山东建筑大学三维虚拟校园设计与实现

2014-01-23柳浩张子民周英

山东建筑大学学报 2014年3期

柳浩，张子民，周英

（1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101）

0 引言

自1965年虚拟现实基本思想的提出至今，虚拟现实技术已经得到了飞速的发展。美国首先将虚拟现实技术应用于军事领域；英国在并行处理、应用研究方面和辅助设备设计中，在欧洲处于领先地位；日本主要建设大规模的虚拟现实知识库和虚拟现实游戏［1］。在我国，虚拟现实领域目前还处于探索和技术跟踪阶段，部分国内高校建立了虚拟现实系统或虚拟校园，但均未取得良好的实际效果［1］。虚拟校园建设总体上还停留在原始的软硬件建设方面，并没有取得实质性的突破，基于虚拟现实的三维校园的研究和应用具有巨大的潜力。国外虚拟校园的建设已经实现了完全虚拟化，而在国内，虚拟校园一般依附于实体校园。在数字校园的建设上，国外专注于开放式教育管理，而国内目前的重心仍在文化宣传和校园二三维界面的展示上［1］。高校校园作为城市文化的重要组成部分，对建设生态城市，体现地域特色，传承校园文脉具有重要作用，构建人与自然和谐共处，形成深厚文化底蕴的校园生态环境，已经成为高校校园规划建设的首要目标［2］。同时，数字校园是数字城市一个重要的组成部分，随着社会信息化建设步伐的加快，各高校纷纷建立起了各自的校园地理信息系统 GIS（Geographic Information System），并在学校信息化管理中发挥着重要的作用。但由于大多数的校园地理信息系统都是基于二维的，虽然其功能比较完善，仍无法直观地对地物进行表达。随着虚拟地理环境概念提出和相关技术的发展，三维GIS技术结合虚拟现实技术在校园地理信息系统的建设中应用也越来越广泛。在国外，较早的VRGIS系统是乔治亚技术学院的校园GIS。其支持开发者Faust描述了一个完善的校园VRGIS应该具备的特征［3］。三维场景建模以直观的地物和三维地形等代替抽象的地图的符号，这就使得地图超出了原始的、传统的地理空间信息的范畴。三维虚拟校园系统为数字校园提供了一个三维平台，它生动地展现了较为真实的校园景观。文章通过建模软件和GIS建立的校园三维模型可以将整个校园在计算机上虚拟再现，在构建的虚拟场景中观察学校建筑的风貌、审视规划布局和空间设计，为校园管理和服务提供一个科学简便、形象直观的可视化人机交互平台［4－5］。

1 三维建模方法

将校园中的各类自然和人工地物进行三维建模是三维虚拟校园实施中重要的基础工作。目前，借助现代测绘技术已开发出了多种三维建模方法，但他们在适宜的建模范围、模型精度和质量等方面存在差异。

1.1 数字摄影测量方法

数字摄影测量的方法具有精度高且速度快等特点，能有效地兼顾速度和逼真程度，尤其是对于大范围区域的三维建模时具有显著的优越性。例如程效军等人曾用此方法实现并制作了某校园及其周边的三维模型图［6］。此方法适用于较大范围的三维建模，如建立数字城市。由于该系统设备昂贵，难以用于校园的三维模型的建立。

1.2 激光扫描方法

利用激光扫描技术通过扫描仪对建筑物扫描得到原始的点云数据，并将这些多视点的点云数据进行拼接、滤波处理，得到了用于三维建模所需的建筑物表面的点云数据，再将这些处理后的点云数据根据建筑物的各个组成部分进行单独的建模，得到建筑物的三维模型［7］。清华大学土木工程系地球空间信息研究所利用激光扫描技术对清华大学进行三维景观建模，实现了数字校园。该技术应用到校园建模中即在空中以较大的倾斜角度用激光扫描校园，获取校园的建筑和地形的三维点云数据进行处理和分析，勾勒建筑物的线框，附加材质进行模型渲染，进而形成三维模型［8］。但该技术用于校园三维建模时精细度不够，侧面纹理难以全面获取并且成本较高。

1.3 三维GIS软件建模方法

为顺应数字城市的发展需求，三维GIS已成为了GIS软件研究的热点。很多GIS软件针对不同应用领域，都提供了一系列的三维建模功能，如地表景观建模、城市三维建模、三维地质建模等［9］。GIS软件一般采用的建模方式为：根据二维线划数据和DEM高程数据，通过拉伸创建三维模型。这种方法适于简单地物的快速建模，例如生成建筑物的盒子模型，但对较复杂的地物难以处理。

1.4 3D软件建模方法

对于发展较为成熟的三维软件，可以将单个模型建立的非常逼真，并能精确的表示其材质特征和精细结构，使得到的三维模型逼近现实，特别是对一些不规则的建筑物（例如桥、凉亭、拱顶、塔状建筑物等）和自然物（例如景观树、湖面等）的建模时，相比其他方法具有明显的优势。三维软件具有的很多辅助设施的模型，如树、绿化带、单体建筑等，能够极大地简化了建模地工作量［10］。

2 山东建筑大学数字校园建设概况

数字校园基于“数字城市”的理念和技术，为学校的办公、管理和服务提供一体化的网络平台。经过多年建设，山东建筑大学已建成了多项专业的信息系统，包括学生管理系统、教务管理系统、设备管理系统和科研管理系统等。2013年，学校又建设了数字校园综合信息门户，其中提供了信息发布、公共服务、会议公告、电子邮箱、在线地图等一系列功能，方便师生的工作学习并及时地了解学校动态。平台中，对校园风貌的景观展示使用的是滚动图片方式，则校园空间布局展示则是直接链接到网络的二维在线地图上，其上也未集成校园的相关图层和信息。

近年来，随着学校校园建设的快速推进，现有的以二维平面地图结合文字、图片等静态资料为主的数字校园模式，已无法满足校园规划、建设和管理的需要，利用VRGIS技术建立三维的数字校园系统，并逐步集成校园已有系统中的信息，实现符合“数字城市”理念的真正数字校园系统平台，势必成为学校今后信息化建设的重点工作。文章以此为目标，选择更适合数字校园规模的3D软件建模方法，对三维虚拟校园的构建和信息集成进行了初步研究和探讨。

3 三维虚拟校园设计与实现

3.1 技术流程

三维虚拟校园是由多个数据层集成形成，重要的数据层包括地物三维模型、DEM（Digital Elevation Model）和影像，此外，还可以根据需要叠加二维线划图层。校园平面图或设计图是地物三维建模的重要依据和数据源。DEM和影像共同了构成了三维景观模型。根据三维虚拟校园的要求，设计了实施技术流程（如图1所示）。

图1 三维虚拟校园实施技术流程图

（1）资料获取并处理主要获取校园的平面图、高分辨率影像、等高线或DEM数据，以及各类地物的属性信息，例如建筑的名称，建造年代，包含的部门等。对平面图按照地物进行分层提取，主要的地物类有建筑物、水体与植被、交通设施和地下管线等；

（2）单体建模依据提取的单体图层，利用3D建模软件创建单体的结构三维模型。使用相机拍摄单体不同立面的照片，经过图像处理和裁切，形成128×128或256×256尺寸的纹理，并映射到单体结构模型上。最后，设置统一灯光对所有单体模型进行渲染；

（3）创建三维景观模型。利用场景集成软件，对获取的校园影像和DEM数据进行集成，创建校园的三维景观模型；

（4）创建属性库收集校园中各单体图层对应的属性信息，并对其进行统一编码。利用场景集成软件，建立校园的属性信息库；

（5）集成三维虚拟校园将单体模型与三维景观模型和属性信息进行集成，构成三维虚拟校园。如果单体模型本身具有高程信息，则可以作为独立图层叠加到三维景观上，否则可将其以浮动层的形式叠加在三维景观上。属性信息通过一致的编码来与单体模型进行关联。

3.2 单体三维建模

（1）建筑物建筑物是三维虚拟校园的一个重要构成部分，建模工作量最大。为达到更逼真的效果，建筑物采用精建模方式，大于0.5 m的结构体均进行三维建模，小于0.5 m的则使用纹理贴图来表示。纹理都采用建筑物的实景照片经色彩平衡和污点去除等处理后来生成。弧形建筑物墙体需采用投影贴图，否则会出现贴图变形，不能达到预期效果［11］。图2（a）为使用以上方法生成的山东建筑大学逸夫楼三维模型。

（2）交通设施校园交通设施主要包括人行道、车行道、路牌、路灯、站牌、站厅等，其中，人行道和车行道是交通设施建模的主要内容。为更真实地表达道路，并体现道路的不同功能，路面材质和贴图选择时可结合实景照片和定制纹理，选取或制作与实际相似度高的材质与贴图作为纹理。对于其他的交通设施，可以选择三维符号的方式进行表达，对于重点路段，也可按照实际样式来创建逼真模型。图2（b）为创建的一段道路模型。

（3）植被与水体植被包括成片林带、路旁绿化带和古树、景观树等独立树木。树木精细模型的面数较多，一般在上千至上万个面不等。简化建模方法可以采用十字面片形式，模型只需几个面即可，树的外形主要靠贴图来表达。对于成片林带和路旁绿化带，适于使用简化建模方法，种植方式可分别选择片栽和行栽，而景观树或古树则使用精细建模方法，可从模型库中选择相似的树木，或使用分形等方法自己创建树木模型。此外，还可利用ArcGIS的三维建模功能来进一步简化片栽和行栽树木的建模。方法是将选择的树木模型以三维符号的形式来渲染植被二维图层。对于草地和水体，使用面片结合纹理的形式进行建模。图2（c）结合了树木的简化建模和精细建模。

（4）地下管网建立三维的地下管网模型，可极大帮助校园管线及其附属设施的管理，以及新建管线的规划与设计。受资料限制，研究只针对校园供水网络进行了建模，重点是校园供水管线及其接合接口。图2（d）为创建的部分管线模型。

图2 单体三维建模图（a）建筑三维模型；（b）交通设施三维模型；（c）植被三维模型；（d）地下管网三维模型

3.3 三维虚拟校园建模方法

创建校园单体模型后，三维虚拟校园的集成建模需要在三维地理信息软件中进行［12］。ArcGIS是当前功能极为完善的地理信息平台之一，其中也提供了三维地理信息功能和软件，包括ArcScene和ArcGlobe两个软件。ArcScene适合小场景的三维建模，例如数字校园，而ArcGlobe则适用于城市、区域等大范围的三维建模。研究选用ArcScene作为三维虚拟校园集成建模的软件环境。

ArcScene中，一个三维场景常包括：地形、影像、模型和矢量图层。地形可以为不规则三角网TIN格式或栅格格式，作为基本图层，用于为其他图层提供地面海拔高度信息。影像叠加在地形图层之上，从中取得每个像素的高程数据，进而呈现出真实的地表景观。模型和矢量图层用于表达各种地物，他们可以使用自身存储的Z坐标值来确定放置高度，也可选择叠加放置到地形图层上。另外，还可以通过关联操作将地物的属性信息与模型和矢量图形集成。除三维场景创建，ArcScene还提供了很多三维操作和分析功能，包括图层的垂直拉伸、三维动画的制作与播放、场景背景和光照效果的设置等。

3.4 三维虚拟校园实现

集成三维虚拟校园选择在ArcScene软件中完成。首先，将获取的影像和DEM数据调入系统，并将影像作为浮动图层叠置在DEM之上。DEM将作为高程源，来为影像提供高度信息。然后，将建好的单体模型依次导入软件，并作为叠加图层集成到景观模型上。由于单体模型本身包含高程信息，因此可以独立在景观模型上显示。

对于收集的单体属性信息，需要进行统一编码，以支持空间数据的管理和多用户并发操作［13］。设计的属性编码由6位构成，前2位为类型编码，如建筑物为JZ，后4位为顺序编码，根据数据录入的顺序来递增，例如JZ0003表示录入的第三个建筑。校园中各种地类的属性编码分别为：建筑（JZ）、地下管网（GW）、交通设施（JT）、水体（ST）、植被（ZB）。根据类型编码，在属性记录和导入的单体模型上同时增加对应的编码，并利用属性关联功能建立模型和属性间的对应关系。这样，就可以通过模型查询到相应的属性，同时也可通过属性查询找到对应的模型。

4 三维虚拟校园可视化结果展示

基于以上工作，创建了山东建筑大学三维虚拟校园，并实现了校园模型属性信息的关联与查询功能。当在地图中选中某个目标后，在虚拟校园界面中将显示出该目标的相关属性信息。此外还可以通过在查询窗口中输入过滤条件来查询目标地物，查询结果将在场景中以高亮形式显示。图3（a）展示了教学区的部分场景，其中，集成的图层自下而上有DEM、影像和单体模型（建筑物、草地、道路和植被等）。图3（b）是对建筑物属性信息的查询结果。其中，建筑物的属性信息和实景照片均通过建筑物编码与三维模型关联在一起。用户可进行“模型—属性”两个方向的信息查询。此外，还可通过模型透明度的调整，使地下和地上模型同时展现。

5 结语

建设三维虚拟校园是一项长期而又繁重的系统性工程，文章研究了三维校园的模型建立以及系统构建过程中的主要技术流程和关键性技术，设计并实现了山东建筑大学的三维虚拟校园，取得较为满意的试验效果。但由于技术条件和原始数据资料的限制，目前的工作还有待进一步的完善。进一步发展和完善三维虚拟校园系统还需要以下工作：（1）改进校园三维模型的精细程度，实现建筑物室内的三维查询功能与漫游功能；（2）与现有数字校园的信息化功能进行整合，从而可将很多校园服务和管理的功能移植到三维虚拟环境中。

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