三维虚拟校园浏览动画的构建与问题解决

☆鲍青 袁晓斌

（安徽师范大学教育科学学院，安徽芜湖 241000）

随着信息技术的高速发展，全球的信息化表征越来越突出。信息化、数字化、网络化、虚拟化给人们带来便捷的同时更带来与众不同的体验。尤其是虚拟现实技术的日渐成熟，能够模拟出现实空间无法或难于表现的效果。虚拟现实技术不仅在军事、商业领域得到广泛运用，近些年来在教育领域的发展也卓有成效。其中虚拟校园是虚拟现实技术在教育领域的一个重要应用。很多高校都通过虚拟现实技术来开发自己的三维虚拟校园，利用三维技术的空间表现力来展示校园的风光。以三维虚拟校园的形式来宣传校园较之文字、图片及实景视频，更加形象、生动，更具视觉冲击力。同时，用三维的形式展现校园，能在仿真校园实景的同时加入一些设计者的创意内容，更具艺术观赏性。

本文亦是通过虚拟现实技术来构建安徽师范大学皖江学院的三维虚拟校园浏览动画，通过虚拟的摄像机镜头带领观赏者游览整个校园，向大家展示这所年轻学校的整体风光。

一、虚拟现实及三维虚拟校园概述

“虚拟现实（VR）是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户投入到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。”根据虚拟现实技术在不同领域的应用以及用户参与VR的不同形式和沉浸程度的不同，可把虚拟现实技术划分为四类：桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实型虚拟现实、分布式虚拟现实。其中桌面式虚拟现实技术较为简单，需要投入的成本也不高，在教育领域内可应用的范围很广，推广价值高。

桌面虚拟现实（desktop virtual reality,DVR）主要是在个人计算机和低级别的工作站上进行图形图像仿真，依靠计算机的屏幕提供给用户一个虚拟平台，运用虚拟现实的输入设备实现与虚拟世界场景之间的交互。三维虚拟校园即是运用桌面虚拟现实技术，通过计算机产生的图形图像再现真实校园的景物；能够对眼睛所看到的校园景象进行仿真，通过三维场景来表现校园风貌。虚拟校园是校园信息化建设的重要组成部分，而较之传统的二维虚拟校园更具空间表现力，也更加逼真，是虚拟校园的又一大进步。

二、三维虚拟校园浏览动画的构建过程

笔者根据设计的流程将三维虚拟校园浏览动画构建过程概括为布局规划、校园立体模型制作及贴图、灯光的添加和后期动画合成三个过程。

（一）布局规划

三维虚拟校园建模是构建三维虚拟校园浏览动画的基础。在建立虚拟校园模型之前要做好前期的准备工作，对校园的布局要有整体的把握，需要绘制出整个校园的建筑结构草图，并且收集校园各部分建筑的图片资料。

1.绘制草图

首先要绘制出整个校园的草图，即是将整个校园的构造绘制出来，包括教学楼、实验楼、图书馆、学生宿舍区、操场等的大致位置，以便在制作时作为建模的参照。校园的鸟瞰图可以通过AutoCAD软件绘制，再导入3ds max软件中。由于没有安徽师范大学皖江学院的航拍照片，拍摄鸟瞰校园的照片难度比较大。因此，较之简单的方法是通过谷歌地球（google earth）来找到安徽师范大学皖江学院的地理位置，调至能够看清楚的合适比例，保存截图，根据截图中各建筑的位置、比例来绘制出草图。

2.收集图片资料

草图是对布局的总体把握，而各个建筑的具体造型需要借助数码相机来拍摄，可以拍摄校园建筑的图片作为建模的参考图。为了使模型更加的逼真，会对模型赋材质，因此可单独拍摄各种校园建筑的外部造型图片作为虚拟建筑的材质。

（二）模型制作

将AutoCAD中绘制的草图导入3ds max中，在3ds max中进行三维虚拟校园的模型制作、贴图、灯光的添加以及渲染工作。

1.三维虚拟校园模型制作

在3ds max中制作三维虚拟校园模型，主要通过使用内置几何模型，对图形挤压、车削、放样、布尔运算等实现的，如对内置的几何模型圆柱体进行布尔运算来制作花坛；画出建筑物的线条和作为窗户的方框线条，把它们附加后挤出就得到了建筑物的各个侧面墙体；制作窗帘时用到放样命令等。

图1为制作的三维虚拟校园模型图：

图1 安徽师范大学皖江学院三维虚拟校园模型

2.赋材质

在建好虚拟校园的模型后，为了使模型更加的逼真，需要对模型赋材质，材质主要用于描述物体如何反射和传播光线，材质中的贴图主要用于模拟物体质地、提供纹理图案、反射、折射等其它效果（贴图还可以用于环境和灯光投影），依靠各种类型的贴图，可以创作出千变万化的材质。

三维虚拟校园模型制作中使用到的材质有清玻璃材质、金属材质、平面镜材质、大理石材质、水材质、透空贴图以及各种地面的材质等，常用的玻璃、金属、水材质有固定的参数，各建筑物独有的外部材质可以使用拍摄的材质照片来赋材质。

此外，整个虚拟校园是基于白天的环境，所以，也要模拟出白天的天空，可以通过建立一个半球，将其翻转，并赋上天空的贴图作为球天，将整个校园至于球天的下方，就可以得到如图2的效果。

图2 赋材质效果

3.赋灯光

赋材质后的模型逼真感明显增强，但是还需要通过为场景打灯来增强场景的真实感，以及增加场景的清晰度和三维纵深度，三维虚拟校园动画中使用的灯光是用标准灯光中的泛光灯来模拟天光的效果。

4.动画漫游及渲染

在整个校园的三维虚拟模型制作完成后，接下来制作三维虚拟校园的浏览动画过程，本设计是为展现校园的整体风貌，因此，通过加入3ds max中的摄像机来带领观看者游览。从校园大门处绘制一条摄像机的轨迹，沿着轨迹绕整个校园一周，可以游览整个校园风光。

动画制作好后，要想看到整个动画的过程，还需要借助3ds max的渲染功能，渲染即是依据所指定的材质，所使用的灯光，以及诸如背景与大气等环境的设置，将场景中创建的几何体实体化现实出来。

由于安徽师范大学皖江学院三维虚拟校园动画的模型庞大、材质繁多，一般配置的独立计算机无法渲染或需要相当长的时间渲染出动画格式的文件，因此，本设计利用多台计算机同时渲染，并采用了先渲染出图片，再将图片合成为动画的方式。动画的长度设置为2000帧，每400帧一台计算机进行渲染，利用5台计算机同时渲染，图3、图4为渲染后的截图。

图3 虚拟实验楼

图4 虚拟学生食堂

（三）后期合成

要将渲染出的图片制作成视频，就要借助视频编辑软件，本设计选用的视频编辑软件是premiere，premiere是可以将序列号是连续的图片制作成视频效果，以.avi格式保存。

在将三维虚拟校园动画的图片渲染出后，要先检查渲染出的图片是否是序列号连续的图片后才能向premiere中导入图片，导入时要将弹出对话框中“静帧序列”前的勾打上，这样才能一次性导入所有图片，并且是以视频的方式在premiere中显示。

接下来，只需在premiere中检查视频播放是否流畅，达到满意效果后，就可以将视频导出，选择avi格式，最终形成三维虚拟校园浏览动画视频。

三、三维虚拟校园浏览动画构建中的若干问题解决

在安徽师范大学皖江学院三维虚拟校园浏览动画的制作过程中，遇到很多技术上的问题，这些问题也是在制作其他三维动画作品中经常遇到的问题，现将制作过程中的问题归纳为如下五项，并从各项问题出发提出笔者在设计中是如何解决这些问题的，以供借鉴。

（一）建模方面的问题

整个安徽师范大学皖江学院的三维虚拟校园模型的建设是一个比较大的工程，加上3ds max本身对电脑配置的要求比较高，一台配置较好的计算机必不可少，计算机的配置要达到2G的内存，最好是独立显卡。这样随着建模的越来越多，3ds max才能正常运行不出现卡死。在3ds max中建模时要注意尽量减少“面”的量，例如：树的建模，如果使用3ds max中自带的树，由于自带的树有很多“面”，这将会使整个场景中的“面”数剧增，在场景中大量的复制使用，增多面的数量，会导致制作的模型占用很多内存，以至3ds max运行速度减慢，渲染时出现内存不够的问题，这可以通过减少树的面来解决，方法是不使用3ds max中自带的树模型，而通过制作十字交叉的平面，给平面赋树的透空贴图来完成，这样可以大大地减少面的数量，节省内存的使用并且减少文件的大小。

（二）材质方面的问题

对模型赋材质是通过给材质编辑器中的材质球设置参数，赋上材质后，再赋给场景中的模型，而材质编辑器中的材质球只有24个，整个安徽师范大学皖江学院三维虚拟校园模型使用的材质肯定会超过24个，这样材质编辑器中的材质球肯定不够用，材质球也不可以再增加，所以，可以通过删除一些已经用过了，不再使用的材质球上的贴图，使材质球可以重新被利用，在删除时要注意选择“仅影响编辑器示例窗中的材质／贴图？”如果选择的是“影响场景和编辑器示例窗中的材质／贴图？”，这会将所有已经赋过的材质都删除。

（三）灯光方面的问题

设计中将三个泛光灯放置在建筑物上方的三个点来模拟天光，由于渲染时要计算灯光，计算时间的长短会直接影响渲染时间的长短，所以，在能够模拟出一定的天光感觉的情况下，将泛光灯的“强度／颜色／衰减”下的倍增参数设置小一点，这样会降低渲染的时间。

（四）渲染方面的问题

由于机器配置的限制，安徽师范大学皖江学院三维虚拟校园浏览动画的渲染不能通过常规的渲染视频方式完成，而是通过在多台计算机上同时渲染出图片后，进行后期合成来实现。因为连续的动画实际上也是通过一帧一帧的图片组成的，因此，只要渲染出图片，再经过后期的视频编辑，就可以合成完整的动画。

此外，因为要在不同计算机上同时渲染，所以3D文件要拷贝到其它计算机上，而3D中赋了大量材质，一旦路径改变，材质将缺失，所以，可以通过把3ds max源文件“归档”（格式为.zip），来避免当文件拷贝到其它计算机上时会丢失材质贴图。

（五）后期合成的问题

渲染出的图片要经过合成后才能成为视频，合成的软件有很多，如 After effects、premiere等，After effects是一款通用的后期软件，也是现在为止使用最为广泛的后期合成软件，它可以和大多数的3D软件进行配合使用，但如果要将图片导入After effects中渲染出视频，还需要安装一些插件，比较麻烦；而premiere直接可以将序列号相连的图片导入成为视频，操作比较方便，因此，本设计选择premiere作为合成软件。

四、结束语

目前，安徽师范大学皖江学院三维虚拟校园浏览动画已经初步完成，可以通过动画带领观赏者游览整个校园。随着今后学校的发展，也会继续对三维虚拟校园进一步完善，如可以增加交互操作，使观赏者可以进入虚拟图书馆、虚拟教室、虚拟寝室的内部进行游览，实现更加全面、完善、多功能的虚拟校园。

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