基于C＃和Direct X的三维虚拟校园构建探讨

张继超，马洋洋，董塞漠

（1．辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新123000；2．中国伊斯兰教协会，北京100053）

随着虚拟现实技术的发展和“数字地球”概念的提出与广泛实践，对三维虚拟校园的构建研究也越来越多。三维虚拟校园可提供校园的虚拟环境，让人足不出户就能实现对该场景的漫游与交互，从而达到身临其境的主观感受。

Direct X自从1995年出现以来，己成为目前计算机领域中最广泛的3D标准规范，在众多3D开发领域得以应用。而C＃开发语言，不仅能够实现对Direct X自身强大的渲染功能的调用，而且能将操作者的意图运用图像界面流畅地表现出来［1］。3DSMax是由Autodesk旗下的公司开发的三维建模和动画制作软件，具有强大、完美的三维建模功能，是当今世界上最流行的三维建模、动画制作及渲染软件。本文利用 C＃调用 Direct X［2－3］，结合3DSMax建模工具，对三维虚拟校园的构建方法进行探讨，并以辽宁工程技术大学（中华路校区）为例，实现了三维虚拟校园的初步构建。

1 三维建模背景及相关理论

1．1 三维建模理论

三维模型是物体的三维多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的东西，既可以小到原子，也可以大到很大的尺寸。任何自然界存在的物体都可以用三维模型表示［4］。

三维模型广泛用于任何使用三维图形的地方。实际上，它们的应用早于个人电脑上三维图形的流行。许多计算机游戏使用预先渲染的三维模型图像作为sprite用于实时计算机渲染

近年来，随着数字城市的发展，三维模型也在地球科学领域得到广泛应用，如建立数字高程模型、三维地质模型、数字小区、数字校园［6］等。

三维模型本身是不可见的，为增加模型的真实效果，常采用纹理映射或其他方法（如调整曲面法线、立体渲染等）来增强模型。

1．2 摄像机视图矩阵

为了将真实世界的对象以三维模型的形式表达出来，需要将世界空间的对象先转换为模型自身的空间坐标系，然后利用摄像机空间展示显示区域，其转换过程如图1所示。

图1 三维坐标转换过程

摄像机空间转换的过程需要3个参数：即摄像机位置、目标位置以及摄像机上下方向，这3个参数又称为摄像机矩阵，都为空间向量［7］。在Direct X中可以通过这3个向量形成一个视图矩阵。即以摄像机位置为起点、摄像机目标位置为终点的单位向量作为摄像机空间的Z′轴坐标（相对于世界空间），然后根据左手法则或右手法则计算出摄像机空间的X′轴坐标，最后计算出摄像机空间的Y′轴坐标。所以视图矩阵中保存摄像机空间X′，Y′，Z′轴坐标在X，Y，Z方向上的分量，以及在摄像机空间中世界坐标原点的位置，如图2所示。

图2 视图矩阵

2 C＃调用Direct X构建虚拟场景

利用C＃调用Direct X接口，完成场景的搭建、材质灯光的导入、场景整体渲染、摄像机导入等功能。

2．1 项目初步配置

1）新建项目并添加新建项。新建一个Visual C＃空项目，设置其项目名称，在解决方案资源管理器中选择项目名称并添加新建项。

2）添加窗体及引用。在 “添加新项”窗体上选择“Windows窗体”模板，完成窗体添加，并在主菜单上选择“项目—添加引用”，在．NET中添加Direct X和 Direct X．Direct3D（X）等组件，完成 Direct X的调用。

2．2 3D场景底图构建

在全局中定义顶点变量，设置贴图图片上的水平和垂直位置的坐标分别为Tu和Tv，其中贴图坐标（0，0）表示图片左上角，贴图坐标（1，1）表示右下角。在全局中定义贴图变量texture及材质变量material，分别用于保存贴图图片对象和材质对象，通过指定材质类型可以设置三角形表面的反射等方式。将场景图片文件复制到项目目录下作为场景的底图，并修改渲染函数，导入贴图和材质函数的相关代码，进行渲染，然后以上述类似的方式绘制三角形，将两三角形拼接到一起，构建整个场景底图。

2．3 摄像机导入及设置

调整三角形顶点坐标及摄像机位置，然后修改摄像机函数Set Up Ca mera（）中视图矩阵的代码，对摄像机进行旋转［8］。以围绕Y轴选择为例，首先在全局中定义旋转角度及摄像机位置等变量，然后修改摄像机函数，设置键盘输入的Left和Right键来控制摄像机的左右旋转，并通过直接添加窗体的On Key Down（）重载函数来实现。

值得注意的是，上述过程实现了摄像机左右旋转的功能，但是这个旋转是相对于世界坐标系的Y轴，如果摄像机空间坐标系的Y轴和世界坐标系的Y轴不为同一个方向，这将导致旋转功能无法完全实现。因此在定义旋转轴时，应以摄像机空间坐标系的Y轴方向为旋转轴。除了左右旋转外，摄像机还应具有上下旋转来调整视角的功能，此时，其旋转轴为摄像机空间坐标系的X轴。

摄像机缩放的控制，可以通过设置摄像机位置的比例函数Scale（）来实现。在窗体的 On－Key Down（）重载函数中添加缩放摄像机代码，并可设置键盘快捷键（如键盘加号（＋ 表示放大、减号（－）表示缩小）控制摄像机的放大和缩小操作。

2．4 绘制基本几何体

通过Direct3D绘制的每个对象都是由三角形组成的，一个三角形由3个点组成，而每个点都定义成一个向量来指定点的X，Y，Z坐标。所有基本体，主要是由长方体和球体组成［9］。对于任意一个六面体，其各顶点坐标编号如图3所示。

图3 六面体顶点坐标编号

通过绘制12个三角形即可形成图3所示的六面体，将该六面体的顶部和底部面、四周的面进行展开。值得注意的是，为了使顶面的法线向外（即顶点序号按顺时针排列），对于底部的面采用序号反向使得绘制的三角形可见。其结果如图4所示。

图4 立方体绘制结果

2．5 几何体的复制、贴图及场景搭建

在Direct X中，几何模型对象基本上都是通过Mesh来表示，它也是组成三维场景的基本元素之一。Mesh类具有一个Clone（）方法用于复制网格对象至另外一个网格对象中，修改全局变量、初始化函数及渲染函数的相关代码，复制长方体，将之前建立的场景与几何体结合到一起，合并相关代码，进行整体三维场景的搭建［9］。将相关几何体进行材质贴图，使其变成完整楼体。

3 3DSMax模型构建

Direct X虽然可实现用户交互功能，运用鼠标与键盘的输入，多角度观测整体场景，但该软件的精度不高，对三维模型细节的渲染不够完善。因此，本文应用3DSMax软件对部分三维模型进行制作及渲染。

建模过程包括：三角网搭建、元素的对齐、线条的挤出、布尔运算、图形的缩放、空间坐标的选定、材质编辑以及渲染参数的设定等。

下面以致远楼为例，阐述3DSMax模型的构建过程。

1）绘制长方体，并设置其长、宽、高及材质，作为部分楼体轮廓，如图5所示。

图5 楼体轮廓

2）建立指定长方体，与楼体轮廓相交，运用布尔运算、复制阵列等，对楼体轮廓进行抠图，作为门窗的位置。

3）制作门窗，运用多个尺寸不同的长方体，按固定位置进行摆放，作为窗框、门框和玻璃，然后找到相关元素的材质参数，编辑材质，如图6所示。

图6 窗户制作

4）以同样的方式制作楼体轮廓的中心部分。运用镜像功能将楼体轮廓的右侧部分镜像并作为楼体的左侧部分，最后运用3DS的“倒角”和“挤出”功能，制作楼体的顶部及侧面元素并设置材质，如图7所示。

图7 镜像后模型

5）将所有制作完成的模型进行拼接，增加天光，设置高级照明参数并进行映射纹理，对模型进行渲染，如图8所示。

图8 渲染后“致远楼”模型

4 三维虚拟校园的构建

本文以辽宁工程技术大学（中华路校区）为例，结合校园遥感影像图和建筑物侧面照片纹理数据，进行了三维虚拟校园的构建。

4．1 3D场景互动平台构建

将校园遥感影像文件复制到项目目录下作为场景底图，修改渲染函数，导入贴图和材质函数的相关代码，进行渲染。然后，修改鼠标控制相关代码，得到校园3 D场景互动平台，如图9所示。

图9 校园3D场景互动平台

4．2 校园三维模型导入

在3DSMax下，选择具有普遍性、代表性以及真实场景的特殊性地物，完成典型地物要素的三维精确建模。主要包括：编辑地形、水泥地面及主要建筑物的导入、花坛的设计、草坪的渲染，并增加树木、垃圾箱、路灯等地物，提高虚拟校园的视觉效果。部分效果如图10所示。

5 结束语

本文基于C＃调用Direct X，辅以3DSMax实现了三维虚拟校园的构建，包括三维场景的搭建；楼体元素的构建及导入；楼体贴图函数的运用及场景图的渲染；其他实体模型构建与导入；灯光及材质代码的编写；摄像机位置设置等。用户能够通过鼠标键盘等设备输入相关消息，并可以对三维场景进行多角度操作，真正实现了系统的用户交互功能。此外，通过3DMAX软件制作的模型场景，补偿了Direct X的表现效果，完善了三维虚拟校园的元素细节，增加了真实感。

［1］ 肖泽云．基于Visual C＃的Direct X开发实例［M］．宜昌：三峡大学出版社，2010．

［2］ 吴昊．关于C＋＋BUILDER语言的Direct X开发问题的研究［J］．软件导刊，2006，5（6）：67－69．

［3］ 李震宇．游戏开发之路——在C＋＋Builder中进行Direct X编程［J］．电脑编程技巧与维护，2000，6（3）：72－86．

［4］ 马萍．三维虚拟校园立体场景的设计与实现［D］．济南：山东师范大学，2013．

［5］ 孙明杰，韩超．用C＋＋6．0和Direct X实现太空射击游戏引擎［J］．科技广场，2006，18（5）：77－79．

［6］ 王建敏，王凯，孟凡帅．校园三维景观设计与实现［J］，测绘工程，2011，20（3）：62－64．

［7］ 徐黎明．Visual C＋＋下Direct3D坐标变换的实现 ［J］．软件导刊，2008，7（2）：77－79．

［8］ LAH SAU MENG，KELVIN．Design and Development of a Peer－to－Peer Online Multiplayer Game Using Direct X and C＃［A］．TENCON 2004 IEEE Region 10 Conference，Singapore，2004：278－281．

［9］ FENGHUA SHI．Visualization Modeling of Mine Road way based on Visual C＃［J］．Co mputer Society，2008，18（5）：271－275．