摘要：随着3D漫游技术的飞速发展, 虚拟漫游技术在校园中的应用越来越广泛, 3D虚拟校园漫游系统可以非常直观的展示校园的各个场景, 用户体验如同身临其境。本文设计的3D虚拟校园漫游系统是将VR、三维图形图像学、计算机网络技术、数据库技术等多种计算机科学技术相结合, 对聊城职业技术学院的三维景观、建筑、地形和环境等各个方面信息进行储存、处理和管理, 进而建立一个基于3 DMAX的虚拟化和数字化校园漫游系统, 该系统能够全方位地展示校园的各种环境, 具有较强的交互性和沉浸感, 用户在虚拟校园中漫游会有身临其境的感觉, 并能对虚拟校园中的实体进行全方位的观察、操作和访问。该系统可以大大提升学校的知名度, 有力推进校园的现代化管理水平, 全方位的、多视角的为学校树立一个直观的形象。
关键词：3DMAX,虚拟校园,三维建模
通过建立3D虚拟校园漫游系统, 一是能够大大提高我校的社会知名度, 进而吸引更多优秀的生源;二是可以为一些想提前熟悉校园环境的访问者提供便利, 足不出户就可以身临其境的访问学校的每一个角落;三是在未来的校园建设中提供交互式、直观演示、整体的规划和设计的平台。该系统的建立将对我校“引领鲁西、示范山东、影响全国”的特色建设具有重要的意义。
一相关文献简述
(一) 国外相关文献简述[1,2,3,4,5]
美国、英国、德国、日本等发达国家的大学和科研机构对虚拟场景漫游的研究已经非常成熟, 目前, 虚拟场景漫游技术处于世界领先地位的是美国, 美国最早将虚拟校园的建设应用于大学校园, 诸如大学生的日常学习生活、大学老师的教学工作、大学校园的漫游等。
虚拟技术不但应用于大学校园, 还广泛应用于在美国的航空航天技术和军事领域中。美国宇航局先后完善了HMD和哈勃太空望远镜的仿真, 随后将重点放在对空间操作的实时仿真上, 并致力于“虚拟行星探索 (VPe) ”的实验计划。飞行模拟仿真系统NPSNe T4的研制成功标志着美国空军在世界军事虚拟仿真技术中处于领先地位。虚拟仿真技术在军事和航空航天上的广泛应用是的美国的国防开支大幅降低, 最重要的是几乎完全消除了现实军事训练中死亡概率。
北卡罗来纳大学的计算机系最早进行了虚拟仿真技术的研究, 也是最着名的虚拟仿真技术研究的大学之一, 该校的医学和工学在美国处于领先水平, 因此该校的计算机系将虚拟仿真技术的重点放在了与建筑学、医学、化学等的结合上。
麻省理工大学 (MIT) 在图像仿真技术方面一直走在世界的最前端。它在图像仿真技术研究上非常领先, 并创建了虚拟环境下物体的运动跟踪系统。
华盛顿大学的某实验室 (HIT Lab) 在VR研究领域中也起着带头作用, 现已经将VR应用于设计、教育、娱乐等领域。
英国、德国、日本在某些方面的虚拟漫游技术上也处于领先地位。英国在分布并行处理以及辅助设备的设计等方面的虚拟漫游技术的应用处于欧洲领先地位。德国在在建筑业、汽车工业以及医学界的虚拟漫游技术的应用处于欧洲领先地位。日本在知识库和电脑手机游戏方面的虚拟漫游技术的应用处于世界领先地位。
(二) 国内相关文献简述[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]
中国的虚拟漫游技术和美国等发达国家相比, 有着较大的差距, 但目前清华、武大、杭州大学以及浙大学等诸多高校都己经对虚拟场景漫游技术进行了较深入的研究。这些高校在图形学技术、建模算法等方面取的了相当大的突破, 并在城市规划和建筑设计中成熟使用了虚拟漫游技术。
北京航空航天大学的计算机学院是我国最早进行虚拟漫游技术研究的科研院所, 在三维建模环境中不同物体性质的操作和表达方面进行了长期的研究, 并开发了虚拟现实桌面系统和搭建了分布式虚拟网络环境。浙江大学计算机学院不但开发了—套C/S版虚拟校园现漫游系统, 还在网格三维漫游算法方面取得了重大的创新和突破。香港中文大学、成都理工大学、山东农业大学、华中师范大学、徐州师范大学、贵州师范大学等都实现了相应程度的虚拟漫游校园建设。
近些年来我国许多高校、科研机构在虚拟现实技术方面取得了一些令人瞩目的研究成果, 带领我国的虚拟现实技术进入一个迅猛发展的时期。
二研究过程
(一) 数据的采集和处理
虚拟校园的建立首先需要釆集数据并将采集到的数据进行集中处理, 用户在虚拟校园漫游系统中的体验效果很大程度上取决于采集到数据的质量, 质量好的采集数据将会带给用户一个非常清晰的体验环境。数据采集的方法分为仪器法和估测法, 仪器法是通过仪器进行实际测量, 估测法是通过比例进行估算。
需要采集的数据包括学校建筑物的各个视角的照片、建筑物的尺寸、树木、地形等, 建筑物校园三维环境中最主要的部分。由于仪器测量较难实现, 本系统采用估测法, 估算教学楼、宿舍楼、办公楼等建筑物的相应高度信息。通过测量楼梯高度的来估算整座大楼的高度。
本系统中的三维建筑物模型的外部贴图采用高清相机拍摄的照片, 为了保证拍摄效果, 挑选光线强度始终的时间段, 例如夏季的6:00-8:00之间, 对目标建筑物进行拍摄, 这样拍摄到的建筑物比较清晰。而且为了避免拍摄出来的目标物体不要出现上下不等长的情况, 英尽量调整相机的摆放放置。还需注意的是:要尽量拍摄出门牌号, 建筑物标志等的细节照片和远景照片, 为模型建立做好准备。
(二) 三维模型的建立
通过3DMAX进行三维模型的建立是本系统设计中最重要的部分。模型的精确程度关系到后期贴图效果, 模型简单程度应当始终, 不能过于简单也不能过于复杂。若模型太简单, 则模型面数较少, 许多细节无法展现给用户, 模型的真实效果较差;若过于复杂, 用三维模型面模拟建筑物的各个角度, 会产生大量三维面, 高精度模型的数量过多会增加渲染时间, 进而使用户在漫游体验过程中出现卡顿现象, 影响用户体验效果。因此, 本系统釆用数量适中的面来模拟三维建筑物。针对棱角分明廓清晰的三维物体, 进行贴图法粗略建模;针对轮廓层次清晰的模型, 进行精细建模。
利用3DMAX软件对学校内部体积稍大的物体进行建模, 利用高清相机拍摄到的图片和经过PS处理后的素材作为建模中的贴图素材。一般有两种建模的方法:贴图法和模拟法, 两种方法各有优缺点。本系统采用的方法是结合单纯贴图法和模拟法中的优势, 凹凸不平的面采用模拟法, 平整的面采用贴图法, 最终得到三维效果良好且面数适中的三维建筑物模型。
建模过程中, 对于复杂的三维建筑物的外形要使用3DMAX软件的挤出、放样等的功能。首先估算出教学楼模型各条边长, 根据边长建立教学楼基础地基。然后根据拍摄的图片估算出窗户的尺寸, 楼高和台阶高度等参数, 在三维建模中釆用对点、线、面的移动扭曲, 拉伸, 挤出等功能建立三维多边形模型。同样, 门窗、楼顶、墙体、等三维模型的制作步骤类似上述方法。最后需要优化建立完成的三维模型:对重合的点或线需要进行焊接操作, 对相邻两个平面的公共边需要进行删除操作。尽量使得每个面都形成凸多边形。采用三维捕捉功能对已完成的三维模型的位置进行调整、优化、核对, 确保每一步操作都准确无误。
在三维模型建模完成后, 为了模拟三维建筑物的真实效果, 还需要利用高清相机拍摄的多角度建筑物照片对建筑物进行贴图, 所选用的照片一定要色彩丰富, 颜色均勾并经过PS相应的处理, 之后使用塌陷功能对重复的部分进行处理, 焊接一些需要合并的点。
贴图完成后, 最后一步就是将模型导入到Unity3 D中。为了使系统效果更加趋于真实, 导入后需要添加一些灯光效果。在Unity3D中首先调整模型的自发光参数, 作为自然光的添加效果, 之后选取环境光和平行光, 使整个系统更加趋于逼真。
三分析与结论
随着计算机技术的发展, 3 DMAX虚拟场景漫游设计系统的开发将更加人性化、智能化, 本系统通过多种计算机学科的技术为莘莘学子们提供了一个能够了解学校的交互式平台;同时, 对推进校园的现代化管理水平也起到了积极作用, 该系统可以大大提升学校的知名度, 为学校建立了一个多方位的、直观的、可视化的平台。
参考文献
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