独秀园虚拟景区漫游系统的设计与实现

韦　伟，韩建华，何　翔

(1. 安庆师范学院 教育学院，安徽 安庆 246133；2. 安庆市独秀园管理处，安徽 安庆 246133)



独秀园虚拟景区漫游系统的设计与实现

韦伟1，韩建华1，何翔2

(1. 安庆师范学院 教育学院，安徽 安庆 246133；2. 安庆市独秀园管理处，安徽 安庆 246133)

摘要：虚拟景区漫游系统是实现虚拟旅游的关键环节，对促进智慧旅游建设有着重要意义。以安徽省安庆市独秀园景区为例，在总体分析的基础上，详细阐述了基于3ds Max的虚拟景区构建方法和基于VPN编辑器的漫游与交互功能的设计，指出应用注意的问题，最后实现了独秀园虚拟景区漫游系统。

关键词：虚拟景区；漫游系统；交互功能

目前，很多景区纷纷利用互联网进行在线宣传和景点浏览，相较于平面、静态的文字和图片，利用三维虚拟现实技术[1]开展的虚拟旅游为景区带来了全新的展示手法。虚拟旅游其实就是建立在现实景观的基础上，通过模拟或超现实景观，构建一个虚拟旅游环境，使参与者能够如同身临其境般进行旅游活动[2]。这里以安徽省安庆市独秀园为例，实现虚拟景区漫游系统。

独秀园是为纪念中国共产党主要创始人之一——陈独秀而建立的一座大型纪念馆，兼有教育、游览、生态、研究等多种功能。它通过大量图片资料和文物史料生动再现了陈独秀的生平事迹，让参观者接受党史教育，激发追求真理的革命思想，实现对公众的红色教育，特别是中小学生的爱国主义教育。因此，独秀园长期以来都是省市两级青少年教育基地。但独秀园位于安庆市大观区十里铺乡林业村境内，交通相对不便；中小学出于安全考虑，每年即使市区内学校组织学生参观的次数也屈指可数。这都在很大程度上削弱了教育基地的文化价值，同时也淡化了其革命教育的功能，有违教育基地创建的初衷。

独秀园虚拟景区的构建恰好一方面解决中小学生实地参观存在的安全、经费和时间问题，另一方面则是延伸中小学课堂素质教学、拓展基地教育功能的有效途径。虚拟景区构建有两种方式：基于图像的虚拟建模与绘制(Image-Based Modeling and Rendering，IBMR)和基于几何模型的虚拟建模与绘制(Geometry-Based Modeling and Rendering，GBMR)[3]。IBMR对照相机或摄像机连续采集的图像和视频进行全景图像合成，通过合适的空间模型把全景图像组织成虚拟实景空间。国内“全景客”网站中虚拟旅游基本都是通过IBMR方法实现360度全景浏览，但只能在多点进行全景观察，因此真实感和交互性不强，交互漫游很难实现。与此相反，GBMR是以计算机图形学为基础，能真实构造虚拟景区的三维几何模型，因此精度较高且具有可操作性，便于实现人机交互。鉴于此，安庆市独秀园虚拟景区漫游系统采用GBMR方法对独秀园核心区进行三维重建，实现景区的虚拟漫游。

1系统总体设计

独秀园核心区充分结合自然地形地貌条件，围绕纪念主题，目前已经形成“一轴两区”的功能结构。一轴即贯穿墓园区的纪念轴线，主要由牌楼、墓道、雕像、纪念广场、水面、墓冢等要素组成，四周配备浓郁的森林绿化环境；两区即为展馆区和墓园区。漫游系统的设计围绕“一轴两区”展开，具体设计流程如图1。

图1系统设计流程

2系统具体实现

2.1 数据采集

数据采集是场景设计前的关键一步，其数据的准确性和完整性将直接影响模型或场景的“形似”与“神似”。数据包括模型的长度尺寸、外观形状、相对位置和质地纹理等。长度尺寸和相对位置可以通过实地勘测，结合部分CAD施工图纸汇出草图，方便模型导入合并处理。外观形状和质地纹理有一定的复杂性，并难以表述，所以一般根据先整体后局部的原则对各类建筑模型进行多角度拍照，一方面便于场景设计时的比对，另一方面可通过Photoshop进行处理用于模型的构建。图片处理的内容包括图像分割拼接、纹理修正、破损修补、杂物去除和仰角调整等。

2.2场景设计

2.2.1三维建模

3ds Max中建模方法有很多，VRP编辑器对建模方法也没有过多限制，因此建模方法可在满足精度要求的条件下，选择面数较少、相对较容易实现的方法，主要有基础建模、样条线建模、多边形建模、复合建模等。建模思路主要有堆砌建模和细分建模[4]。堆砌建模是将复制物体拆分成若干个小的部件，对它们单独制作，最后堆砌组合在一起；细分建模则是在基本几何体构成物体大体形状的前提下，用编辑多边形或编辑网格修改器对模型细节进行细分。图2～图4是依据相应的建模思路和方法建立起来的场景或模型。

2.2.2材质灯光

考虑到VRP编辑器对材质的限制，这里选择Standard材质类型，通过漫反射、高光、不透明度等基本参数的调整来模拟相应材质特性。模型表面的纹理或图案由贴图来实现。贴图主要来自前期采集的照片，根据需要进行调整裁剪。此外，对于复杂物体，可以通过Bump通道和Opacity通道进行模拟，既降低了建模强度，又减少了场景面数。图5中的浮雕墙就是在Bump通道中利用图片的灰度值控制模型表面的凹凸效果，场景中树木和陈独秀雕像(图6)则在Opacity通道中利用图片灰度值的大小控制模型的透明度实现模型的构建。

图2　陈独秀展馆(外)

图3　陈独秀展馆(内)

图4　陈独秀墓区

图5　浮雕墙

图6　陈独秀雕像

灯光采用标准光源，展馆内部以泛光灯阵列为环境光，照亮厅内各个角度，用目标聚光灯模拟射灯，突出展板；室外用平行光模拟太阳光。光的强度、阴影、衰减等灯光参数根据实际情况而定。图7、图8分别是布光后的展馆内外。

图7　展馆内部

图8　展馆外部

2.2.3烘培输出

烘培有LightingMap和CompleteMap两种类型。前者生成两张贴图，包括原有纹理贴图和包含模型光影信息的贴图，适合较大场景；后者只生成一张贴图，既包含模型光影信息又包含原有纹理，适合个别模型。这里独秀园虚拟景区采用LightingMap方式进行烘培输出。烘培的功能是把3ds Max中的光影信息渲染成贴图，然后再重新贴回场景。这样场景导入VRP后保留光影信息，真实感较强，且光影信息变成贴图，无需重新计算CPU，因此场景显示速度较快。

2.3交互设计

烘培结束后，场景可导入VRP编辑器里进行漫游系统的交互设计(图9)，具体包括虚拟角色、摄像机、导航图和碰撞的设置。

图9　VRP编辑器

2.3.1虚拟角色的加入与相机的架设

系统设计了两种浏览模式，分别为自由模式和角色控制模式，无论哪种模式都需要进行相机的架设。VRP编辑器中有行走相机、飞行相机、旋转相机、动画相机等多种相机可供选择。这里选用了行走相机和飞行相机来制作漫游，其中行走相机可通过添加物理碰撞来模拟人物行走，所以用它来设计角色控制模式；而飞行相机可在场景中自由飞行，所以可用来设计自由模式。此外对于角色控制模式还需要在场景中添加角色人物，在VRP编辑器中有多种方法添加角色人物，最简单的方法是直接在VRP编辑器自带的角色库中选取人物添加到场景中，并对其进行骨骼动画设计。图10是漫游系统的界面。

图10　漫游系统界面

2.3.2二维导航图

在虚拟环境中易迷失方向，所以还创建了二维导航图来引导用户漫游整个场景。为了导航更有精确性，图10中右上角导航图来自创建好的三维虚拟场景的顶视图，然后通过Photoshop把图片中不需要的部分处理掉，再使用VRP编辑器设计导航图。设置成功后导航地图中会实时以箭头形式显示用户所在地，用户可以随便单击导航地图上任意一点即可快速切换到点击处相机视角。

2.3.3碰撞检测

碰撞检测的目的是避免用户在角色模式下控制角色运动时发生陷入地下或穿越模型的现象。VRP具有高效、快速、精确的碰撞算法，只要场景模型合理，没有烂面、漏缝等问题，都可以通过“开启”物理碰撞来实现碰撞检测。这样，角色模型在运动过程中具有自动上楼梯和爬坡的功能，遇到墙壁也会沿墙壁继续行走，从而进一步提高虚拟环境的真实性，增强了虚拟环境的沉浸感。

2.3.4其他设计

为了使系统更具吸引力，在系统中还加入了其他元素，如用户在游览时可选择雾天天气或者晴天天气进行场景漫游，以及添加背景音乐。其中背景音乐的开关需要添加脚本来实现，其具体方法为在VRP编辑器里打开“脚本编辑器”，单击系统函数下面的“新建”按钮，在弹出的对话框中选中“窗口消息函数”，创建一个初始化函数，然后再在弹出的“VRP命令行编辑器”中找到“音乐”，对其详细操作，如添加音乐文件、设置音乐的声道、重复次数等。

3注意问题

经过以上若干环节的设计处理后，可以打包发布生成可执行文件，以便脱离VRP环境独立运行。对独秀园虚拟景区漫游系统的设计与实现，工作量比较大，耗时费力，即使多人在Dell Precision T5600工作站上进行制作，也经历过多次反复。制作过程中需要注意如下问题。

3.1重视场景模型的优化

虚拟漫游系统最终运行速度主要取决于场景模型的总面数、总个数和总贴图量。减少面数可以通过降低模型分段数，删除模型的不可见面、交叉面、重叠面的方式实现；而合并或塌陷距离相近、材质相同的模型可以实现模型个数的减少。此外，利用贴图构建模型也能大幅度地简化模型。在独秀园虚拟场景中，采用相应的模型优化方法，模型总面数由40多万个减少到7万多个，模型总个数由8 000多个减少到700多个，效果非常明显，大大增加了后期漫游系统运行的流畅性。

3.2 重视材质贴图的选择

烘培对材质类型有限制，一般只能为Advanced Lighting，Architectured，Standard等，贴图格式也必须为tga，png，bmp，jpg和dds等。对于植被、雕像等模型一般通过Diffuse通道的有色贴图和Opacity通道的灰度贴图进行模拟，但VRP要求两个通道上的贴图文件必须一致，故可在Photoshop中制作出png格式的图片，既包含颜色通道，又包含透明通道。另外，贴图的分辨率不宜过大，以合适为准，避免造成运行或渲染时卡机。

3.3 重视前期工作的准备

这里主要有3点：一是数据采集尽可能的准确、完整，避免后期的重复工作；二是模型名称的约定、贴图路径的规定，避免场景合成时出现问题，合并时考虑分层也会提高设计时的操作效率；三是尽可能地了解VRP编辑器与3ds Max的相容性，比如用二维图形表现三维物体，在导入VRP后不能识别，必须先转换成Editable poly才可以。还有上文提到的VRP对材质的限制、对材质命名的要求、烘培贴图的名称要求等。

致谢在独秀园虚拟景区漫游系统的完成过程中，教育技术学专业2010级丁瑞洲、姚宇，2011级袁杰、欧阳林婧、许悦、陶艳，2012级杨宇珊、张琴、张晓燕等同学为数据采集、三维建模做了大量工作，在此特表示感谢。

参考文献:

[1] 马萍,孟祥增.基于VRP的中小学虚拟科技馆的设计和实现[J].现代教育技术,2013(4):114-118.

[2] 孙静.虚拟旅游场景中虚拟导游行为模型研究[D].合肥：合肥工业大学,2009.

[3] 韩长红.虚拟旅游景区漫游系统的研究[D].西安：西安科技大学,2011.

[4] 彭国华,陈红娟.3ds Max三维动画制作技法(基础篇)[M].北京:电子工业出版社,2011.

[5] 王正盛,陈征.VRP11/3ds Max虚拟现实制作标准实训教程[M].北京:印刷工业出版社,2011.

[6] 韦伟,马俊,丁瑞洲,等.3ds Max在虚拟校园建筑动画中的应用[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2014, 20(1):45-48.

Design of Virtual Roaming System for Duxiu Yuan

WEI Wei1, HAN Jian-hua1, HE Xiang2

(1. School of Education, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246133, China;2. Management Office of Duxiu Yuan, Anqing, Anhui 246133, China)

Abstract:Virtual roaming system is the key point of virtual tour, which is of great importance to build Smart Tourism. Taking Duxiu Yuan in Anqing City, Anhui Province as example, the paper presents details methods of building virtual scenic spot based on 3ds Max, and designing interactive function based on VPN. In the process some problems, which should be paid attention to, are given. And virtual roaming system of Duxiu Yuan is implemented at last.

Key words:virtual scenic spot, roaming system, interaction function

文章编号：1007-4260(2016)01-0063-04

中图分类号：TP39

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.017

作者简介：韦伟，男，安徽安庆人，博士生，安庆师范学院教育学院副教授，主要研究方向为教育技术学、计算机应用。E-mail: weiw@aqtc.edu.cn

*收稿日期：2015-08-30

网络出版时间：2016-03-15 17:05网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.017.html