虚拟校园漫游系统的设计与实现

杨伟策

（浙江横店影视职业学院影视制作学院，浙江金华321000）

虚拟校园漫游系统的设计与实现

杨伟策

（浙江横店影视职业学院影视制作学院，浙江金华321000）

本文介绍了虚拟现实技术的基本概念和主要作用，选取浙江横店影视职业学院作为研究对象，阐述了如何设计与实现虚拟校园漫游系统。包括前期数据的采集处理到使用3dsMax进行三维场景建模、模型优化、贴图与烘焙、灯光设置等主要环节，以及运用Virtools实现漫游交互功能。

虚拟校园；3dsMax；三维建模；Virtools

虚拟校园漫游系统是基于计算机虚拟现实技术开发实现的。虚拟现实技术是利用计算机图形学技术对真实的客观世界进行逼真的模拟再现，通过利用传感器技术或输入设备等手段，让用户在虚拟空间中有一种身临其境的感受，能够与虚拟空间的对象进行相互作用且得到反馈。虚拟现实技术生成的系统有多种不同类型，其中桌面虚拟现实系统是最为普遍、相对最容易实现的系统。该系统运用计算机设计软件对现实空间进行模拟，用户透过计算机屏幕、鼠标、键盘等设备实现与虚拟空间的交互。

开发虚拟校园系统是校园信息化、数字化建设的重要组成部分，也是现代化校园建设的必然要求。一个三维可视化、有声有色的虚拟校园漫游系统可以让来访者立体式全方位游览真实模拟的校园环境，参观教学设施，了解教学资源，体验生活环境，有利于全面展示学院形象，提高学校的知名度。另外，虚拟校园漫游系统还能够起到辅助校园规划和建设的重要参考作用，校园建设的设计者、决策者可以充分利用三维虚拟校园直观检验校园未来的环境布局，为科学决策提供有利的保障。本文以浙江横店影视职业学院为例，旨在探讨主要基于三维设计软件3dMax和虚拟现实技术软件Virtools来设计和实现一个仿真性较高，且具有良好用户体验功能的虚拟校园漫游系统。

一、设计软件和主要流程

虚拟校园漫游系统设计制作的关键软件是3dsMax和Virtools。3dsMax是一款十分流行、应用广泛的三维设计软件，由美国Autodesk公司开发，目前最新版本是2015版，它在三维游戏设计、建筑动画设计、虚拟现实设计等方面表现突出，在影视特效设计、三维动画设计等方面也有不俗表现。Virtools是一款基于3dsMax等三维设计软件的交互式内容整合插件，利用该插件自带的逻辑行为、人工智能等互动模块可以设计实现三维作品的交互功能。除以上两款软件之外，平面设计软件Photoshop和绘图软件AutoCAD也必不可少。

虚拟校园漫游系统总体设计流程是：(1)素材采集与处理；(2)三维模型创建；(3)模型的优化与整合；(4)贴图与烘焙；(5)交互功能设计；(6)发布系统。虚拟校园漫游系统设计完成后，用户就能够通过桌面视窗多视角全方位浏览浙江横店影视职业学院校园全貌，可以选择漫游方式，如沿路径自动漫游或者自由手动漫游，也可以通过鼠标操作实现视线平移、旋转、放大等效果。

二、素材采集与处理

为了完整准确地表现真实的校园环境，必须采集和处理校园的相关信息，为三维建筑和地形环境模型的创建提供依据。信息包括三维空间数据信息和图像信息两部分，主要包括以下几个方面：（1）收集整理校园建筑相关平面图、立面图，也可以通过实际测量获得建筑物各项数据；（2）通过AutoCAD软件进行建筑二维平面图的绘制；（3）利用数码相机进行校园建筑和景观拍摄，用以三维建模时的参照和真实的纹理贴图处理；（4）利用贴图素材库搜集各类贴图，比如各种绿化植物贴图、砖墙贴图等。

三、校园场景三维建模

三维模型制作的好坏直接影响虚拟校园的呈现，所以在三维模型的创建过程中应该尽可能准确。虚拟校园漫游系统中需要创建的三维模型主要包括校园建筑物模型和地形、环境等模型。3dsMax有多种不同的建模方法，比如基于多边形的建模，基于面片的建模，以及基于样条线的放样建模等等，我们需要根据建模对象不同的结构特点，选择合适的建模方法。

1.建筑物的三维建模

学院的建筑物主要包括教学楼、实训楼、图书馆、餐厅、学生和教工公寓、体育馆、实验剧场等共计32栋建筑。最能直观表现校园环境特点的是建筑物，因此建筑物三维模型应按实际比例进行创建。我们通常在3dx Max中导入已经绘制好的校园建筑AutoCAD图，然后利用二维样条线创建三维模型，通常采用多边形建模、放样建模等方法。3dsMax软件具备众多修改器，例如倒角、放样、三维布尔运算、曲面变形等等，这些修改器都是建模的利器。对于建筑物的常见部件，如墙、窗、门、楼梯等，我们可使用3dsMax软件提供的AEC建模工具来创建。创建方法极为简便，每一个部件模型都有完整的比例参数，可以精确地进行调整。

2.地形与环境的三维建模

地形的创建主要是对校园及周边地面进行建模，比如建筑物周边地面、主要道路等。地形建模一般可以利用样条线建模，在二维校园地形平面图上运用样条线画出地面和道路。绘制过程中，可以根据需要添加或者删除顶点，并且可以转换顶点的类型（Bezier角点、Bezier、曲线、平滑），通过控制这些顶点进行形状细节的调整，然后通过修改器列表添加挤出命令，将其转化成三维模型。横店影视职业学院依山而建，要充分考虑校园内较大起伏的地形。环境的创建主要包括天空、绿化植物、雕塑和路灯、路牌等辅助设施。天空的创建比较简单，只需要创建一个足够大的球体，使其能够完全包裹整个校园地形。校园绿化植物数量庞大、构造复杂，由于虚拟校园系统对模型面数的限制，我们不可能创建复杂的植物三维模型。通常的做法是：根据植物大小创建两个相同平面，使其十字交叉作为植物模型，再到材质编辑器中勾选双面参数，在漫反射颜色中选择植物贴图，在不透明度中选择带通道的植物贴图，最后赋予植物平面模型。此外，3dsMax森林插件(ForestPackPro)是制作大面积植物的强大利器，能够快速创建大量的植物模型。

3.三维模型的优化

虚拟校园漫游系统运行速度与三维模型的面数紧密相关，因为由Virtools插件制作生成的虚拟系统使用了即时渲染技术，运行时尤其是交互过程中需要占用计算机的系统资源。如果整个校园三维模型面数过多，就会出现运行不流畅现象，降低用户的使用意愿。因此，我们必须在3dsMax中对三维模型进行合理优化，整体的多边形面数必须控制在一定范围内。目前，模型面数一般要求不超过60万面。设计者建模时就要遵循在不影响整个虚拟校园质量的前提下尽可能简化的原则，不需要过多地表现细节。我们要将所有不可见的面全部删除，例如建筑物的底面、内部不可见的面等等，还要防止模型出现两面重叠、相交等错误建模现象。需要注意的是，布尔运算是3dsMax三维建模过程中常用的一种方法，但是表现虚拟现实时要尽量避免使用。

四、灯光、贴图与烘焙

1.材质贴图

制作材质就是让物体表面展现出其本质，可以利用3dsMax软件中的各种材质球和渲染器实现。但是，基本的材质编辑处理并不能准确完整体现三维模拟对象的属性，还需要进一步对纹理进行细节处理。纹理可以直接通过贴图的形式实现，而贴图的获得除了购买贴图材质库外，最简便的方法就是自己实地拍摄。拍摄的照片如果不能直接使用，就需要运用Photoshop软件对细节进行处理，如色彩、亮度的调整，无缝贴图制作等。好的材质和贴图文理对虚拟校园的真实再现至关重要，尤其是建筑物效果。在3dsMax中制作比较规则的模型纹理贴图时，可以添加修改器列表中的UVW贴图坐标进行贴图与三维模型的匹配设置。而相对复杂不规则的模型想要得到匹配的贴图效果就需要进行UV的拆分，然后将输出的UV贴图导入Photoshop软件中进行贴图绘制，绘制完成后再导入3dsMax赋予模型。

2.灯光与贴图烘焙

三维虚拟校园逼真效果的呈现除了模型、材质贴图外，还需要模拟光影效果。通常逼真效果的呈现依靠3dsMax光线跟踪、全局光照以及渲染器的运算，而高质量的渲染要耗费大量的时间和计算机资源，少则几分钟，多则数小时。虚拟校园漫游系统要求模拟的场景能够实现实时交互功能，就需要运用烘焙贴图技术，即将模型最终渲染的具有光影效果的材质贴图烘焙出来，再重新赋予原来的模型，这样虚拟校园的实时渲染速度极快，时间几乎可以忽略不计。

贴图烘焙的基本步骤是：（1）在3dsMax校园场景中设置好灯光，灯光一般采用天光；（2）打开渲染设置的高级照明面板，勾选开启光跟踪器；（3）渲染测试得到合适的光影效果后，再打开渲染到纹理rendertotexture对话框，选择烘焙对象，设置贴图坐标通道，添加输出的纹理元素，以及设置烘焙纹理贴图保存类型、路径和贴图大小等参数（纹理贴图烘焙的尺寸一般采用2的n次方以正方形排列，如256*256、512*512、1024*1024、2048*2048等，并且尽可能减少贴图的数量，设置贴图格式为jpg或png格式。）（4）渲染输出得到完整的带有高级光影效果的烘焙贴图，将该贴图重新选取赋予到三维模型上，设置材质编辑器中自发光的参数值为100，这样在3dsMax视口中看到的模型效果与渲染器渲染的效果基本一致。

由于学院整体面积较大，建筑物较多，受系统限制不能将整个虚拟校园场景进行贴图烘焙，只能将主要的建筑模型及周边地面采用烘焙贴图技术处理。为了表现未进行烘焙贴图处理的场景环境，我们还需要设置部分辅助性灯光，用以照亮阴暗面。辅助性灯光的倍增值可根据测试情况进行相应调整，要注意避免曝光过度，场景中已经作贴图烘焙处理的模型也可以做灯光排除处理。

五、漫游的实现

虚拟校园漫游系统设计使用的漫游模式有三种：分别是手动漫游模式、自动漫游模式、顶视鸟瞰模式。手动漫游模式是为摄影机上添加Virtools控制脚本，实现用鼠标或键盘操作摄影机自由游览的目的。自动漫游模式是根据校园游览需要设计一条游览线路，让摄影机在规定的线路上运动，其具体步骤是：（1）根据校园环境特点创建样条线Curve路径，通过编辑样条线的点、线段，使路径尽量平滑；（2）在辅助对象对话框中选择创建一个虚拟对象，使用动画菜单中的路径约束命令指定链接到样条线路径上；（3）创建一台自由摄影机并调整摄影机到虚拟对象中心位置，然后将该摄影机选择并链接到虚拟对象上。当然，虚拟校园自动漫游路径可以是一条，也可以设计多条，制作方法都一样。顶视鸟瞰模式是可以通过场景顶部架设的摄影机俯瞰整个校园环境，该摄影机可以是自由摄影机，也可以为其指定运动路径。摄影机的漫游设计中为了达到节约计算机系统资源，加速交互的目的，还可以对摄影机进行显示范围设置。方法是：打开摄影机设置参数对话框，勾选手动剪切命令，通过测试设定摄影机的远距剪切FarCIip的合理范围参数，使得摄影机忽略显示剪切范围外的所有三维模型。

在虚拟校园漫游系统中，碰撞检测是一个重要的环节，尤其是手动漫游模式。因为在不设置碰撞脚本情况下，摄影机可以直接穿过任何三维虚拟对象，这样的用户体验并不可取。

所有环节设计制作完成后，最终可以输出生成虚拟校园漫游系统的可执行后缀名为html和tnt文件，这些系统文件可以脱离软件单独运行。另外，我们可以将其组合到学院官方网站中，方便访问网站的用户点击浏览虚拟校园全貌（注意：用户必须下载安装Virtools应用程序ViewerInstall.exe后才能够显示）。

虚拟现实技术的独特魅力在于模拟对象的三维立体化、情境化、交互性，随着计算机技术和互联网的发展，其应用价值必将不断提升。本研究探讨、综合应用3dsMax、AutoCAD、Photoshop和Virtools等多款设计软件实现了三维可视化的浙江横店影视职业学院虚拟校园漫游系统。该系统经过测试试验后得到了实际使用，基本展现了浙江横店影视职业学院全貌，为后续虚拟校园系统功能的进一步完善打下了基础。

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TN

A

1673-0046（2015）4-0184-03

2013年浙江省教育厅科研项目:《虚拟校园设计与制作——以横店影视职业学院为例》（Y201329651）]