摘 要： 基于Virtools技術(shù)開(kāi)發(fā)的虛擬校園漫游系統(tǒng),，具有良好的交互性,、構(gòu)想性和沉浸感，受到越來(lái)越多開(kāi)發(fā)人員的青睞。但在場(chǎng)景建模部分,，始終沒(méi)有得到有效的縮減,。因此，提出以我院北校區(qū)作為原型,，應(yīng)用3ds Max軟件的UVW展開(kāi)貼圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于圖像的虛擬校園場(chǎng)景建模,，在Virtools平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)。該建模技術(shù)能減輕繁雜的建模工作,，建立較逼真的虛擬校園場(chǎng)景,，使系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞： 場(chǎng)景建模,；貼圖技術(shù),；虛擬漫游

0 引言

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、建筑,、制造,、娛樂(lè)、電子競(jìng)技,、軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,。“3D電影”,、“3D打印”、“漫游導(dǎo)航”等熱點(diǎn)話(huà)題正逐漸走進(jìn)人們的日常生活,。構(gòu)造一個(gè)虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng),，就是利用高性能計(jì)算機(jī)軟硬件創(chuàng)建一個(gè)使用戶(hù)身臨其境的、具有沉浸感和良好人機(jī)交互能力的軟件系統(tǒng),。隨著3ds Max ,、Virtools等軟件功能日益強(qiáng)大，越來(lái)越多從事虛擬場(chǎng)景漫游,、導(dǎo)航的人員正嘗試應(yīng)用該軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景漫游系統(tǒng),。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家以及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)已經(jīng)普及到相當(dāng)規(guī)模。在國(guó)內(nèi),，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)人員選擇使用Virtools平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景漫游系統(tǒng)[1],。巧妙應(yīng)用3ds Max貼圖技術(shù)建立虛擬校園場(chǎng)景，可提高建模效率,，減少插件使用,，從而降低在 Virtools平臺(tái)上整合場(chǎng)景資源的難度，提升系統(tǒng)性能,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)說(shuō)明

　　虛擬校園漫游系統(tǒng)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn),，它具備虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性，滿(mǎn)足以下相關(guān)要求:

　　（1）真實(shí)感,。用戶(hù)在瀏覽校園時(shí),，要有身臨其境的感受才能融入校園，體會(huì)到虛擬校園帶來(lái)的樂(lè)趣,。

　?。?）靈活的漫游功能。用戶(hù)可以選擇瀏覽校園全景全貌,，也可以在校園場(chǎng)景中自主漫游,。對(duì)校園全景全貌的瀏覽能快速了解學(xué)校各種教學(xué)設(shè)施的地理位置，自主漫游是對(duì)校園環(huán)境,、教學(xué)設(shè)施的詳細(xì)了解,。

　　（3）實(shí)時(shí)的交互性,。在校園場(chǎng)景中漫游時(shí),，能夠通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)控制漫游的方位和速度，遇到障礙物的碰撞設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,，一個(gè)好的碰撞檢測(cè)系統(tǒng)能給瀏覽者增加更真實(shí)的沉浸感,。

　　本系統(tǒng)需要按照?qǐng)D1的技術(shù)路線(xiàn)圖來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　?。?）校園數(shù)據(jù)采集

　　首先應(yīng)用Google Earth軟件獲取我院北校區(qū)的電子地圖,，利用數(shù)碼相機(jī)采集學(xué)校建筑、實(shí)景圖片,，再把采集到的數(shù)據(jù)分類(lèi),，作為建模素材。

　?。?）平面圖形制作

　　將獲取的電子地圖導(dǎo)入AutoCAD軟件描繪建筑物,、場(chǎng)地、道路等實(shí)景輪廓,，最終建立校園平面地圖,。將采集到的建筑物照片應(yīng)用Photoshop軟件加工，作為三維建模的模型紋理,、貼圖使用,。

　　（3）三維模型制作

　　在3ds Max軟件中導(dǎo)入制作好的校區(qū)平面地圖,，根據(jù)建筑物的位置,、輪廓繪制三維模型，建筑物的高度可由采集到的照片經(jīng)過(guò)估算得到,。

　?。?）漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　在3ds Max軟件中建好模型后進(jìn)行整合,；在3ds Max軟件中安裝插件，將3D模型發(fā)布成*.nmo文件,；把發(fā)布后的文件導(dǎo)入Virtools軟件實(shí)現(xiàn)虛擬校園場(chǎng)景漫游,。

2 校園場(chǎng)景建模關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 校園地圖的制作

　　校園地圖的制作在虛擬校園的開(kāi)發(fā)過(guò)程中是相當(dāng)關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，校園地圖的位置是否準(zhǔn)確直接影響到虛擬校園的顯示效果,，因?yàn)樘摂M校園的建模是完全基于虛擬校園地圖建立的,。在繪制校園地圖時(shí)可以從學(xué)校基建處獲取相關(guān)信息,，如果沒(méi)有可以應(yīng)用Google Earth獲取衛(wèi)星地圖[2],。獲取衛(wèi)星地圖時(shí)要注意比例的一致性。嚴(yán)格按照衛(wèi)星地圖的位置描繪校園教學(xué)設(shè)施和道路輪廓等信息,。為能精確地繪制校園地圖,，應(yīng)把衛(wèi)星地圖導(dǎo)入CAD軟件中作為參考來(lái)繪制。

　　2.2 建筑平面框圖

　　通過(guò)Photoshop處理好衛(wèi)星地圖后,，為得到一個(gè)精確的校園地圖,，將它導(dǎo)入AutoCAD2008作為繪制地圖的外部參照文件。應(yīng)用AutoCAD2008的直線(xiàn)和曲線(xiàn)工具仔細(xì)繪制校園的輪廓,、教學(xué)設(shè)施,、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、道路等輪廓,。

　　2.3 道路,、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)平面框圖

　　在繪制校園地圖時(shí)應(yīng)區(qū)分校園的各種景物和教學(xué)設(shè)施，單獨(dú)創(chuàng)建不同的層來(lái)區(qū)分不同的景物,。例如道路,、校園建筑等實(shí)景可設(shè)置成不同顏色的圖層。將所有的實(shí)景對(duì)象繪制完成后,，就得到一張校園地圖。其中基礎(chǔ)教育學(xué)院北校區(qū)的平面地圖如圖2所示,。

　　將校園地圖文件導(dǎo)入3ds Max2009軟件作為底圖參照,，繪制出等比例的虛擬校園模型。

　　2.4 建筑模型

　　傳統(tǒng)三維場(chǎng)景建模方法較為繁瑣,，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力,。采用基于圖像的建模方法，可提高建模效率,，使虛擬場(chǎng)景顯得更加真實(shí),。基于圖像建模是指利用圖像來(lái)恢復(fù)出物體的幾何模型, 這里的圖像包括真實(shí)照片,、繪制圖像,、視頻圖像以及深度圖像等。而廣義的基于圖像建模技術(shù)還包括從圖像中恢復(fù)出物體的視覺(jué)外觀、光照條件以及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性等多種屬性,。與基于圖像建模技術(shù)密切相關(guān)的是基于圖像的繪制技術(shù),，由于基于圖像的繪制可以在沒(méi)有任何三維幾何信息或少量幾何信息的情況下進(jìn)行，僅基于若干幅原始圖像繪制出三維場(chǎng)景的新視點(diǎn)圖像,， 因此, 基于圖像繪制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法尚無(wú)法建模的高度復(fù)雜場(chǎng)景,。但它通常需要對(duì)場(chǎng)景做大量的數(shù)據(jù)采樣, 而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景細(xì)節(jié)的模型編輯。

　　在3ds Max軟件中,，基于圖像的建模方法可應(yīng)用貼圖技術(shù)實(shí)現(xiàn),。這種建模方法只需繪制建筑輪廓而不必繪制細(xì)節(jié)部分，其關(guān)鍵是處理好貼圖紋理和光照效果[3-5],。根據(jù)場(chǎng)景模型形狀和所采集處理后的圖片,，在貼圖時(shí)可使用UVW展開(kāi)貼圖（Unwrap UVW）方式。

　　學(xué)生公寓模型相對(duì)復(fù)雜,，即使應(yīng)用傳統(tǒng)的建模方法實(shí)現(xiàn),，模型也將占用較多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間，使系統(tǒng)的運(yùn)行速度大為降低,。應(yīng)用UVW展開(kāi)貼圖的方法只需建立一個(gè)模型的框架,，通過(guò)使用UV展開(kāi)貼圖的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的建模。UV展開(kāi)貼圖法能顯著降低模型所占用的內(nèi)存空間,，明顯提高運(yùn)行效率,，是一種基于圖像的建模方法?？砂匆韵沦N圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生公寓建模,。

　　（1）在3ds Max 軟件中導(dǎo)入制作好的校園地圖,，在頂視圖找到學(xué)生公寓的輪廓,，繪制成一個(gè)封閉的二維圖形，再選擇編輯器列表里的Extrude(擠出)命令,，擠出的高度由建筑物的高度決定,，得到三區(qū)學(xué)生公寓的三維輪廓。

　?。?）在3ds Max軟件中安裝Texporter插件,，應(yīng)用該插件可得到一張UVW展開(kāi)圖。

　?。?）把采集到的學(xué)生公寓真實(shí)照片,，應(yīng)用Photoshop軟件的剪切、自由變形,、旋轉(zhuǎn)等工具進(jìn)行圖片形狀,、位置等的調(diào)節(jié),，加工生成學(xué)生公寓12個(gè)面的圖片，對(duì)應(yīng)粘貼到圖片中,，得到UVW展開(kāi)圖,。把該圖片作為材質(zhì)貼圖賦予場(chǎng)景中的學(xué)生公寓模型，貼圖后最終得到學(xué)生公寓,，如圖3所示,。學(xué)生公寓陽(yáng)臺(tái)、窗臺(tái),、樓層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn),。教學(xué)樓等建筑設(shè)施可按照上述編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　2.5 綠化植物

　　在虛擬校園場(chǎng)景中,，只有教學(xué)樓,、學(xué)生公寓等建筑設(shè)施是不夠的，要完整地表現(xiàn)一個(gè)學(xué)校的校容校貌,，場(chǎng)景中就應(yīng)該有樹(shù)木,、花草、道路等虛擬實(shí)景物體,。而樹(shù),、草皮這些實(shí)景物體比較復(fù)雜。如果應(yīng)用傳統(tǒng)建模方法建立樹(shù)模型,，其難度可想而知,，即使建立出來(lái)也將占用非常多的計(jì)算機(jī)資源，因此可以應(yīng)用3ds Max的透明貼圖技術(shù)在場(chǎng)景中建立樹(shù)等實(shí)景物體,。這里介紹樹(shù)的建立方法,。

　　在一般的虛擬場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)中可以使用很多的樹(shù)木插件來(lái)制作植物，如Treestorm ,、Forest等插件,，可以做出逼真度非常高的植物效果[6]。但是考慮到虛擬校園漫游場(chǎng)景的特殊性,，要求盡量減少場(chǎng)景中模型的面數(shù),，因此，本系統(tǒng)使用“片面拼插貼圖法”來(lái)制作虛擬校園中的植物,。該方法主要適用于單個(gè)的,、或者細(xì)節(jié)要求比較多的高大喬木以及點(diǎn)綴的植物,，主要依靠面片的插接,，然后通過(guò)貼圖通道來(lái)表現(xiàn)樹(shù)木細(xì)節(jié)?？砂慈缦沦N圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)“片面拼插貼圖法”,。

　?。?）首先在虛擬校園場(chǎng)景中創(chuàng)建一個(gè)面片，長(zhǎng)度分段和寬度分段都設(shè)為1,， 打開(kāi)材質(zhì)編輯器,，選用空白的材質(zhì)球，打開(kāi)“漫反射”貼圖通道—“位圖”,，選用一張貼圖,，再打開(kāi)“不透明度”貼圖，選用通過(guò)Photoshop處理后的貼圖,。

　?。?）賦予貼圖的面片。在修改命令面板中添加“UV貼圖”命令,，貼圖方式為“柱形”,，調(diào)整對(duì)齊方式為“位圖對(duì)齊”，這樣可以將面片的大小按照所使用貼圖的大小進(jìn)行設(shè)置,。調(diào)整完成后,，右鍵“轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形”。

　?。?）關(guān)閉“僅影響軸”按鈕,，再打開(kāi)“角度捕捉切換”，按住“Shift”鍵,，同時(shí)旋轉(zhuǎn),。依次選擇“克隆選項(xiàng)”、“實(shí)例”,、“確定”,，校園環(huán)境樹(shù)制作完成。環(huán)境樹(shù)制作完成后根據(jù)場(chǎng)景需要可適當(dāng)添加樹(shù)木,，但不宜過(guò)多,，樹(shù)木太大會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行速度，影響漫游效果,?？砂创朔椒ㄖ谱髌渌麑?shí)景物體。

　　2.6 天空效果

　　在建立虛擬校園時(shí),，天空效果的表現(xiàn)是必須的,，主要有以下幾種建模方法:

　　（1）半球物體貼圖,。在場(chǎng)景中建立半球體,，使用法線(xiàn)翻轉(zhuǎn)工具翻轉(zhuǎn)半球體，直接貼一張?zhí)炜請(qǐng)D片即可顯示出天空效果,。

　?。?）插件,。搜集能生成天空的插件，在3ds Max中安裝插件后直接創(chuàng)建天空效果,。

　?。?）通道應(yīng)用。在3ds Max中設(shè)置通道,，通過(guò)貼圖通道導(dǎo)出圖片,，經(jīng)Photoshop軟件處理，然后在3ds Max通過(guò)貼圖創(chuàng)建天空效果,。

　　因?yàn)樵谥谱骱锰摂M校園場(chǎng)景后需要把場(chǎng)景導(dǎo)入Virtools軟件,，為方便在該軟件中實(shí)現(xiàn)漫游，應(yīng)使用第一種方法,，即“半球物體貼圖”法,，可按以下編輯技術(shù)操作。

　?。?）在3ds Max中,，打開(kāi)虛擬校園場(chǎng)景文件，在頂視圖中建立球體,，選擇球體右擊,，把球體轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形。找到修改器列表的可編輯網(wǎng)格編輯器,，展開(kāi)修改器列表中的加號(hào),，選擇多邊形的“點(diǎn)”對(duì)象，在前視圖中選擇球體的下半部分并刪除,，場(chǎng)景中剩下一個(gè)需要制作天空效果的半球體,。

　　（2）選擇半球體,，在修改器列表下點(diǎn)擊可編輯網(wǎng)格對(duì)象,，展開(kāi)加號(hào)，點(diǎn)擊可編輯網(wǎng)格的“面”對(duì)象,，使用快捷鍵“Ctrl+A”全選球體的所有面,，使用“翻轉(zhuǎn)”工具翻轉(zhuǎn)半球體所有面的法線(xiàn)。使場(chǎng)景中能直接看到天空效果,?；氐綀?chǎng)景中重新選擇半球體，用右鍵選擇“對(duì)象屬性”,，在打開(kāi)的對(duì)話(huà)框中選取“背面消隱”復(fù)選框,。最后點(diǎn)擊確定關(guān)閉屬性對(duì)話(huà)框。

　　（3）打開(kāi)“材質(zhì)編輯器”,，在“漫反射貼圖”通道中添加一張?zhí)炜召N圖。在“自發(fā)光貼圖”通道中,，使用“實(shí)例”復(fù)制拖動(dòng)“漫反射貼圖”到“自發(fā)光貼圖”通道中,，最后單擊確定關(guān)閉材質(zhì)編輯器對(duì)話(huà)框。如需調(diào)節(jié)天空在場(chǎng)景中的形狀,，可使用縮放工具,，在Z軸或其他方向擠壓半球體。天空效果制作完成,虛擬校園部分場(chǎng)景如圖4所示,。

3 資源整合及導(dǎo)入

　　在3ds Max中建立好虛擬校園場(chǎng)景后,，就可以導(dǎo)入到 Virtools中進(jìn)行交互式漫游設(shè)計(jì)。3ds Max文件導(dǎo)入到Virtools中需要安裝Max Exporter的導(dǎo)出插件Max Exporter,，它是一個(gè)專(zhuān)門(mén)把在3ds Max中創(chuàng)建的模型,、貼圖、燈光以及動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出為Virtools軟件支持的插件,。安裝后可以在3ds Max的安裝目錄Plugins中檢測(cè)到是否有“Max2Virtools.dle”文件,。

　　把虛擬校園場(chǎng)景導(dǎo)入Virtools軟件中后，有可能在Virtools中的效果會(huì)發(fā)生一些變化,，例如樹(shù)的面片在3ds Max中是透明的,，但在Virtools 中樹(shù)的面片出現(xiàn)了，會(huì)影響顯示效果,，這時(shí)可設(shè)置樹(shù)的透明度,，讓樹(shù)不再以面片的形式出現(xiàn)。

4 漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　在Virtools軟件中要實(shí)現(xiàn)虛擬漫游功能,，可以通過(guò)使用攝像機(jī)來(lái)與場(chǎng)景中的物體進(jìn)行交互,。在創(chuàng)建面板上點(diǎn)擊攝像機(jī)按鈕，在場(chǎng)景中創(chuàng)建一個(gè)攝像機(jī),。為了使虛擬校園有良好的交互效果,，本系統(tǒng)引入一個(gè)人物角色“Peter”，使這個(gè)角色在虛擬校園中能自由漫游,。

　　對(duì)角色設(shè)置碰撞檢測(cè),，這是虛擬交互設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的工作，只有真實(shí)的碰撞檢測(cè),，才能使虛擬交互更加接近真實(shí)[7],，為此要對(duì)系統(tǒng)設(shè)置基本的碰撞檢測(cè)。正確設(shè)置后,，角色能與場(chǎng)景中的物體發(fā)生碰撞,，并不能穿越物體。至此,，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的場(chǎng)景建模,、角色建立,、交互式虛擬漫游等功能。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示,。

5 結(jié)論

　　應(yīng)用上述3ds Max貼圖技術(shù)建?？杀荛_(kāi)繁雜的場(chǎng)景建模過(guò)程，減輕了資源整合的難度,，使角色在場(chǎng)景中漫游時(shí)更加流暢,，系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。

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