虚拟校园建模方法及关键技术的研究

秦 雯，孙 卡，张小锋

(南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330063)

0 引言

我国在2006-2010年的国家中长期科学和技术发展规划纲要中，将虚拟现实技术列为信息技术的前沿技术。第一个VR(虚拟现实)系统出现在上世纪80年代［1］。在我国已有多所高校着手开发和研究虚拟校园系统。数字校园是计算机技术、三维可视化技术和地理信息技术有机结合的产物，通过现实场景到虚拟场景的映射技术，以数字化的方式展示和管理现实中的地物，它是“数字城市”［2］和“数字地球”［3］的重要组成部分。目前，国内很多高校都在进行数字校园的开发和研究，如浙江大学、上海交通大学、北京大学等高校都已采用虚拟现实技术成功地建设了数字校园［4］。

本文以南昌航空大学前湖校区为例，综合运用Multigen Creator［5］软件和计算机图形学相关技术，对校园三维可视化方面的技术进行探索和研究，构建出逼真的三维校园场景，实现了数字校园的相关功能。通过该系统提供的三维模型，可以在电脑上直观地展示我校的校园景观;同时，把我校的校园规划从二维转换为三维，实现了校园规划与管理方面的飞跃，对我校招生就业、宣传教育、校友联系、展现办学实力等方面都具有重要的作用［6］。

1 虚拟校园建模流程

校园三维可视化的主要设计思路是:将传统的二维平面地图与三维场景模型通过地理坐标映射的方式进行结合，利用采集的地形数据生成地表三维模型，并实现遥感影像或航拍影像与地表模型的映射，从而生成校园的地貌模型;同时，对地面上的建筑物进行真实准确的三维建模;最后把它们集中在一起。

本项目采用Multigen Creator作为虚拟场景的建模工具，该工具有良好的用户交互界面，建模速度快、精度高，生成的模型空间数据量较小等特点，因此被世界各国的仿真单位及军方广泛使用;采用Vega Prime［7］实现数字校园的漫游和仿真功能，其开发流程如下:

(1)准备平面数据:完成校园地形和各类建筑物的测量与定位工作，并在AutoCAD(或CASS)软件中对教学楼、宿舍、道路、路灯、数目、花坛等各类地物进行分类;同时，制作校园的二维平面图和等高线数据，并将该平面图保存为*.dxf的格式;最后，将该数据导入Multigen Creator软件，作为三维建模的基础数据;该步骤中使用的硬件设备有GPS RTK、全站仪，软件设备有AutoCAD、CASS和Multigen Creator软件。

(2)制作地形纹理:地形纹理是指通过遥感或航拍得到的地表影像数据，该类数据可以通过测绘局购买或网络下载的方式得到，但后者的精度通常没有前者的精度高。本文通过网络下载的方式，从谷歌地球上下载到了南昌航空大学的影像数据，其航拍高度为100米，该数据的分辨率清晰度可以满足具体应用的需要;该步骤用到的关键软件设备有Google Earth和PhotoShop软件。

(3)制作地物纹理:利用数码相机拍摄校园各类建筑物及其它地物的数码照片，使用图像处理软件对其进行偏斜纠正、图像大小、去噪和调色处理，并将最终的文件存储为RGB、RGBA和DDS格式，以作为地物模型的纹理数据。采用纹理贴图可以增加物体的真实感，而不会增加模型的复杂度［8-9］。该步骤用到的关键设备和软件有高清数码相机、PhotoShop以及支持RGB和DDS存储的相关插件。

(4)构建校园三维地表模型:将地形数据和地形纹理数据在Multigen Creator中进行纹理贴图。贴图过程中要实现图像上图形数据和测量的地形数据的映射，可采用三点贴图或四点贴图的方式进行。贴图精度高低的检查方法是:查看地形中的地物特征轮廓是否与纹理中的轮廓相吻合，如果不吻合，则需要进行适当的调整，直到大部分数据都相吻合为止。该步骤使用的关键软件是Multigen Creator。

(5)构建三维地物模型:按照平面图提供的轮廓构建，同时参看纹理数据的影像，完成地面上各种建筑物、树木、路灯等模型的构建工作;完成建模后还需要对模型进行优化，如模型的分区、模型层次结构的组织、LOD模型的制作、灯光、材质及DOF的制作等。该步骤使用的关键软件是Multigen Creator。

(6)三维仿真系统的开发:对Vega Prime平台进行二次开发，将三维构建出的三维模型按照相关的配置存储到Vega Prime所支持的.acf文件中，并添加具体的应用功能，如放大、缩小、旋转、平移、漫游等功能，最终实现系统的三维漫游和分析功能。该步骤使用的关键设备和软件是VS.NET 2003和Vega Prime软件。

具体开发流程图如图1所示。

图1 校园仿真三维可视化系统的开发流程

2 具体建模方法

2.1 数据采集

图2 校园平面数据

在校园平面地图的采集方面，使用南方测绘公司生产的NTS-352R全站仪完成了校园全部碎部点的测量工作，该仪器采用新型测距头，具有大容量内存和高精度、长测程的特点，其主要技术指标为:无棱镜测距可达100米，测距精度为5+3ppm;单棱镜测距为3000米，测距精度为2+2ppm，设备的精度可以满足研发过程中数据采集的需要。在数据采集前，首先使用南方测绘灵锐S86T/RTK(1+1)测图系统完成校园29个一级控制点的布设，使用该GPS的原因是因为其精度高，并且速度快;然后在此基础上使用全站仪又布设了69个二级控制点，所有控制点布设完毕后进行了校区碎部点的测量和平面图的绘制工作，该平面图包含了建筑物轮廓、道路、花坛、树木、路灯等学校地物的空间定位信息，如图2(a)所示;在地形遥感影像图的获取方面，使用成都水经注信息科技有限公司研发的谷歌卫星地图下载器，完成校园影像地图的采集工作，如图2(b)所示;另外，本文使用高清数码相机从不同角度进行拍摄，完成了校园建筑物和其它地物纹理数据的采集，并将这些数据分别存储在以建筑物名字为命名的文件夹中，以方便三维建模时纹理数据的处理。

2.2 地形地物建模

在构建细部模型之前，需要完成校园地表模型的构建。本文使用测量到的包含高程信息的平面数据，使用相关中间软件提供的数据格式转换技术，完成了校园矢量地形图的构建，并在Multigen Creator中通过纹理映射的贴图方法，实现了地表模型的制作［10］。校园场景中的三维模型，则按其属性特征，划分为建筑物模型、道路模型、树木模型、植被模型和景观模型。由于各种类别模型的特点各不相同，采用了不同的建模方法完成模型的构建。

(1)建筑物模型的构建方法:建筑物的外观通常是由和地面垂直的墙壁组成，并且其轮廓已经通过测量得到，因此在对其建模时，可以先构建出建筑物的轮廓线，然后使用Creator里面提供的Wall功能完成墙壁的构建;在房顶的构建方面，可以根据实际需要，选择Roof功能里面提供的19种子房顶构建功能完成。完成轮廓构建之后，还需要对采集到的纹理数据进行处理，首先需要剔除上面的遮挡物，并进行缩放、旋转、扭曲、变形等变换工作，直到把纹理图像处理成一幅完整的正射影像为止，处理完后，为了保持所有建筑物色调一致性，还需要进行图像的亮度、对比度、色阶、曝光度等参数的调整工作。这两步完成之后，即可进行模型数据和纹理数据的贴图工作，最终完成建筑物模型的构建工作。通常，由于校园里面不同院系的建筑物具有不同的建筑风格，在实际构建时，还需要结合Creator中的其它建模工具完成。

(2)道路模型的构建方法:校园的道路主要可分为车行道和人行道，车行道由道路中心线、路面和路肩组成;人行道通常和车行道平行、相接，其沿车行道向外扩展一定的距离，并且其高度高于车行道。在构建道路模型时，首先需要沿道路的边界使用切面工具完成车行道路面和人行道路面的裁剪，对于车行道路面，需要制作一个包含道路中心线和左右路面的纹理数据，然后对其重复贴图即可;对于人行道，通常还需要按照实际的情况，使用Wall命令将其拔高一定的高度并删除下底面，进而对其侧面和路面进行贴图，从而完成人行道和路肩模型的构建。针对校园内部其它的一些如林荫道、花园小径等人行道的建模可以采用双线工具来构建，构建完毕后贴上相关的纹理即可。

(3)树木模型的构建方法:由于校园内树木的种类繁多，并且形态各异，大小不同，在对其构建时，使用了布告板技术来实现树木形态的表现，使用实例化技术来实现树木大小不同和种类繁多的表现。布告板技术使用十字交叉面的方式，在每个面上贴上不同的树木纹理数据，从而确保观察者通过任何角度都能够看到树木的侧面;实例化技术通过内存引用的方式，并结合平移、旋转、缩放等矩阵参数，从而可以实现将同一种树木放置在不同的空间位置，并更改其大小和朝向。在构建树木模型时，需要注意的是要针对校园内的每种树木都构建出多颗树木模型，以真实地表达树木的差异性。

(4)植被模型的构建方法和道路模型的构建方法类似，不同之处是它们使用的纹理数据各不同。

(5)景观模型的构建:校园内的辅助景观模型包括雕塑模型、报栏、长廊、景观桥、凉亭、篮球架、足球门、观景台等，这些模型的形态各异，其构建方法和常规模型的构建方法有很大的不同，需要综合运用各种建模工具来实现。在构建过程中，也可以外部引用的方式，使用他人的或前期已有的模型来构建。

通过上述的建模方法和建模技术，本文构建出的校园模型如图3所示。

图3 校园景观模型

3 三维建模关键技术

3.1 多层次细节技术

该技术针对同一物体，在数据库中维护多份具有不同细节程度的模型数据，从而确保在可视化仿真过程中，系统能够根据当前视点的位置和与物体之间的距离，选择出合适的模型来绘制，从而提高系统的绘制效率。多细节层次模型的制作使用了从高到低的方式进行，即先针对某一物体，制作其最精细的模型，然后使用 Creator提供的工具，通过 Grid Size、Grid Displacement、Grid Warp、Tolerance 等相关参数的修改，逐步地制作最粗糙的模型。细节层次越高的模型包含的面片个数越多，其模型越逼真。

3.2 实例化技术

实例是指对模型数据库中某个模型对象的一个参考副本，但实际上实例与拷贝有着本质的区别:拷贝是通过在模型数据库中完全复制模型对象的几何部分创建的副本，而实例仅仅是指向模型数据库中模型对象的指针，并没有复制模型对象的几何形体。由于校园环境中存在着大量的树木、路灯、电线杆、垃圾桶、路标、花坛等地物，这些地物的显著特征是几何形状相同、属性和空间位置不同，如果采用几何拷贝的手段对其进行建模，则每增加一个物体，空间数据库中多边形的数量就增加一倍，而采用实例化技术，可以在增加同类物体数量时不增加多边形的数量，从而达到节省计算机运行开销的目的。

3.3 动画序列技术

该技术模拟传统的二维动画创作技法，通过播放一系列动画画面序列以产生运动的效果。该技术在对喷泉、滚动的车轮、警报灯、火焰和水面波浪等动态场景和动态对象进行建模时具有重要的作用，可大大增加场景的真实和逼真性。

3.4 外部引用

本系统的虚拟场景中建筑物数目比较多，场景的种类也比较多，例如花坛、湖泊、河流、飞机火箭模型、人物雕塑等，通常采用的方法是分类建模，把同种类模型对象放入一个文件，然后通过外部引用(External Reference)的功能，导入各个文件，这种方法能大大减小文件本身的大小。因为使用外部引用，在主要的文件中只需保存引用文件的路径和名称，而不用保存模型数据库，每个文件可以保持相对的独立，在需要修改时只单独打开需要修改的文件进行修改，在主要文件中进行刷新操作即可，主要文件的其它模型不会受到影响。

4 结束语

本文通过对计算机图形学和三维可视化技术的综合运用，在Multigen Creator软件中完成了南昌航空大学校园基础设施和三维场景的建模工作，构建了虚拟的校园环境，分析了校园三维模型的建模特点，给出了相关的建模流程。用户可以在显示屏上很直观地看到生动逼真的校园景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，该系统将三维可视化技术应用于校园展示中，可为广大教职员工、校友、学生家长以及社会各界人士提供一个全新的技术平台，直观地展示现实校园中的各种建筑设施，交互式观察校园的建筑风貌，审视校园规划布局，回顾校园的发展和变迁。另外，我校还无地理信息、测量、导航等相关专业，此项目可以为我校申请新专业奠定一定的基础。

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