构建三维虚拟校园模型关键技术的应用研究

曾雪松，吕　争

（信阳职业技术学院数学与计算机科学学院，河南信阳464000）



构建三维虚拟校园模型关键技术的应用研究

曾雪松，吕争

（信阳职业技术学院数学与计算机科学学院，河南信阳464000）

［摘要］与二维数字校园相比，三维虚拟校园因其集成了数字化、可视化、信息化等多种技术而更能逼真形象地反映校园实景。本文主要分析研究了构建三维虚拟校园的关键技术应用，如三维模型建模技术、三维全景技术、纹理映射技术和贴图烘焙处理技术等，旨在为三维虚拟校园模型创建和开发提供理论依据。

［关键词］三维虚拟校园；三维全景技术；纹理映射；贴图烘焙

三维虚拟校园也称三维仿真校园，是利用数据处理技术、地理信息技术、计算机网络技术和虚拟仿真技术等来构建校园三维立体的模拟场景图和配有交互功能的数字化平台。一方面，它是学校对外宣传与交流的一种全新开放窗口，使用这个窗口，学生和家长可以从图文并茂、有声有色和全方位多角度的校园特色展示中有针对性地观察和了解学校。另一方面，使用三维仿真技术能使校园实物景观数字化，更加直观地展示校园空间布局，从而可为学校在景观设计和整体规划方面提供必要的参考。因此，从应用前景和技术实用方面来讲，研究三维数字化校园建设的关键技术具有重要意义。

一、三维模型建模技术

校园模型主要以建筑物为主，其次是校园景观，地形地貌。用户最关心的往往不是校园景观，而是校园建筑和校园建筑所能承载的文化内涵。因此，在三维虚拟校园构建时，应该突出校园建筑物，针对不同的建筑物采用不同的建模技术。如要求精度高的规则建筑物，可采用基于3DS max和autoCAD结合的人机交互技术来实现，而对一些结构复杂，又不需要展示细节的建筑物，则可以采用点云建模或三维激光扫描技术解决。

另外，公告板技术和透明十字交叉贴图技术能够很好地解决三维虚拟校园景观建模。如校园路灯、垃圾桶、警亭等规则物体建模尽可能采用公告板技术，通过贴图把带有Alpha通道的图片映射到模型中，保证观察者视角与观察平面呈垂直状态，实现视觉正面效应。对于校园树木、花草等一系列大量不规则景观，则采用透明十字交叉贴图技术，即选择两块长宽一样的互相垂直平面作为基面，然后将Alpha通道纹理贴图映射到基面上，形成一个立体感视觉模型图像，如图1所示。在纹理贴图图像进行调试时，要尽可能地注意图像保真，直到一个令人满意的量度为止。为实现校园环境真实的再现与烘托，还需要以校园建筑和景观为中心设计大地、天空、山脉、河流等背景。每一个学校都有一个中心线，可以利用SketchUp软件来对其他场景进行有效组织和编排，最终形成一个远近和谐、自然真实的三维虚拟校园模型。

二、三维全景技术

借助数码相机对物体进行多角度、多方位的拍摄，拍摄一组原始照片，如图2所示，然后把多张照片拼接到一张合成的全景图，如图3所示，利用专业播放软件进行三维空间展示的一种基于真实场景的虚拟现实技术，称之为三维全景技术。使用这种技术可以更加真实地增强立体感，更好地展示空间物景效果。国外一些科研机构和高校在使用三维全景技术时，采用一种叫做ONESHOT技术方法，实现了一次拍摄取景，即通过对全景矩形投影图的计算，然后对图像进行详细拼接，最后使用网络软件真实还原三维场景。在我们国家，大多三维全景取景方法采用球形取景或柱状取景。这种方法简易可行，通过全景数码相机对物体图像进行多角度的拍摄，把采集到的图像使用Photoshop专业软件进行完整拼接，最后使用全景漫游软件对全景进行二次开发，以实现三维全景视频显示动态效果，如图像淡入淡出、音频播放、导航链接等。

三、纹理映射技术

图1　透明贴图法建模原理

图2　拍摄原始照片一组

图3　合成的全景图

纹理映射技术是一种有助于强化物体的真实感和情景性，能够清晰地表达出物体景观细节的处理方法。在三维虚拟校园模型中，利用近距离实地取景技术过于繁琐，设置的远距离物体几何模型相当复杂，采用纹理映射技术则可以化繁为简，复杂建筑物的表象特征可以用高清图片清晰勾画出来。纹理贴图映射的建筑实例如图4所示。在进行物像采集时，可以分类处理，如建筑物顶层图像常应用航空正影摄像技术拍摄，但在航拍时，可能会出现拍漏、少拍或不清的，则可以采用相近的纹理替代，或通过Photoshoop软件进行局部优化处理，最终形成一个协调的整体。

贴图技术能够很好地、逼真地展示三维虚拟校园场景，但因为贴图文件会占用很多网络资源，导致模型的显示速度颇受影响。因此，在处理纹理贴图时，要尽可能使用小纹理图像，避免大纹理图像使用，这样大大提高了图像显示效果，减少了三维模型渲染输出时数据的读取时间。

图4　纹理贴图映射效果图

四、贴图烘焙处理技术

简单地说，贴图烘焙技术就是先把光照信息渲染成贴图的方式，然后把烘焙后的贴图再贴回原场景中去的方法。光照信息变成了贴图，增强了模型的真实感和亮度，不需要CPU再去费时计算，提高了场景渲染速度。

贴图通常由高清数码相机拍摄获得，图片清晰度越高，图片占用内存越大，模型的渲染耗时长，显示速度就明显降低，因此，处理贴图需要兼顾考虑质量和速度二者的矛盾。为了解决这个难题，可以首先从基础工作做起，当拍摄贴图时，尽可能使用相机沿着垂直方向旋转拍摄，从而减少后期图像拼接运算量；同时，利用PhotoshopCS6，Gif movie gear等常用软件对图像进行污点清除、对比度调节、方位调节、色彩调整、镂空装饰等，进而形成一张无缝平铺的贴图，并存储为压缩率高的JPG或PNG格式。

另外，不需要使用贴图烘焙的门框、窗户、玻璃和栏杆，尽量不用烘焙；需要使用烘焙的物体贴图遵循满足图像清晰展示的前提下，应尽可能地控制烘焙贴图尺寸大小，尺寸规格使用2的n次方规划。据相关资料论证，小型物体的贴图烘焙尺寸应尽量不超过128×128，一般建筑物贴图烘焙尺寸只需512×512即可，大型建筑物烘焙贴图尺寸选择1024×1024就好。通过上述两种方法，就可以大大提高贴图质量，也不明显降低模型显示速度。

随着智能跨平台终端设备的广泛应用，以及四网融合技术的进一步发展，梳理和研究三维虚拟校园模型建设关键技术具有实用价值，三维数字化仿真校园开发也将成为新时代全真虚拟技术的一个典型应用。高清、逼真的三维数字化仿真校园将承担的不仅仅是学校形象展示的功能，还将整合学校教学、学术科研以及相关业务查询等功能，必将推动校园数字化平台的进一步发展。

参考文献∶

［1］李芳，肖洪，杨波，周亮，刘宇鹏.三维数字校园的设计与实现［J］.系统仿真技术，2010（1）∶71- 75.

［2］袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术［D］.南京理工大学硕士论文，2006∶20- 24.

［3］杨宇行.构建三维数字校园的关键技术应用研究［J］.Com puter Era，2015（9）∶24- 25.

［4］逯海勇.建筑装饰计算机效果图制作［M］.北京：科学出版社，2013（6）∶74- 90.

［中图分类号］TP

［文献标识码］A

［文章编号］1673- 0046（2016）4- 0173- 02