三维虚拟校园漫游研究设计

2015-03-18史素霞宋志英

产业与科技论坛 2015年8期

□史素霞宋志英

一、引言

在当今“数字城市”和“智慧城市”的大背景下，数字校园作为这个大背景的微观组成部分，越来越受到大部分高校的青睐，尤其是三维数字可以通过网络漫游系统的发布，可以更加方便地实现社会上对校园的认识和了解。目前，三维虚拟校园的实现主要有两种方式:一种是发挥高级编程语言的优势，完全运用编程方式实现，如VRML、OpenGL、Java3D等;另一种则运用集成的3D建模软件建模实现，如3Dmax、Maya、Skyline等。

二、校园景观三维建模

目前，实现三维建模的软件较多，可以根据任务需要和各种软件在三维建模中优缺点合理选择三维建模方式，以下简单介绍几种常用到的三维建模软件。

(一)Auto CAD三维建模。Auto CAD在三维建模方面具有速度快、精确等优点，同时Auto CAD包含工程标准、精确材质赋予以及大量的属性数据及用于工程规划和静态图形生成的、基于复杂规则的数据。但它在光照和纹理贴图等方面的效果相对于3DSMAX差一些。AutoCAD建模时对图上所有地物按材质进行分类，如:湖泊、苗圃、林地、路灯、建筑物、井盖等。分类完成后再按照不同地物类别提取相应图层，以地物分类名对图层进行命名，并且提取每个图层保存为一个AutoCAD文件。对比较有代表性的建筑物进行建模，为了提高建模速度最好每一个建筑保存一个文件。对于经常要用到门窗、阳台等模型，最好先各自做好一个模型进行保存，根据需要可进行复制和修改，以提高建模效率。将建好的各部件模型复制到提取出的建筑物图层中，完成建筑物三维建模，并移动建筑物到实际的坐标位置进行保存，其他地物建模方法同建筑物建模方法，各种地物模型建好以后，整合到一个统一的Auto CAD文件中完成整体校园的三维建模。

(二)Creator三维建模。MultiGen Crearor是美国Multi-Gen-Paradigm公司开发的一款功能强大、交互式的三维建模软件，专门用于创建视景仿真的三维模型。它通过“所见即所得”的交互式建模环境使用户可以方便地对模型进行编辑，其强大的建模工具箱，可以对现实世界中各种复杂对象完美表达。综合应用Creator的建模工具和关键技术可以得出最优化的三维模型。

Creator校园三维建模在对校园地物进行分类基础上，一是按照校园地物复杂程度进行二级或者三级分类，鉴于一般规模校园进行二级分类就可以，比如一级分类可包括建筑物、交通设施、绿化场、休闲娱乐设施等。在一级分类基础上再进行更加详细的二级分类，比如建筑物类里包括餐厅、教学楼、办公楼、学生公寓、图书馆等，其他分类同此法。Creator校园三维建模所用数据包括通过传统测绘方法得到的空间数据，也可以由遥感影像数据数字化得到这些空间数据，包括平面数据和高程数据，空间数据质量的好坏将直接影响模型建成后的精度，由于一般学校管理或者参考的三维模型对精度要求不是太高，所以空间数据精度对于建模容易得到保证。二是用于体现各地物真实感的纹理数据，纹理数据的质量往往直接影响地物的真实感，纹理数据的采集可以采用高分辨率的数码相机，在纹理数据的采集过程注意从多个角度对各地物进行纹理数据采集，同时要注意数据采集的天气情况、背景以及成像的稳定度，这些将影响到模型的美观效果。纹理数据的后期制作主要借助于图形处理功能，主要是光学效果处理有很大优势的phtoshop来完成，主要是根据实际地物大小制作合适的纹理单元，再者为了将来模型美观往往对纹理进行一些亮度、变形处理，目的是使纹理数据既能保证模型的真实感又不失其观感性。Creator建模借助于工具箱提供的各种标准几何体来完成，比如:一般标准矩形建筑物可由box工具直接来完成，可以根据cad等底图勾画出既有建筑物的平面轮廓，在根据高程数据将建筑物拉伸到实际高度即可。不同楼层可以有纹理数据来反应，一般采用四点映射法贴图处理。对于比较复杂的观赏性较强的建筑物则需要借助工具箱里的多种几何体来实现。需要注意Creator在构建模式一般采用自下而上的顺序来进行。三是进行模型优化处理，对于模型中数量比较多的，形状完全一致的地物，可以采取实例化的方法减少数据冗余度，实例化方法显示模型其实质是对内存中的原始模型进行坐标平移、比例、旋转变换。对模型进行LOD(Level of Detai l层次细节技术)处理，应用LOD技术主要是基于提高仿真系统显示速度考虑的，在实时应用系统运行时根据视点到对象的距离来确定绘制哪个级别的模型，因为视点距离较远时绘制细节程度较高的模型对仿真效果没有多大提高，反而影响系统运行速度。

(三)3DMax三维建模。3DMax是Autodesk公司开发的基于PC系统的，主要用于各种物体三维建模、可视化设计、动画和渲染等解决方案，是一种制作建筑效果图和动画制作专业工具，因此3DMax在校园三维建模中具有明显的优势。3DMax建模的流程大致如下:首先启动软件，设置单位，一般单位设置为米，以CAD底图为基础进行三维建模，直接导入CAD底图在此基础上勾画出各种地物(主要是建筑物)的轮廓，如果没有CAD矢量图，可以在影像图如googleearth上截取建筑物底图，通过测量确定所截取建筑物图片长宽比例。然后根据这个比例创建box，截取图片贴到box确定建筑物长宽，根据截图进行建筑物轮廓勾画，确定建筑物的材质。最后根据高度信息挤压建立建筑物的立体模型，将采集的纹理数据进行贴图，进行模型的优化，包括模型结构优化和模型贴图优化，模型结构优化主要是在保持模型实际效果的前提下，尽量减少不必要的点、线、面造成的冗余度。贴图优化主要是针对纹理数据进行亮度处理，根据需要调整纹理像素尺寸，以达到视觉效果更加逼真。

(四)Sketchup、skyline等比较简单快捷的建模方法。以上每种建模方法都有其优缺点，这就要求在进行校园建模时，根据实际场景需要可以选择多种建模方法实现优势互补，比如为了达到逼真的视觉效果，在建筑物建模时可以采用光度处理效果比较好的3DMax，而对于数据精度要求不高的绿地植被等可以考虑建模比较方便适用于景观设计的Sketchup建模软件，总之在进行建模的过程中要达到效率和质量的最佳结合。

三、基于Unity3D三维数字校园漫游设计

Unity3D是一种跨平台的三维动画漫游软件，该软件除了具备常规的动画漫游外，还具有一定的编辑功能，Unity3D作为一个整合跨平台的专业三维动画引擎更适合三维数字校园漫游系统的实现。除此之外Unity3D具有较高的性价比，并可以将三维效果图以网页方式使不同用户进行浏览，且不需要任何客户端。Unity3D支持各种脚本语言，其中包括JavaScript、C#、Python，兼容各类操作系统，真正地实现跨平台。

Unity3D实现三维数字校园漫游首先利用各种建模软件进行三维数字校园建模，并导出fbx.格式文件，建立场景数据库，开发者在对用户信息进行调查的基础上，按相机控制、碰撞检测最后进行Unity3D渲染完成虚拟现实的实现。由于校园场景要实现网页浏览，因此对软件大小有较高要求，必须保证用户在网络上浏览的畅通。