浅谈虚拟校园漫游系统中模型的设计与应用

楚雄师范学院 王 硕 王俊洁

一、引言

虚拟现实技术、网络和多媒体技术等同时被认定为21世纪最有潜力的发展应用。是一种具有挑战性的交叉学科和研究的领域。虚拟现实创建了虚拟世界，并在视觉，听觉，触觉等进行了最大程度的还原，使体验者拥有一种身临其境的感觉。

虚拟现实技术的自由性、多感知性、存在感和交互性等特征使其在教育应用研究方面发挥了巨大的作用。本文阐述了基于虚拟现实技术的虚拟校园搭建过程。虚拟校园漫游系统设计是基于虚拟现实技术为基础，以实际校园为蓝本，对校园的布局设计，建筑风格，地形环境以及人文景观进行还原。该系统是为自己学校量身定做，为完善学校数字化校园平台，实现数字校园教育发挥了重要作用。同时，系统帮助同学提升学习的兴趣，及时的了解学校的动态，为学校对外宣传、招生就业、信息传播、组织管理以及学校发展规划等方面也起到了推动的作用。

虚拟校园漫游系统开发具体实施如图1所示：

图1 虚拟校园漫游系统开发流程图

二、模型搭建

1.建模工具选择

在虚拟环境中，我们创建虚拟世界基本利用两类工具：建模类和语言类。其中建模类工具软件包括：3DsMAX、MAYA、CAD、犀牛等。语言类软件软件包括：VRML、C++、OPENGL等。为了追求还原性与真实度，我们将选用电影级别的高端建模软件MAYA来进行建模。MAYA是一款易学易用，功能完善，工作效率极高的专业软件，当今的很多科幻电影，主流的大型游戏都是用MAYA来完成的，作为我们虚拟校园的基石，在搭建过程中，一定会起到事半功倍的作用。

2.数据采集

在校园搭建模型前期，我们需要做大量的校内建筑细节研究。首先要对校内建筑从不同角度进行拍摄，以及搜集学校的地形图，俯视图。并且测量不同地形高度，得到各建筑之间的高度差。其次将数据打包，保存于我们的工程文件中，便于以后数据导入导出系统、信息提取及团队间的信息交流。

3.低模创建

因为校园中的建筑多为标准长方体，而且体积很大，体验者不容易观测到其各个部分的细节，所以我们只需按照低模的标准搭建即可。这样不但节约时间，减小了模型所占用的内存大小，还保留了模型的还原度。在低模搭建中，我们首先利用几何体创建出各个建筑的大概形状，然后将每个模型摆放到相应的位置，完成校园基本布局。确认其体积，位置之后，我们将进行细节处理。

因为虚拟校园的模型数量很多，我们没有在之前所建立的基础模型上进行添加更改细节部分，而是创建新的几何体来完善，例如窗户，门，楼梯等这种在校园中大量存在且相似的细节模型，然后将创建好的模型进行复制粘贴，再将其摆放到校内基础模型上，用这种搭积木的方法快捷而有效的完成细节模型的创建。对于墙体上不能用此方法搭建的细节处，我们使用MAYA工具中的插入循环边，倒角，挤出，缩放等操作来实现。然后不断地进行细微的处理，不断还原我们的校园建筑，这样我们就完成了虚拟校园模型的搭建。

在搭建的同时，我们要时刻注意我们所创建的模型是否正确，包括模型中是否存在大于4边的面、模型法线的方向是否正确、是否有重叠的面在一起等问题。为了节约模型所占用资源的大小，我们要尽可能地删除掉一些看不见的面来节省内存，为后期的制作打下一个很好的开始。图2为笃学楼低模展示图。

图2 笃学楼低模

4.高模创建

基于系统可以实现校园内的全方位漫游的考虑，我们还要对室内的模型进行创建，包括宿舍，图书馆，教室，食堂等。考虑到体验者室内近距离漫游的特点，室内模型的精细度要高于室外模型，而且存在一些精细的道具（投影仪、门把手、门锁、螺丝等），为了提高还原度和避免穿帮，我们要用更高的标准来创建它们。

首先我们要用创建几何体的方法上完成这些物体的基础低模，然后对这些物体进行不断的加线创造出更多的纹理来巩固模型的形状，创建出的更多细节。物体的边缘还要进行加线卡边，使其看上去不会显得生硬，最终我们还要添加smooth（平滑）处理，从而创建出高模。但是因为高模的面数过多会影响到系统后期的正常运作，所以搭建完成后，我们还要进行获取其AO贴图、生成法线、置换贴图等操作，最后将高模的纹理信息烘培到基础低模上，使低模在外观上接近于高模，但又不会产生过多的面数。通过这些操作我们所创作出的模型将会达到一种更加逼真，更加贴近现实的效果。 图3是消防栓高模图片展示：

图3 消防栓高模

5.模型拆分UV

完成了模型的创建之后，我们需要给所创建的模型加上一个“身份证”，也就是进行UV处理。UV是u,v的纹理贴图坐标简称，它为我们所创建模型上的每个点定义了一个位置信息，帮助纹理贴图找到它在模型上的对应位置。

在MAYA中有四种UV的映射方法：平面映射、球体映射、圆柱体映射和自动方式映射。我们根据所要拆分UV的模型形状来选择映射的方式。一般所构成模型为标准矩形或一些平整的面，我们选择平面映射，球体形状的我们用球体映射，而类似圆柱体这样的就用圆柱体映射，自动映射一般用于结构不是很复杂，规整还有一定规则的物体或局部。

拆分UV也有一些我们要遵循的原则：拆分的UV一般都为低模；UV的摆放尽量避免重叠；不要拉伸UV；尽可能减少UV的接缝；物体UV的接缝处最好摆在不明显观察到的位置。

6.贴图烘培

在渲染之前，我们还需要对模型进行烘培，目的是为了将模型上的细节处、模型与模型之间的光阴关系等通过贴图表现出来。例如，我们可以将高模的细节纹理烘焙给基础低模，在模型在导入引擎之后，即使引擎不能提供足够的光线，我们也能够通过烘焙贴图，来体现出之前调整好的纹理。

在MAYA中我们需要通过渲染面板中的传递贴图来完成烘焙，在面板中我们可以选择不同的类型（法线、光照、漫反射、Alpha等贴图），并调节参数，最终完成我们的需要。

7.贴图的创建

为了保证模型的原创性、还原性及匹配度，我们将自己绘制模型所需要的贴图，在这里我们使用到另一个软件Substance Painter &Designer，这款软件被誉为次世代模型最强大的贴图制作工具。利用Substance制做贴图的优势在于“即使我们没有太强的美术及绘画功底，也可以制作出很炫丽的贴图出来。”而且操作简单、软件智能、容易上手，并且制作出来的成果图会让人十分满意。

在substance中我们只需导入在MAYA中烘培好的信息贴图和被烘焙的模型即可开始绘制，我们可以直接选用软件中的smart素材，将其赋予到模型上就可以看出不菲的效果，然后我们利用图层功能在图层面版中进行颜色、描边、光泽，金属性等属性的细节绘制。对于复杂的图形图案，我们可以直接进行手动绘制完成想要的图案，在制作的同时可以直观预览到模型贴图后的最终效果，并及时加以完善，这样省去了很多琐碎的过程和时间，工作效率极高。通过不断地修饰就完成了我们的模型贴图，随后导出所创建的贴图工程即可。

三、虚拟校园系统的构建

1.虚拟环境的构建

虚拟漫游系统需要具有多功能、多应用，真实感的性能需求，我们的思路是将虚拟校园漫游系统做成一款类似于游戏的系统，因此我们选择使用游戏（虚拟环境开发）引擎来完成系统功能，使用引擎实现人机交互功能，并创作出音效动画提升体验者的体验感受。系统中我们选用的引擎是虚幻4，虚幻引擎一直在不断创作一些世界顶端的游戏大作，对于开发者而言，虚幻引擎更为容易上手；富含各种各样的工具、资源；后期管理方便。

选择好引擎之后，我们开始校园环境的搭建。在此，可以通过添加天空盒来制造逼真的天空效果；利用UE4自带的地形制作功能来创建所需的校园地形；添加天空源和点光源来制造光线及阴影的效果；更改各场景的参数，使我们的环境更加贴近现实。

随后导入校园模型。这里要注意的是，在MAYA中要把模型的单位设置为cm，并且合理放置好模型的中枢轴，最后以fbx格式导出，再将其导入到UE4中。配合所制作好的贴图，就可以在UE4中观测到所搭建模型的最终效果了。

2.漫游技术的实现

系统交互功能的实现运用的是触发器机制。例如，在校园展示牌前添加触发器，当角色走进触发器，就会转场到校园展示牌，就像观看新闻一样来浏览校园的趣事。

在系统试运行阶段，可以直接在UE4上进行测试。为了简便，我们使用UE4引擎中自带的人物模型，辅助实现漫游。在添加好人物角色并绑定好摄像机后，就可以在UE4上预览运行效果。在系统中我们将会很逼真的观测到校园的每个角落，并且还可以进行简单的交互，由此完成初期的虚拟校园漫游系统。

四、结束语

基于虚拟现实技术搭建的虚拟校园漫游系统，以实际校园为蓝本，运用MAYA创建模型，利用substance进行渲染，采用UE4构建系统平台。结果表明，虚拟校园模型真实感极高，漫游系统功能完善、运行流畅，给人一种身临其境的感觉。

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