīng)用，依據(jù)虛擬校園的構(gòu)建方案和設(shè)計(jì)過(guò)程，闡述了建模方法、模型優(yōu)化、紋理貼圖、烘焙技術(shù)以及交互界面設(shè)計(jì)、資源數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、視聽(tīng)效果設(shè)置等技術(shù)問(wèn)題及解決方法，尤其是該系統(tǒng)不僅具有校園外景的交互漫游效果，還可以進(jìn)入多媒體教室選擇視頻教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行觀看，最終完成了基于3dsMax和VR-Platform的虛擬校園交互漫游系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 虛擬校園；三維建模；模型優(yōu)化；材質(zhì)烘焙；VR-Platform；漫游交互

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0233-04

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在許多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。虛擬校園就是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園文化建設(shè)，運(yùn)用三維建模以及虛擬交互技術(shù)完成對(duì)三維虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從1992年提出VRLM以來(lái)，虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)的研究受到許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的青睞，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入“數(shù)字校園”的建設(shè)研究中，為校園的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供一種全新的手段[1]。目前人們已不滿足于單純的三維校園景觀展示，借助于網(wǎng)絡(luò)整合教學(xué)資源，以一個(gè)全新的模式宣傳學(xué)校，利用一個(gè)全新的平臺(tái)改進(jìn)大學(xué)教學(xué)方式，提供給老師和學(xué)生一個(gè)共同學(xué)習(xí)、互動(dòng)、分享以及引導(dǎo)創(chuàng)意的空間[2]，使人們的學(xué)習(xí)和交流不受時(shí)間和空間的限制，這種虛擬校園不僅有“環(huán)境（三維實(shí)景校園）”， 更有“內(nèi)容（網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和各種交互的虛擬空間等）”， 系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)，能使學(xué)生們有真實(shí)感和認(rèn)同感。目前國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)不同程度地推出虛擬校園，先后制作了校園風(fēng)光、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、圖書(shū)館、教學(xué)環(huán)境等漫游效果，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合起到了很好的推動(dòng)作用[3]。隨著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)學(xué)校管理數(shù)字化、智能化是二十一世紀(jì)對(duì)學(xué)校發(fā)展提出的新要求。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維虛擬校園系統(tǒng)是數(shù)字校園的基礎(chǔ)和平臺(tái)，開(kāi)展虛擬校園系統(tǒng)及相關(guān)課題的研究適應(yīng)了信息社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 虛擬校園構(gòu)建的總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)在設(shè)計(jì)虛擬校園不能僅停留在校園“環(huán)境”的制作，還要考慮在三維校園基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)更有深度的“內(nèi)容”。因此在環(huán)境建模時(shí)主要建筑和次要建筑應(yīng)分別建成實(shí)體建筑和空心建筑，像圖書(shū)館、報(bào)告廳、多媒體教室等應(yīng)建成實(shí)體建筑，即用戶可以進(jìn)入其中做進(jìn)一步的交互活動(dòng)，考慮到數(shù)據(jù)量過(guò)大會(huì)影響實(shí)時(shí)顯示效果，其它辦公場(chǎng)所、宿舍等建筑可以建成空心建筑。虛擬校園系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括兩方面的設(shè)計(jì)任務(wù)：

1）三維場(chǎng)景建模：即按照實(shí)際尺寸將校園主要建筑、地物模型（路燈、垃圾箱、指示牌、山石等）及環(huán)境裝飾（花草樹(shù)木等）建成三維虛擬場(chǎng)景；

2）漫游及交互效果制作：即完成對(duì)三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)漫游和視聽(tīng)等效果的設(shè)計(jì)。

虛擬場(chǎng)景中環(huán)境模型的構(gòu)建可以選擇語(yǔ)言類(lèi)或建模工具來(lái)實(shí)現(xiàn)，語(yǔ)言類(lèi)如：C++、OpenGL、VRML等，建模工具主要有AutoCAD、3dsMax、Open Inventor、Pro/Engineer、SketchUp等；漫游交互制作的平臺(tái)主要有：Virtools、Vega、Unity3D、Quest3D、BSContactVrml，EON，VR-Platform（簡(jiǎn)稱(chēng)VRP）等。早期開(kāi)發(fā)選擇VRML、Virtools、Vega等比較多，考慮到虛擬校園多數(shù)是建筑模型，建模工具所見(jiàn)即所得、操作便捷、開(kāi)發(fā)周期短等特性，我們選擇功能強(qiáng)大的3dsMax進(jìn)行環(huán)境建模，用VRP平臺(tái)制作交互漫游效果，制作流程如圖1所示：

下面就虛擬校園構(gòu)建過(guò)程中涉及到的各種技術(shù)問(wèn)題做一簡(jiǎn)單分析。

2 模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

三維建模是虛擬漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，模型制作的質(zhì)量關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行速度和真實(shí)度，所以虛擬場(chǎng)景中的模型應(yīng)在保證基本真實(shí)度的情況下盡量簡(jiǎn)化，以保證運(yùn)行流暢。這里闡述一下建模涉及到的關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 Polygon建模

虛擬校園的模型以建筑為主，采用Polygon建模方法比較適合。根據(jù)實(shí)地考察、測(cè)量、拍照、計(jì)算等得到的校園地形、建筑物和地物模型的尺寸，先用AutoCAD分別繪制出二維平面圖，再導(dǎo)入到3dsMax中用Polygon建模方法建立地形、建筑及地物模型，這里的空心建筑模型和地物模型只要參照照片建立模型外觀輪廓，可忽略內(nèi)部構(gòu)造，建筑的門(mén)窗等細(xì)節(jié)由紋理貼圖解決。

2.2模型優(yōu)化

一個(gè)逼真的基于三維模型的虛擬校園漫游場(chǎng)景通常包含數(shù)千個(gè)多邊形，大規(guī)模虛擬校園場(chǎng)景復(fù)雜度的增加勢(shì)必影響場(chǎng)景顯示的實(shí)時(shí)性，這一問(wèn)題要靠模型優(yōu)化來(lái)解決。因此要求在模型的精細(xì)程度和實(shí)現(xiàn)的速度方面尋找一個(gè)折中值，即可保證一定的建模質(zhì)量，又不造成用戶瀏覽的不適感。

對(duì)于模型優(yōu)化可以分模型個(gè)數(shù)的優(yōu)化和模型面數(shù)的優(yōu)化兩部分進(jìn)行，盡量移除每個(gè)模型不可見(jiàn)的面和過(guò)于瑣碎細(xì)小的建筑裝飾性面，移除模型之間的重疊面、相交面，保證模型的面數(shù)足夠少；對(duì)于使用相同材質(zhì)貼圖的模型，通過(guò)獨(dú)立顯示，分別調(diào)整好各自的貼圖坐標(biāo)，然后將這些模型用Attach或Collapse命令附加或塌陷，再經(jīng)過(guò)烘焙材質(zhì)的辦法，可以使多個(gè)模型精簡(jiǎn)為1個(gè)，此法尤其適合精簡(jiǎn)場(chǎng)景中的樹(shù)木、路燈、座椅等模型。對(duì)于復(fù)雜模型和其它建模方法構(gòu)建的模型的優(yōu)化問(wèn)題，在本人已發(fā)表的論文《3dsMax在虛擬場(chǎng)景建模中的應(yīng)用》中有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。

2.3紋理貼圖

在虛擬校園建模中，如果用3dsMax建造實(shí)景的所有細(xì)節(jié)，不僅增加開(kāi)發(fā)工作量，而且增大文件數(shù)據(jù)量，延長(zhǎng)瀏覽的顯示時(shí)間，因此一般用簡(jiǎn)模代替實(shí)景，其逼真度是靠紋理貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如空心建筑模型的門(mén)、窗、雨檐等細(xì)節(jié)均用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)，實(shí)體建筑只有門(mén)窗等需要透明和開(kāi)合的細(xì)節(jié)建模時(shí)完成，其他細(xì)節(jié)也用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)，而建筑的門(mén)窗形狀或材質(zhì)大都相同，可以用復(fù)制實(shí)例和Collapse方法優(yōu)化。

前期數(shù)據(jù)收集時(shí)要拍攝大量實(shí)景圖，用Photoshop對(duì)實(shí)景圖進(jìn)行處理，主要是圖像角度、亮度、色彩飽和度的修整；圖像裁剪、拼合；去除圖像雜景干擾[4]（如樹(shù)影、人物、遮擋物等）；制作透明貼圖（花草樹(shù)木、圍欄等）。圖像全部采用PNG格式存儲(chǔ)，像素為2n，以消除圖像扭曲現(xiàn)象；盡量將草坪、路面、墻面等大面積內(nèi)容單一的圖像，分割成小面積紋理圖像存儲(chǔ)，以減少存儲(chǔ)空間。

在對(duì)模型進(jìn)行貼圖時(shí)，用“UnwrapUVW”配合 “UVWmaping”進(jìn)行更精確的貼圖操作，通過(guò)UVW MAP修改器，修改貼圖重復(fù)值和投影方式，確保相鄰的兩個(gè)面貼圖吻合[5]，從而得到逼真的校園三維模型。

2.4烘焙技術(shù)

貼圖烘焙（render TO texture）技術(shù)就是一種把Max光照和陰影渲染成貼圖的方式，而后把烘焙后的貼圖再貼回到場(chǎng)景中去的技術(shù)。這樣光照信息變成了貼圖，把帶有光影效果的場(chǎng)景導(dǎo)入VRP中，不需要CPU再費(fèi)時(shí)去計(jì)算光影效果，以減輕CPU、內(nèi)存和顯卡的負(fù)荷，提高顯示速度。

烘焙前先要將場(chǎng)景中需要烘焙和不需要烘焙的模型進(jìn)行分組，需要烘焙的模型還要按烘焙后貼圖分辨率的高、中、低再進(jìn)行分組，需要突出細(xì)節(jié)的分辨率高些，其它適當(dāng)降低分辨率可以提高運(yùn)行效率。若采用的材質(zhì)中包括VRay材質(zhì)，在渲染到紋理的過(guò)程中，烘焙模式應(yīng)選擇為VRay的完全貼圖模式，按組分別烘焙后，可以先在VRP編輯器中預(yù)覽，陰影紋理等未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤即烘焙成功，可保存導(dǎo)出。

2.5 Billboard或Doubleboarding技術(shù)

制作室外場(chǎng)景一定會(huì)有裝飾或綠化問(wèn)題，如路燈、指示標(biāo)、花草樹(shù)木等，如果每棵樹(shù)木花草都用模型來(lái)表現(xiàn)，場(chǎng)景模型面數(shù)將造成編輯及運(yùn)行都很困難，因此這些模型往往使用Billboard或Double-boarding技術(shù)創(chuàng)建模型。用Plane建模，或者畫(huà)二維矩形，然后添加Editable Mesh或UVW Mapping修改器，產(chǎn)生雙面模型，通過(guò)添加處理后的透明貼圖即可得到裝飾物模型。注意的是用Billboard建模時(shí)，命名要加前綴bb_（VRP中bb_物體可以實(shí)時(shí)面對(duì)相機(jī)）。再通過(guò)Attach或Collapse命令附加或塌陷，將模型個(gè)數(shù)及面數(shù)減至最低。模型的全景效果如圖2所示：

3 交互平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

VR-Platform三維互動(dòng)仿真平臺(tái)支持多個(gè)版本的3dsMax，提供三種二次開(kāi)發(fā)方式[6]，可以通過(guò)插件將3dsMax烘焙后的模型直接導(dǎo)入其中，進(jìn)行交互場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)。虛擬校園的核心是交互平臺(tái)的設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想，交互平臺(tái)應(yīng)具備三維場(chǎng)景展示及導(dǎo)航、全景鳥(niǎo)瞰、自動(dòng)瀏覽、自由漫游、校園信息查詢、視聽(tīng)效果等功能，這里闡述一下交互設(shè)計(jì)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 基礎(chǔ)環(huán)境及界面設(shè)計(jì)

導(dǎo)入到VRP中的場(chǎng)景首先要進(jìn)行模型位置的校正，然后分別對(duì)烘焙和沒(méi)烘焙的材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，包括材質(zhì)的過(guò)濾方式、透明貼圖等，并根據(jù)場(chǎng)景需要適當(dāng)調(diào)整亮度、對(duì)比度等；對(duì)于沒(méi)烘焙的貼圖要在VRP中設(shè)置材質(zhì)，尤其是玻璃材質(zhì)、不銹鋼材質(zhì)、水材質(zhì)等，需設(shè)置反射折射參數(shù)。然后對(duì)環(huán)境和光效進(jìn)行設(shè)置，可以添加VRP提供的天空盒，也可以用3dsMax自己制作天空盒，這樣跟校園周邊環(huán)境融合的會(huì)更好?？梢蕴砑犹?yáng)光暈的效果，調(diào)整好光暈高度和角度，使場(chǎng)景更接近自然。用戶通過(guò)交互界面可以迅速明了如何操作，所以界面應(yīng)有操作提示按鈕、導(dǎo)航、效果按鈕等，這些按鈕由腳本控制；導(dǎo)航設(shè)置可以讓用戶清楚目前所在位置。

為了實(shí)現(xiàn)校園漫游的效果，需要在場(chǎng)景中添加相機(jī)，用來(lái)呈現(xiàn)漫游中所感受到的視覺(jué)效果?？梢詣?chuàng)建行走、飛行和動(dòng)畫(huà)相機(jī)，通過(guò)設(shè)置不同的相機(jī)水平角度、相機(jī)高度等屬性，繪制好相機(jī)行走路線，這些相機(jī)可以通過(guò)按鈕進(jìn)行切換，方便用戶可以根據(jù)自己的需求簡(jiǎn)單快捷地瀏覽校園。同時(shí)可以在場(chǎng)景中創(chuàng)建角色，通過(guò)模仿真實(shí)的人物來(lái)達(dá)到真實(shí)虛擬的效果，為角色綁定角色控制相機(jī)，這樣我們可以用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)控制角色行走并達(dá)到自主漫游效果。圖3是交互瀏覽的初始界面：

3.2 資源數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

虛擬校園的交互功能是應(yīng)讓用戶不僅能夠看到校園的外貌，還能了解到學(xué)校各建筑的相關(guān)信息，并且能夠進(jìn)入主要教學(xué)樓查看相關(guān)的教學(xué)資源。這些資源信息需要數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，在VRP場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)地查詢場(chǎng)景里某一建筑、物體、區(qū)域等對(duì)象在數(shù)據(jù)庫(kù)里的相關(guān)信息。創(chuàng)建SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)校園信息、教學(xué)資源等。首先是做數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，即將存放校園信息的數(shù)據(jù)庫(kù)連接到虛擬校園系統(tǒng)上，然后將場(chǎng)景中的對(duì)象和數(shù)據(jù)庫(kù)記錄做關(guān)聯(lián)操作，以便用戶在虛擬校園系統(tǒng)中點(diǎn)擊場(chǎng)景中的對(duì)象，能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)查找對(duì)應(yīng)信息，并在屏幕上顯示出信息。鏈接并顯示相應(yīng)信息的函數(shù)接口命令如下：

BOOL g_open_db（）； //初始化數(shù)據(jù)

void g_close_db（）； //關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)

void g_show_db_viewer（ HWND parent/*父窗口*/， RECT* rt/*在父窗口中的區(qū)域*/）；

//彈出屬性窗口

void g_fill_obj_props_by_str_id（const char * str_id）； //設(shè)置對(duì)象，填充list，

void g_fill_null（）； //清空l(shuí)ist

info/name， $GETVALUE（模型名稱(chēng)） ；//對(duì)應(yīng)于一條腳本函數(shù)：修改數(shù)據(jù)標(biāo)注值，

//valuename 會(huì)被 傳入 info/name， 而 id 會(huì)被傳入模型名稱(chēng)

//檢索得到的值轉(zhuǎn)化為字符串放到value中傳回

void g_get_value（const char * valuename， const char * id ， char * value）；

//vaulename，id， value的長(zhǎng)度不能超過(guò)256字節(jié)，特別是value .

3.3 視聽(tīng)效果設(shè)置

當(dāng)用戶進(jìn)入多媒體教室時(shí)，可以選擇提供的課程資源進(jìn)行觀看。首先在VRP_builder中創(chuàng)建一個(gè)GUI窗口，在該窗口中導(dǎo)入單選框，顯示該教室的可選課程，選擇課程即可看到視頻教學(xué)內(nèi)容。

VRP編輯器自帶一個(gè)強(qiáng)大的界面編輯器，用戶可以為一個(gè)DEMO創(chuàng)建多個(gè)界面方案，在播放不同相機(jī)視角時(shí)匹配不同的界面方案。通過(guò)按鈕控制進(jìn)入到教室內(nèi)播放視頻教程的頁(yè)面。場(chǎng)景中教室門(mén)的開(kāi)關(guān)可以用鼠標(biāo)觸發(fā)的方式，也可以用距離觸發(fā)的方式，先在3dsMax中做好開(kāi)門(mén)動(dòng)畫(huà)，對(duì)剛體動(dòng)畫(huà)模型在ABC中進(jìn)行編組，命名時(shí)前綴為VRP_rigid，然后再將場(chǎng)景帶動(dòng)畫(huà)屬性導(dǎo)入到VRP編輯器里，為角色控制相機(jī)設(shè)置鼠標(biāo)單擊時(shí)間或觸發(fā)事件，分別設(shè)置進(jìn)入時(shí)動(dòng)作和離開(kāi)時(shí)動(dòng)作，同時(shí)可以加入開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)的聲音，使動(dòng)作更加真實(shí)。

進(jìn)入教室后選擇觀看的課程，點(diǎn)擊播放，這種方式是播放錄制好的課程。觀看的窗口是一個(gè)設(shè)置好的懸浮窗口，設(shè)置其大小與投影屏幕一樣大，讓體驗(yàn)者有在教室上課的感覺(jué)。效果如圖4所示。

圖4 在多媒體教室中觀看視頻教程

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)虛擬校園漫游系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和功能進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述了建模和交互設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)模型優(yōu)化加快顯示速度，通過(guò)烘焙技術(shù)使場(chǎng)景效果逼真；尤其是在VRP中視聽(tīng)效果的設(shè)計(jì)，使虛擬校園不僅有“環(huán)境”，更有“內(nèi)容”，增強(qiáng)了瀏覽者的真實(shí)感和認(rèn)同感。目前設(shè)計(jì)的虛擬校園只是第一階段，完成了校園漫游、視頻教學(xué)等內(nèi)容，距離真正的數(shù)字化校園還有一定差距。下一步將結(jié)合教學(xué)、教務(wù)、校園社區(qū)生活等內(nèi)容繼續(xù)研究，讓使用者可以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)課堂，親身感受課堂魅力；可以進(jìn)入圖書(shū)館，與所有在線的人共享豐富的圖書(shū)資源；還可以和師生們進(jìn)行實(shí)時(shí)的問(wèn)題探討等，實(shí)現(xiàn)真正意義的虛擬大學(xué)。

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