构建三维数字校园的关键技术应用研究

杨宇行

摘 要： 三维数字校园集成了信息化、数字化、可视化等多种技术，与传统的二维数字校园相比，三维数字校园更能逼真的反应现实场景。三维模型构建是三维数字校园系统建设的基础要素，除此之外，纹理映射技术、三维全景技术、贴图采集技术、贴图烘焙技术也常用于该系统的构建之中。对这些关键技术进行了分析研究，以期为三维数字校园的建设和推广提供参考。

关键词： 三维数字技术； 三维模型； 纹理映射； 关键技术

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2015）09-24-02

Study on key technologies for construction of 3-D digital campus

Yang Yuxing

（Computer and Science Department， Yunyang Teachers' College， Shiyan， Hubei 442000， China）

Abstract： Three-dimensional digital campus integrates informationization， digitalization， visualization and other technologies， compared with the traditional two-dimensional digital campus， 3-D digital campus can be more realistically response to the reality scene. Three-dimensional modeling is the basis of 3-D digital campus system construction. In addition， texture mapping technology， 3-D panorama technology， textures acquisition technology and the render to texture is also commonly used in the construction of the system. In this paper， the key technologies are analyzed in order to provide a reference for the construction and promotion of three-dimensional digital campus.

Key words： 3-D digitalized technology； three-dimensional model； texture mapping； key technology

0 引言

三維数字校园又称三维虚拟校园，指的是利用虚拟现实技术、数据处理技术、WebGIS技术构建校园网络拓扑，构建校园三维模拟场景。在传统方式下，校园的对外宣传主要依靠文字呈现、图片展示、视频播放等方法实现，不能多角度、全方位和有针对性的体现校园特色。“数字地球”、“数字城市”等三维数字技术的发展，为学校的宣传与交流提供了一种新型的表现形式。同时三维数字校园的建设也为学校的管理提供了方便，如虚拟现实技术为校园空间布局、环境治理、校园规划提供了必要的辅助[1]。目前，国内诸多学校已在或正在探索三维数字校园建设，已取得了相当大的成果。因此，从技术层面上分析三维数字校园的建设，具有较大的现实意义。

1 三维模型构建

中国实验摄影测量组织研究表明，在三维模型中，超过90%的人对模型建筑很感兴趣，60%的人对植物配置和交通设置感兴趣，25%的人对公用设备如垃圾箱、电缆、电话亭等感兴趣。鉴于此，在构建三维数字校园模型时，应坚持“此轻彼重”原则，突出建筑物在三维数字模型中的地位，继而根据其他地物的形状、大小、纹理、地理位置等数据建立虚拟的三维地物数据库[2]。对于不同结构类型的建筑物要采用不同的三维建模方式，如规则建筑物精度要求高，尽可能选择近景测量建模技术或基于3dmax的人机交互建模技术，而对一些结构复杂的建筑物建模时不要求呈现具体细节，可采用三维激光扫描技术或点云建模技术。

对于垃圾桶、路灯、电话亭等规则物体建模时应尽可能采用公告板技术。通过贴图映射技术把带有alpha通道的贴图映射到模型之中，进而实现平面角度随着观看者的视线调整而旋转，并确保观察者视线始终与观察平面呈线垂直状态。对于花草、林木等一些需大量呈现的不规则物体，在建模时可采用Doubleboard技术，其流程是：首先选择两块长宽一致的垂直平面作为建模基础，再分别在两平面中映射alpha通道的纹理贴图（纹理贴图保持一致）。此种技术的优点在于，用户的视觉不会随着距离的移动和角度的改变而发生变化，同时建构技术要求低，不会对建构模型造成太大的文件压力。需要指出的是，在构建模型阶段需要不断的对纹理图像大小进行调试，涉及到这两种技术时，要坚持保真原则，尽可能在不大幅度增加数据量的前提下采用场景调试的方式对其进行调节。

为了更为形象和真实地展示校园环境，还需以校园物像为中心设计大地、天空，以及较远处河流、山脉的背景图。每所校园中都会有一个主干道，利用SketchUp技术勾勒出主干道影像，以此为基线对其他物像进行铺排，把各个空间中的场景有机地组织在一起，使之与远处场景自然、协调地融为一体（见图1）。

[校园平面图（Shapefile）] [建筑物高度数据] [ArcMap] [SketchUp中生成初步模型][ESRI插件] [建筑物三维模型（skp）] [模型编辑] [建筑物三维模型（mdb）][转换] [加载] [ArcScene平台，执行高级操作][建筑纹理]

图1 三维模型构建流程

2 纹理映射

纹理映射作为一种技术处理手段，可以清晰的表达出物体的围观细节，有助于强化物体的真实感和情景性。三维数字校园模型中设置的远距离物体几何模型复杂，利用近距离实地取景技术过于繁琐，使用纹理映射可以把复杂建筑物的表象特征清晰勾勒出来[3]。一般来讲，建筑物顶层物像构建常应用航空正影摄像技术，但有时航空正影攝像未拍摄到时，或出于节省建模资金考虑，可以使用相近的纹理代替；如果航拍只获得了局部图像，可考虑以局部图像为基础进行纹理映射，最后通过图像处理软件进行优化处理，使之与局部图像构成一个协调的整体。三维数字校园构建中，利用贴图可以更为逼真的展示物体图像，但缺点是贴图文件会占用更多的网络资源，继而影响模型的显示速度。利用纹理映射可对图像进行重复和延展，且小纹理可以替代大纹理使用，既能保持图像显示效果，又不影响网络显示速度（见图2）。需要指出的是，在模型材质能够逼真体现物体特征时，一般不采用纹理映射技术。

图2 纹理映射前后效果对比

3 三维全景技术

三维全景是一种基于真实场景的虚拟现实技术，指的是借助数码相机对物体进行多角度拍摄，把多组照片拼接到一个全景之中，利用播放软件进行三维空间展示的一种技术方式。从虚拟效果划分，三维取景分成了球形360度取景和柱状取景两方面[4]。取景基本步骤如下：通过利用全景采集设备对物体图像进行多角度的采集，再利用图像处理软件对采集的图像进行拼接处理，最后利用全景漫游软件对全景进行开发，实现三维全景视频显示、音频播放、图片淡入淡出、导航链接等功能（见图3）。国外的一些高校在构建数字校园时利用了oneshot技术，通过计算全景的矩形投影图，对图像进行拼接，继而利用网络软件还原真实三维场景，实现了一次拍摄就能进行三维取景。

图3 某学校三维全景效果图

4 贴图采集和处理

纹理贴图一般是从互联网中下载获得或利用数码相机拍摄而成，其质量越高，占用内存也就越大，模型的显示速度也随之降低，但如果不追求质量又会导致模型的逼真度下降[5]。在具体选择时，可以采用一些简单的技术处理方式来平衡逼真度与质量之间的矛盾，例如利用数码相机拍摄贴图时，保持相机沿着垂直方向旋转可以减少图像拼接的运算量，并为图像的后期处理提供方面。利用贴图处理软件对纹理图片进行处理时，应坚持美观真实和数据量小的原则，常用的处理软件有Photoshop CS3、Adobe、gif movie gear、Ulead GIF Animator等，基本处理工作包含色彩调整、污点清除、对比度调节、镂空装饰、方位调节等。为了避免图像渲染时纹理出现不规则变化，在利用处理软件时应先把一些图片处理成无缝平铺的贴图（分辨率与像素视模型要求而定），而后对纹理文件进行格式转换，一般转换为压缩率高的png格式。

5 贴图烘焙

门框、窗户、玻璃和栏杆尽量不参加烘焙，特殊要求下应分类附加防止重名。需要烘焙的物体要明确显示，以利于3DMAX计算光影效果。贴图尺寸规格使用2的n次方，通常情形下，为了追求纹理的清晰度常提高烘焙尺寸，但随着烘焙尺寸的增加，贴图占用内存空间也会增大。以一张521尺寸的烘焙贴图为例，需要耗费0.35M的显存。因此，在满足图像清晰展示的前提下应尽可能的控制烘焙贴图尺寸，一般而言，大型建筑物烘焙贴图尺寸选择1024×1024可满足需要，一般建筑物贴图烘焙尺寸只需其一半即可，而小型物体的烘焙尺寸应尽量不超过128×128。

6 结束语

互联网技术的进一步发展，以及智能跨平台终端的普及，为三维数字校园的建设提供了强大的技术支持。通过信息化的管理手段，三维数字校园系统能够不仅仅局限于学校形象的展示，还将与学校的科研、管理、教学等充分融合，这对提高我国教育的发展无疑具有重要的意义[6]。因而，认真分析三维数字校园的关键技术，促进三维数字校园系统的建设，也就成了教育工作者和科研工作者面临的重要任务。

参考文献：

[1] 李芳，肖洪，杨波等.三维数字校园的设计与实现[J].系统仿真技术，2013.1：71-75

[2] 胡莹.三维建模流程的优化和简化[J].湖南师范大学自然科学学报，2014.2：90-94

[3] 毛学刚，李明泽，范文义.三维虚拟校园的设计与实现[J].测绘信息与工程，2013.33（1）：47-48

[4] 冯建平，吴丽华.基于全景图像的三维全景漫游系统的构建[J].计算机与数字工程，2013.1：83-89

[5] 王勇杰，岳云康.三维纹理图像特征准确识别技术仿真研究[J].计算机仿真，2012.5：23-26

[6] 陈竹安，张立亭.三维校园地理信息系统的设计与实现[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2006.12（1）：76-78