三維校園景觀沙盤模型新形式的探索與應用

李滿 鄧峻權(quán)

摘 ?要：文章以廣州工商學院三水校區(qū)商業(yè)街區(qū)域的建筑和自然景觀為研究對象，用3ds Max對建筑和自然景觀進行針對性的三維建模和場景渲染制作，采用Photoshop圖像處理軟件制作模型的貼圖，最后將建立好的三維模型根據(jù)衛(wèi)星二維平面地圖上的位置和大小，進行優(yōu)化調(diào)整和組合，完成一個具有真實感的虛擬三維校園景觀沙盤，通過虛擬三維校園景觀沙盤的三維可視化，讓觀察者在虛擬校園中能體驗身臨其境的感受。

關(guān)鍵詞：三維建模技術(shù);沙盤模型;場景動畫渲染;虛擬現(xiàn)實技術(shù);虛擬校園

中圖分類號：TP391.9;P208 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0089-04

Abstract：This paper taking the buildings and natural landscapes in the commercial street area of Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as the research object，The 3D modeling and scene rendering of architecture and natural landscape are carried out by using 3ds Max，and the mapping of the model is made by Photoshop software. Finally，the 3D model is optimized and combined according to the position and size of the satellite 2D plane map. Complete a virtual three-dimensional campus landscape sand table with realistic feeling. Through the three-dimensional visualization of the virtual three-dimensional campus landscape sand table，let the observer in the virtual campus can experience the experience of immersive.

Keywords：3D modeling technology;sand table model;scene animation rendering;virtual reality technology;virtual campus

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一項多學科交叉的信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡以及并行處理技術(shù)等多個信息技術(shù)分支[1]。

搭建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的需要的相關(guān)技術(shù)有：虛擬現(xiàn)實三維漫游效果、三維模型建立和模型貼圖制作等[2]。實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實三維漫游效果可以使用Unity3D引擎，建立虛擬現(xiàn)實三維漫游效果所需三維模型可以使用3ds Max[3]，制作模型貼圖可以使用Photoshop。本文以廣州工商學院部分校園建筑景觀為例探索虛擬現(xiàn)實三維漫游效果中所需的三維模型的設計和應用。

3ds Max軟件可以使用多種建模方法進行三維模型制作，根據(jù)不同的項目需求選擇使用不同的建模方法，主要的建模方法有：標準基本體建模方法、多邊形建模方法、NURBS曲線建模方法、面片建模方法、放樣建模方法等[4]。本文根據(jù)三維漫游效果所需要的模型，用3ds Max制作完成了虛擬校園漫游系統(tǒng)中的部分校園景觀沙盤三維模型，并使用Photoshop平面軟件制作模型的貼圖。

1 ?整體設計思路

根據(jù)對廣州工商學院商業(yè)街地區(qū)的實地考察可知，多邊形建模方法適用于三維校園沙盤景觀場景模型的建立，具體流程步驟如下，制作流程如圖1所示。

2 ?校園景觀沙盤模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集與處理

數(shù)據(jù)搜集是三維校園建筑場景建模過程中一個重要環(huán)節(jié)，搜集到的數(shù)據(jù)的精確度將影響三維校園建筑的真實程度。一般的數(shù)據(jù)搜集包括建筑物四周的圖片、建筑物的地形尺寸、地形高度等，根據(jù)數(shù)據(jù)搜集的類型大致可分為儀器法和估測法。

2.1 ?搜集二維平面圖

校園的衛(wèi)星二維平面地圖可作為校園建筑模型地形的參考圖，并且可以通過地圖中的比例尺測量建筑模型的尺寸，本次校園建筑建模中選擇使用百度地圖的衛(wèi)星二維平面地圖作為地形參考圖和尺寸參考圖來建立建筑模型[5]。如圖2所示為廣州工商學院三水校區(qū)商業(yè)街部分的衛(wèi)星二維平面地圖。

2.2 ?建筑場景實地照片及測量建筑實體尺寸

建筑物是虛擬三維校園的主體之一。建立建筑場景模型必須要有各個所需建立的建筑物的高度信息，因為工具的有限和圖紙的缺少，所以本次模型的建立采用估算法來估算建筑物的尺寸。通過測量建筑物外墻的瓷磚高度和數(shù)量可大致估測出建筑物的高度。將建筑物的其他尺寸都估測一遍，為后期的虛擬三維校園建筑建模做好參數(shù)準備。

使用手機或相機拍攝采集到的照片可以作為建筑物的外形參考以及貼圖的選擇與制作，根據(jù)實際拍攝到的建筑物照片制作或者選擇相似的貼圖使用Photoshop進行修改后使用[6]。

2.3 ?貼圖的制作與處理

拍攝采集到的建筑物照片是建筑建模的貼圖參考，因此拍攝照片要保證色彩、比例等與真實建筑之間的差距不大，不能出現(xiàn)顏色失真，嚴重畸變等問題，否則會影響到制作出的貼圖，導致顯示效果不理想，不同建筑物中相同材質(zhì)的部分應使用同一種貼圖以減少渲染的負荷。

3 ?模型的建立

三維模型效果的好壞直接影響到用戶的使用體驗，因此三維模型的建立是非常重要的一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)主要使用3ds Max軟件和Photoshop軟件進行制作。

3.1 ?建筑場景三維建模

3.1.1 ?三維建模方法的選擇

場景建筑模型建模中有許多建模方法，其中一種方法是單純使用貼圖來模擬顯示建筑，即標準基本體建模，這種方法建立模型比較簡單，但是建立的模型不能很好地表現(xiàn)出不規(guī)則墻體的立體感，在許多視角如俯視上的顯示十分不真實，容易失真，并且處理貼圖時很繁瑣，因此本項目不使用此種方法。另一種方法是每個三維建筑結(jié)構(gòu)都用多邊形面去進行模擬建立，即多邊形建模，這種方法建立的模型真實度高、陰影真實和立體感好，但是這種建模方法建立的模型一般面數(shù)都會比較大，模型應用在Unity3D中制作校園漫游時容易卡頓，所以也不使用這種方法。

結(jié)合兩種方法的優(yōu)勢，在建模時對于較為平整的面使用貼圖顯示，對于凹凸較大的精細的細節(jié)結(jié)構(gòu)使用多邊形面片進行模擬，這樣能制作出面數(shù)相對少且三維立體效果較好的建筑場景模型。

3.1.2 ?三維建模的步驟

以廣州工商學院國際學術(shù)交流中心建筑模型的制作流程為例闡述三維建模的步驟：

（1）根據(jù)衛(wèi)星二維平面地圖作為校園建筑模型地形的參考圖，根據(jù)平面地圖尺寸比例制作出廣州工商學院國際學術(shù)交流中心的地面部分。

（2）使用多邊形建模方法制作出場景建筑模型的大致主體結(jié)構(gòu)，制作出門口、圍欄、窗戶、樓頂?shù)冉ㄖＰ痛渭壗Y(jié)構(gòu)，然后將這些結(jié)構(gòu)根據(jù)地圖放置到相應的位置上并調(diào)整好比例和角度。

（3）優(yōu)化該三維模型。對具有相同材質(zhì)的多個模型進行組合，統(tǒng)一賦予材質(zhì);檢查是否有重合頂點并將重合的多個頂點焊接成一個頂點;將不可見的多邊形面進行刪除;對場景建筑模型的各個結(jié)構(gòu)部件和建筑主體進行組合重新命名，如圖3所示，為優(yōu)化好的，未進行貼圖制作的場景建筑模型。

（4）用Photoshop軟件制作貼圖材質(zhì)。

（5）制作好貼圖材質(zhì)后將其賦予到相應的多邊形面片上，此步驟中，根據(jù)建筑模型不同，部件的選擇使用UVW展開工具或者UVW貼圖工具，并且查看是否存在著多邊形面重疊的情況，存在重疊的面片進行調(diào)整，建立完成的三維建筑模型如圖4所示。

根據(jù)上述的操作分別制作出其余建筑模型，并按照衛(wèi)星二維平面地圖上的建筑所在位置擺放好，制作出只有建筑物的三維校園景觀沙盤模型的雛形。

3.2 ?沙盤模型環(huán)境的制作

校園環(huán)境指的是校園建筑室外的環(huán)境，主要包括樹木、花草、雕塑、路燈等設施，這些都是校園環(huán)境的重要組成部分，這些組成部分可以讓三維校園景觀沙盤模型的色彩更加豐富、真實感更強。由于校園環(huán)境顯示效果的需求，采用面數(shù)較少的簡單模型建立。

3.2.1 ?樹木模型建模

樹木模型建模的方法一般有三種：

（1）單面片建模。

（2）面片十字交叉建模。

（3）真實樹木建模。

其中真實樹木建模所產(chǎn)生的面數(shù)過多，模型應用在虛擬校園漫游系統(tǒng)時容易產(chǎn)生卡頓，所以不使用這種方法;而單面片建模建立的樹木模型顯示效果沒有面片十字交叉建模建立的樹木模型好，所以選用面片十字交叉建模方法建立樹木模型。

面片十字交叉建模方法需要用到兩片多邊形面片和一幅含有Alpha通道的透明貼圖。首先在Photoshop中制作出含有Alpha通道的樹木貼圖，如圖5為樹木貼圖及其Alpha通道圖層。

然后在3ds Max創(chuàng)建兩片十字交叉的多邊形面片，把樹木貼圖賦予到兩片多邊形面片上，注意圖片的方向準確，并且樹干部分要到達圖片的底端，在樹木貼圖的材質(zhì)設置中設置好Alpha通道的信息，制作出的面片十字交叉樹木模型就能顯示出樹木部分，而其他空白部分則為透明。

3.3.2 ?花壇模型建模

建立花壇模型選擇使用簡單的模型加上貼圖顯示來制作，首先按照花壇的外輪廓制作出花壇底座，其次用三維基本體制作底座上方的方形灌木叢，接著就是制作生長在方形灌木叢中的景觀樹，最后用面片模擬不規(guī)則長出的葉子。

3.3.3 ?其他部件模型建模

花壇模型和樹木模型建模完成后，繼續(xù)使用多邊形面片建模方法繼續(xù)建立路燈、地面、路肩等三維模型。

4 ?校園景觀沙盤三維模型的整合集成

將所有建立好的三維模型根據(jù)衛(wèi)星二維平面地圖上的位置和大小，優(yōu)化調(diào)整好角度和比例后，按照相應的位置進行擺放，并且根據(jù)建筑物或者類型進行組合重新命名，這樣校園景觀沙盤三維模型就集成完畢了，然后再使用這個校園景觀沙盤進行渲染效果圖的工作，圖6為校園景觀沙盤效果圖。

5 ?結(jié) ?論

本文主要是對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中需要的建筑模型和綠化景觀的建模方法進行研究，并用3ds Max制作完成了虛擬校園漫游系統(tǒng)中的部分校園景觀沙盤三維模型，使用Photoshop圖像處理軟件制作模型的貼圖，并把建立好的模型進行了整合，形成完成的景觀沙盤，為虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)提供了基礎(chǔ)模型。

參考文獻：

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[3] 姚孺婧，李林森，張煜鑫.基于3dsMAX實現(xiàn)三維虛擬校園場景建模 [J].安徽工業(yè)大學學報（社會科學版），2018，35（2）：58-59.

[4] 李亞威.基于ArcEngine的三維數(shù)字校園信息管理系統(tǒng)研究 [D].鄭州：華北水利水電大學，2019.

[5] 黃濤.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究和實現(xiàn) [D].桂林：廣西師范大學，2014.

[6] 汪俊峰，王星東，段智永.基于Unity 3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)設計分析——以河南工業(yè)大學校園設計為例 [J].河南科技，2016（17）：45-47.

作者簡介：李滿（1966.12—），女，漢族，河南南陽人，副教授，本科，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能;鄧俊權(quán)（1997.10—），男，漢族，廣東廣州人，本科，學士學位，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)。