基于Web 3D的校园虚拟漫游系统的实现

　　摘要：虚拟现实漫游具有实时性好、交互性强、真实性高等特点，广泛用于产品展示、建筑设计等领域，是一种崭新的信息交流方式。该文着重于校园虚拟漫游系统的场景渲染和交互实现，通过Photoshop图片处理、3DS max建模贴图渲染以及Virtools中场景集成等过程，完成盐城师范学院三维虚拟漫游系统设计。文中详细探讨了3DS max中的建模及贴图技术、LOD技术、Virtools中材质渲染、交互等技术的实现方式。该系统具有良好的真实感以及交互性。
　　关键词：虚拟现实；Virtools；场景建构；虚拟漫游；渲染； 3DS max 建模
　　中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)12-2902-03
　　虚拟现实技术以计算机技术为主，利用计算机等设备来产生一个看起来像真的，听起来像真的，摸起来像真的三维虚拟世界。研究这一技术主要是希望能借助三维、图片处理、交互、3D图形等现代化技术，使用者可以足不出户、不受时间限制来体验虚拟现实技术的一些效果，最大限度地满足使用者的个性需求，以实现真正意义上的校园交互式漫游，为来访盐城师范学院的人员提供全新的访问方式。
　　系统设计实现过程中，首先通过专业相机等设备对盐城师范学院新校区场景对象进行数据采集，为场景建模提供依据；然后用3DS max建模工具进行场景建模；图像数据经由Photoshop处理，作为模型的材质贴图；最后在Virtools中进行场景集成以及系统交互的设定。用户可以通过键盘或鼠标等接口漫游校园，系统根据用户的动作、位置信息实时绘制画面，实现漫游。
　　1 系统设计
　　1.1 系统功能设计
　　盐城师范学院虚拟校园漫游系统的功能设计应达到以下目标：
　　1）直观地了解校园。虚拟出真实校园环境，校园教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼及绿化地带和植物都栩栩如生的呈现在用户的眼前，为认识校园各个区域环境减少时间，提高效率。
　　2）网络宣传。建立三维虚拟校园，有助于对外宣传，提升学校形象，提高网站点击率。
　　3）丰富的应用接口功能。三维虚拟校园系统具有良好的开放性，为其他信息提供了载体，该系统可直接嵌入到学校主页网站。网上校园中的各个院系或其它部门亦可以通过嵌入虚拟校园进行实时连接。
　　5）优化领导管理。三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。
　　为此，系统主要设计了第一人称视角、第三人称视角的自由漫游功能、音乐控制功能、帮助信息。功能设计如图1所示。
　　1.2 系统开发流程
　　校园虚拟漫游系统开发首先是进行数据的采集，实地进行图片采集，把采集的图片进行处理，然后根据建筑物进行场景建模和贴图，接着在Virtools软件中对建好的模型进行合成，最后实现系统交互功能。系统开发流程如图2所示。
　　2 系统实现
　　2.1 数据采集与处理
　　实地拍摄若干外景和内景图片，将这些图片用 Photoshop 处理后作为校园虚拟漫游场景的贴图；测量出各个建筑物的各项物理数据，作为场景布局和创建三维模型的依据。为使场景真实，需要在新校区实地采集数据，包括整个校区的平面规划图，各场景对象的数码拍摄照片，此外还要为材质贴图准备一些小型图片，如砖纹图片、门窗图片、草地图片等。
　　以计算机教学楼图片处理为例，在Photoshop中打开计算机系教学楼正面图片，由于拍摄的视角问题使得拍摄图片略有偏差，我们在贴图时主要采用正视图。因此可以通过Photoshop软件中的魔术棒选择、裁剪、旋转、印章工具按钮对图片进行处理，最后将图片保存成背景色透明的图像格式，以方便之后3DS max中的贴图。有的场景对象（如高大建筑物）由于无法进行远景取景，在拍摄时只能拍摄到对象的一部分，因此可以通过图像拼接技术对图片进行整合，使其能够生成对象的整个面。
　　2.2 对象建模
　　虚拟场景模型是整个实时漫游系统的基础，模型的好坏，直接影响运行的效果和场景的逼真度。过多的模型细节会严重降低模拟的效率，在建模过程中，往往要在模型的细节度和复杂性之间寻求平衡，必要时用纹理代替模型细节。我们选用3DS max2009 来搭建基本场景，其优势是能够快速高效构造复杂的三维模型，并添加材质，在实际的建模过程中，根据要建立模型的特点选择了不同的建模方法。虚拟场景主要包括行政楼、计算机教学楼、图书馆、大门、校园景点、路灯、桥等模型。我们通过点、线、面构建简单模型，然后点、线构成面，面再组合成立方体。
　　这里以行政楼的建模为例，行政楼的建模中主要利用了3D MAX的长方体工具进行建模。如图3所示。考虑到不进行建筑物内部访问，对该建筑物的建模其实只需对行政楼的四个面进行建模。对于对称建筑物只需要建两个面，其余的两个面复制即可。完成三维建模之后需要对建筑物进行UVW贴图。为了减少模型所占用的存储空间，对一般建筑物可以使用3D MAX本身的颜色进行贴图，无须使用拍摄的图片进行贴图。
　　在3Ds Max建模时可以采用LOD技术对模型进行优化，以减小存储容量。主要采用以下措施：去除模型中的冗余多边形；删除场景中不可见的面；调整纹理贴图的大小、格式，并在调整贴图模式后重新进行贴图。优化后，将模型重新导出。
　　2.3 场景集成
　　校园虚拟漫游场景的模型集成及交互功能的实现在Virtools平台上实现。
　　2.3.1 场景对象导入
　　在Virtools中新建任务，将Level面版的Ambient参数改为白色，防止导入模型颜色改变。按校园实际场景对象实际分布导入所创建的草地、路面、建筑物