秦 雯，孫 卡，張小鋒

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

我國(guó)在2006-2010年的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)列為信息技術(shù)的前沿技術(shù)。第一個(gè)VR(虛擬現(xiàn)實(shí))系統(tǒng)出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代［1］。在我國(guó)已有多所高校著手開(kāi)發(fā)和研究虛擬校園系統(tǒng)。數(shù)字校園是計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維可視化技術(shù)和地理信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，通過(guò)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景到虛擬場(chǎng)景的映射技術(shù)，以數(shù)字化的方式展示和管理現(xiàn)實(shí)中的地物，它是“數(shù)字城市”［2］和“數(shù)字地球”［3］的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)很多高校都在進(jìn)行數(shù)字校園的開(kāi)發(fā)和研究，如浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京大學(xué)等高校都已采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功地建設(shè)了數(shù)字校園［4］。

本文以南昌航空大學(xué)前湖校區(qū)為例，綜合運(yùn)用Multigen Creator［5］軟件和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)，對(duì)校園三維可視化方面的技術(shù)進(jìn)行探索和研究，構(gòu)建出逼真的三維校園場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字校園的相關(guān)功能。通過(guò)該系統(tǒng)提供的三維模型，可以在電腦上直觀地展示我校的校園景觀;同時(shí)，把我校的校園規(guī)劃從二維轉(zhuǎn)換為三維，實(shí)現(xiàn)了校園規(guī)劃與管理方面的飛躍，對(duì)我校招生就業(yè)、宣傳教育、校友聯(lián)系、展現(xiàn)辦學(xué)實(shí)力等方面都具有重要的作用［6］。

1 虛擬校園建模流程

校園三維可視化的主要設(shè)計(jì)思路是:將傳統(tǒng)的二維平面地圖與三維場(chǎng)景模型通過(guò)地理坐標(biāo)映射的方式進(jìn)行結(jié)合，利用采集的地形數(shù)據(jù)生成地表三維模型，并實(shí)現(xiàn)遙感影像或航拍影像與地表模型的映射，從而生成校園的地貌模型;同時(shí)，對(duì)地面上的建筑物進(jìn)行真實(shí)準(zhǔn)確的三維建模;最后把它們集中在一起。

本項(xiàng)目采用Multigen Creator作為虛擬場(chǎng)景的建模工具，該工具有良好的用戶(hù)交互界面，建模速度快、精度高，生成的模型空間數(shù)據(jù)量較小等特點(diǎn)，因此被世界各國(guó)的仿真單位及軍方廣泛使用;采用Vega Prime［7］實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園的漫游和仿真功能，其開(kāi)發(fā)流程如下:

(1)準(zhǔn)備平面數(shù)據(jù):完成校園地形和各類(lèi)建筑物的測(cè)量與定位工作，并在AutoCAD(或CASS)軟件中對(duì)教學(xué)樓、宿舍、道路、路燈、數(shù)目、花壇等各類(lèi)地物進(jìn)行分類(lèi);同時(shí)，制作校園的二維平面圖和等高線數(shù)據(jù)，并將該平面圖保存為*.dxf的格式;最后，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入Multigen Creator軟件，作為三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);該步驟中使用的硬件設(shè)備有GPS RTK、全站儀，軟件設(shè)備有AutoCAD、CASS和Multigen Creator軟件。

(2)制作地形紋理:地形紋理是指通過(guò)遙感或航拍得到的地表影像數(shù)據(jù)，該類(lèi)數(shù)據(jù)可以通過(guò)測(cè)繪局購(gòu)買(mǎi)或網(wǎng)絡(luò)下載的方式得到，但后者的精度通常沒(méi)有前者的精度高。本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載的方式，從谷歌地球上下載到了南昌航空大學(xué)的影像數(shù)據(jù)，其航拍高度為100米，該數(shù)據(jù)的分辨率清晰度可以滿(mǎn)足具體應(yīng)用的需要;該步驟用到的關(guān)鍵軟件設(shè)備有Google Earth和PhotoShop軟件。

(3)制作地物紋理:利用數(shù)碼相機(jī)拍攝校園各類(lèi)建筑物及其它地物的數(shù)碼照片，使用圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行偏斜糾正、圖像大小、去噪和調(diào)色處理，并將最終的文件存儲(chǔ)為RGB、RGBA和DDS格式，以作為地物模型的紋理數(shù)據(jù)。采用紋理貼圖可以增加物體的真實(shí)感，而不會(huì)增加模型的復(fù)雜度［8-9］。該步驟用到的關(guān)鍵設(shè)備和軟件有高清數(shù)碼相機(jī)、PhotoShop以及支持RGB和DDS存儲(chǔ)的相關(guān)插件。

(4)構(gòu)建校園三維地表模型:將地形數(shù)據(jù)和地形紋理數(shù)據(jù)在Multigen Creator中進(jìn)行紋理貼圖。貼圖過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)圖像上圖形數(shù)據(jù)和測(cè)量的地形數(shù)據(jù)的映射，可采用三點(diǎn)貼圖或四點(diǎn)貼圖的方式進(jìn)行。貼圖精度高低的檢查方法是:查看地形中的地物特征輪廓是否與紋理中的輪廓相吻合，如果不吻合，則需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直到大部分?jǐn)?shù)據(jù)都相吻合為止。該步驟使用的關(guān)鍵軟件是Multigen Creator。

(5)構(gòu)建三維地物模型:按照平面圖提供的輪廓構(gòu)建，同時(shí)參看紋理數(shù)據(jù)的影像，完成地面上各種建筑物、樹(shù)木、路燈等模型的構(gòu)建工作;完成建模后還需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，如模型的分區(qū)、模型層次結(jié)構(gòu)的組織、LOD模型的制作、燈光、材質(zhì)及DOF的制作等。該步驟使用的關(guān)鍵軟件是Multigen Creator。

(6)三維仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā):對(duì)Vega Prime平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將三維構(gòu)建出的三維模型按照相關(guān)的配置存儲(chǔ)到Vega Prime所支持的.acf文件中，并添加具體的應(yīng)用功能，如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移、漫游等功能，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維漫游和分析功能。該步驟使用的關(guān)鍵設(shè)備和軟件是VS.NET 2003和Vega Prime軟件。

具體開(kāi)發(fā)流程圖如圖1所示。

圖1 校園仿真三維可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程

2 具體建模方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

圖2 校園平面數(shù)據(jù)

在校園平面地圖的采集方面，使用南方測(cè)繪公司生產(chǎn)的NTS-352R全站儀完成了校園全部碎部點(diǎn)的測(cè)量工作，該儀器采用新型測(cè)距頭，具有大容量?jī)?nèi)存和高精度、長(zhǎng)測(cè)程的特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)為:無(wú)棱鏡測(cè)距可達(dá)100米，測(cè)距精度為5+3ppm;單棱鏡測(cè)距為3000米，測(cè)距精度為2+2ppm，設(shè)備的精度可以滿(mǎn)足研發(fā)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的需要。在數(shù)據(jù)采集前，首先使用南方測(cè)繪靈銳S86T/RTK(1+1)測(cè)圖系統(tǒng)完成校園29個(gè)一級(jí)控制點(diǎn)的布設(shè)，使用該GPS的原因是因?yàn)槠渚雀?，并且速度?然后在此基礎(chǔ)上使用全站儀又布設(shè)了69個(gè)二級(jí)控制點(diǎn)，所有控制點(diǎn)布設(shè)完畢后進(jìn)行了校區(qū)碎部點(diǎn)的測(cè)量和平面圖的繪制工作，該平面圖包含了建筑物輪廓、道路、花壇、樹(shù)木、路燈等學(xué)校地物的空間定位信息，如圖2(a)所示;在地形遙感影像圖的獲取方面，使用成都水經(jīng)注信息科技有限公司研發(fā)的谷歌衛(wèi)星地圖下載器，完成校園影像地圖的采集工作，如圖2(b)所示;另外，本文使用高清數(shù)碼相機(jī)從不同角度進(jìn)行拍攝，完成了校園建筑物和其它地物紋理數(shù)據(jù)的采集，并將這些數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在以建筑物名字為命名的文件夾中，以方便三維建模時(shí)紋理數(shù)據(jù)的處理。

2.2 地形地物建模

在構(gòu)建細(xì)部模型之前，需要完成校園地表模型的構(gòu)建。本文使用測(cè)量到的包含高程信息的平面數(shù)據(jù)，使用相關(guān)中間軟件提供的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)，完成了校園矢量地形圖的構(gòu)建，并在Multigen Creator中通過(guò)紋理映射的貼圖方法，實(shí)現(xiàn)了地表模型的制作［10］。校園場(chǎng)景中的三維模型，則按其屬性特征，劃分為建筑物模型、道路模型、樹(shù)木模型、植被模型和景觀模型。由于各種類(lèi)別模型的特點(diǎn)各不相同，采用了不同的建模方法完成模型的構(gòu)建。

(1)建筑物模型的構(gòu)建方法:建筑物的外觀通常是由和地面垂直的墻壁組成，并且其輪廓已經(jīng)通過(guò)測(cè)量得到，因此在對(duì)其建模時(shí)，可以先構(gòu)建出建筑物的輪廓線，然后使用Creator里面提供的Wall功能完成墻壁的構(gòu)建;在房頂?shù)臉?gòu)建方面，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇Roof功能里面提供的19種子房頂構(gòu)建功能完成。完成輪廓構(gòu)建之后，還需要對(duì)采集到的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先需要剔除上面的遮擋物，并進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲、變形等變換工作，直到把紋理圖像處理成一幅完整的正射影像為止，處理完后，為了保持所有建筑物色調(diào)一致性，還需要進(jìn)行圖像的亮度、對(duì)比度、色階、曝光度等參數(shù)的調(diào)整工作。這兩步完成之后，即可進(jìn)行模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的貼圖工作，最終完成建筑物模型的構(gòu)建工作。通常，由于校園里面不同院系的建筑物具有不同的建筑風(fēng)格，在實(shí)際構(gòu)建時(shí)，還需要結(jié)合Creator中的其它建模工具完成。

(2)道路模型的構(gòu)建方法:校園的道路主要可分為車(chē)行道和人行道，車(chē)行道由道路中心線、路面和路肩組成;人行道通常和車(chē)行道平行、相接，其沿車(chē)行道向外擴(kuò)展一定的距離，并且其高度高于車(chē)行道。在構(gòu)建道路模型時(shí)，首先需要沿道路的邊界使用切面工具完成車(chē)行道路面和人行道路面的裁剪，對(duì)于車(chē)行道路面，需要制作一個(gè)包含道路中心線和左右路面的紋理數(shù)據(jù)，然后對(duì)其重復(fù)貼圖即可;對(duì)于人行道，通常還需要按照實(shí)際的情況，使用Wall命令將其拔高一定的高度并刪除下底面，進(jìn)而對(duì)其側(cè)面和路面進(jìn)行貼圖，從而完成人行道和路肩模型的構(gòu)建。針對(duì)校園內(nèi)部其它的一些如林蔭道、花園小徑等人行道的建?？梢圆捎秒p線工具來(lái)構(gòu)建，構(gòu)建完畢后貼上相關(guān)的紋理即可。

(3)樹(shù)木模型的構(gòu)建方法:由于校園內(nèi)樹(shù)木的種類(lèi)繁多，并且形態(tài)各異，大小不同，在對(duì)其構(gòu)建時(shí)，使用了布告板技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)樹(shù)木形態(tài)的表現(xiàn)，使用實(shí)例化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)樹(shù)木大小不同和種類(lèi)繁多的表現(xiàn)。布告板技術(shù)使用十字交叉面的方式，在每個(gè)面上貼上不同的樹(shù)木紋理數(shù)據(jù)，從而確保觀察者通過(guò)任何角度都能夠看到樹(shù)木的側(cè)面;實(shí)例化技術(shù)通過(guò)內(nèi)存引用的方式，并結(jié)合平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等矩陣參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)將同一種樹(shù)木放置在不同的空間位置，并更改其大小和朝向。在構(gòu)建樹(shù)木模型時(shí)，需要注意的是要針對(duì)校園內(nèi)的每種樹(shù)木都構(gòu)建出多顆樹(shù)木模型，以真實(shí)地表達(dá)樹(shù)木的差異性。

(4)植被模型的構(gòu)建方法和道路模型的構(gòu)建方法類(lèi)似，不同之處是它們使用的紋理數(shù)據(jù)各不同。

(5)景觀模型的構(gòu)建:校園內(nèi)的輔助景觀模型包括雕塑模型、報(bào)欄、長(zhǎng)廊、景觀橋、涼亭、籃球架、足球門(mén)、觀景臺(tái)等，這些模型的形態(tài)各異，其構(gòu)建方法和常規(guī)模型的構(gòu)建方法有很大的不同，需要綜合運(yùn)用各種建模工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。在構(gòu)建過(guò)程中，也可以外部引用的方式，使用他人的或前期已有的模型來(lái)構(gòu)建。

通過(guò)上述的建模方法和建模技術(shù)，本文構(gòu)建出的校園模型如圖3所示。

圖3 校園景觀模型

3 三維建模關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多層次細(xì)節(jié)技術(shù)

該技術(shù)針對(duì)同一物體，在數(shù)據(jù)庫(kù)中維護(hù)多份具有不同細(xì)節(jié)程度的模型數(shù)據(jù)，從而確保在可視化仿真過(guò)程中，系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)的位置和與物體之間的距離，選擇出合適的模型來(lái)繪制，從而提高系統(tǒng)的繪制效率。多細(xì)節(jié)層次模型的制作使用了從高到低的方式進(jìn)行，即先針對(duì)某一物體，制作其最精細(xì)的模型，然后使用 Creator提供的工具，通過(guò) Grid Size、Grid Displacement、Grid Warp、Tolerance 等相關(guān)參數(shù)的修改，逐步地制作最粗糙的模型。細(xì)節(jié)層次越高的模型包含的面片個(gè)數(shù)越多，其模型越逼真。

3.2 實(shí)例化技術(shù)

實(shí)例是指對(duì)模型數(shù)據(jù)庫(kù)中某個(gè)模型對(duì)象的一個(gè)參考副本，但實(shí)際上實(shí)例與拷貝有著本質(zhì)的區(qū)別:拷貝是通過(guò)在模型數(shù)據(jù)庫(kù)中完全復(fù)制模型對(duì)象的幾何部分創(chuàng)建的副本，而實(shí)例僅僅是指向模型數(shù)據(jù)庫(kù)中模型對(duì)象的指針，并沒(méi)有復(fù)制模型對(duì)象的幾何形體。由于校園環(huán)境中存在著大量的樹(shù)木、路燈、電線桿、垃圾桶、路標(biāo)、花壇等地物，這些地物的顯著特征是幾何形狀相同、屬性和空間位置不同，如果采用幾何拷貝的手段對(duì)其進(jìn)行建模，則每增加一個(gè)物體，空間數(shù)據(jù)庫(kù)中多邊形的數(shù)量就增加一倍，而采用實(shí)例化技術(shù)，可以在增加同類(lèi)物體數(shù)量時(shí)不增加多邊形的數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)的目的。

3.3 動(dòng)畫(huà)序列技術(shù)

該技術(shù)模擬傳統(tǒng)的二維動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作技法，通過(guò)播放一系列動(dòng)畫(huà)畫(huà)面序列以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的效果。該技術(shù)在對(duì)噴泉、滾動(dòng)的車(chē)輪、警報(bào)燈、火焰和水面波浪等動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)對(duì)象進(jìn)行建模時(shí)具有重要的作用，可大大增加場(chǎng)景的真實(shí)和逼真性。

3.4 外部引用

本系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景中建筑物數(shù)目比較多，場(chǎng)景的種類(lèi)也比較多，例如花壇、湖泊、河流、飛機(jī)火箭模型、人物雕塑等，通常采用的方法是分類(lèi)建模，把同種類(lèi)模型對(duì)象放入一個(gè)文件，然后通過(guò)外部引用(External Reference)的功能，導(dǎo)入各個(gè)文件，這種方法能大大減小文件本身的大小。因?yàn)槭褂猛獠恳?，在主要的文件中只需保存引用文件的路徑和名稱(chēng)，而不用保存模型數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)文件可以保持相對(duì)的獨(dú)立，在需要修改時(shí)只單獨(dú)打開(kāi)需要修改的文件進(jìn)行修改，在主要文件中進(jìn)行刷新操作即可，主要文件的其它模型不會(huì)受到影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和三維可視化技術(shù)的綜合運(yùn)用，在Multigen Creator軟件中完成了南昌航空大學(xué)校園基礎(chǔ)設(shè)施和三維場(chǎng)景的建模工作，構(gòu)建了虛擬的校園環(huán)境，分析了校園三維模型的建模特點(diǎn)，給出了相關(guān)的建模流程。用戶(hù)可以在顯示屏上很直觀地看到生動(dòng)逼真的校園景觀，可以進(jìn)行諸如查詢(xún)、量測(cè)、漫游、飛行瀏覽等一系列操作，該系統(tǒng)將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于校園展示中，可為廣大教職員工、校友、學(xué)生家長(zhǎng)以及社會(huì)各界人士提供一個(gè)全新的技術(shù)平臺(tái)，直觀地展示現(xiàn)實(shí)校園中的各種建筑設(shè)施，交互式觀察校園的建筑風(fēng)貌，審視校園規(guī)劃布局，回顧校園的發(fā)展和變遷。另外，我校還無(wú)地理信息、測(cè)量、導(dǎo)航等相關(guān)專(zhuān)業(yè)，此項(xiàng)目可以為我校申請(qǐng)新專(zhuān)業(yè)奠定一定的基礎(chǔ)。

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