王濤

（無錫環(huán)境科學與工程研究中心 無錫城市職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214153）

自20世紀80年代Jaron Lanier正式提出虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）概念以來，如今己被廣泛應用于交通模擬、城市規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實、游戲、文物保護及遠程教育等領域；虛擬現(xiàn)實是一項綜合集成技術，涉及人機交互技術、計算機圖形學及傳感技術等多個領域.現(xiàn)在人們已經(jīng)能夠通過數(shù)字平臺來實現(xiàn)非常逼真的虛擬現(xiàn)實景觀，生成逼真的三維視覺效果，使參與者通過交互界面及裝置，輕松直觀地對虛擬世界進行溝通和體驗，最終能夠使參與者產(chǎn)生身臨其境的感覺，還能夠直接感受到虛擬環(huán)境中對象的反饋作用，尤其適用于呈現(xiàn)那些尚未實現(xiàn)或準備實施的項目，使觀者提前領略到實施后的精彩結果.“虛擬校園”隨因特網(wǎng)、網(wǎng)絡虛擬小區(qū)、虛擬現(xiàn)實技術等的發(fā)展而產(chǎn)生，是基于現(xiàn)實校園對三維景觀和環(huán)境數(shù)字化模擬的產(chǎn)物。數(shù)字化校園虛擬漫游系統(tǒng)是數(shù)字校園建設計劃的核心平臺。

現(xiàn)在許多規(guī)模較大的高校校園建設得都非常美，為了宣傳學校的目的，都紛紛搭建了自己的虛擬校園展示系統(tǒng)，展現(xiàn)校園細節(jié)信息和全貌，公眾則通過該系統(tǒng)，利用導航定位、自動漫游等多種模式進人虛擬校園，獲得逼真體驗和直觀感受.更重要的是將來還可以利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)這一平臺，構建更為直觀的數(shù)字化虛擬校園系統(tǒng)。

本研究以無錫城市職業(yè)技術學院為例，旨在探討基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字化校園的技術實現(xiàn)，以期為數(shù)字化校園建設提供一種新的思路。

1 設計軟件介紹

1.1 UDK （Unreal Development Kit）

UDK是由英佩數(shù)碼公司開發(fā)的基于Unreal Engine 3引擎的免費版開發(fā)工具，是一套為Xbox 360，DirectX 9/10 PC，P1ayStation 3平臺準備的完整的游戲開發(fā)構架，對 64位HDR高精度多種類光照、高級動態(tài)陰影特效和動態(tài)渲染均支持，能將數(shù)百萬個多邊形模型才有的高精度在低多邊形數(shù)量（通常在5000-15000多邊形）的模型上表現(xiàn)出來，如此就能用最低的計算資源達到極高畫質(zhì)渲染，滿足了虛擬場景的真實感要求。

本文將三維數(shù)字校園虛擬場景構建及場景瀏覽功能通過運用UDK進行了研究，并予以了設計和實現(xiàn)。

1.2 3ds Max三維模型制作軟件

3DsMAX是三維模型制作的主流軟件之一，由于其在POLYGEN多邊形建筑模型制作上的優(yōu)勢因此選擇此軟件作為此課題設計中主要的建模軟件，其中有些關鍵技術需要多次測試才得到最高效、經(jīng)濟、量優(yōu)的效果。

2 系統(tǒng)總體設計流程

無錫城市職業(yè)技術學院校區(qū)占地500畝，主要建筑包括五棟主教學樓、五棟實訓樓和食堂、學生宿舍和體育館、運動場。無錫城院三維虛擬校園系統(tǒng)交互設計，主要涵蓋視圖操作（平移、渲染、旋轉、霧化、光照、視點變換）、三維漫游（沿路徑漫游、繞點漫游、自由漫游）以及漫游控制等功能。用戶可以在系統(tǒng)中通過行走、鳥瞰以及選擇不同的攝像機視圖等多視角觀看校園景觀。本系統(tǒng)設計流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的制作流程Fig.1 System of the production process

本系統(tǒng)構建三維場景采用 Photoshop，3dsMax[9]，Crazy Bump等工具，漫游利用UDK場景實現(xiàn)。工作步驟具體包括三維模型的修改、模型UV（貼圖坐標）的分展、法線貼圖的制作、光影貼圖的烘焙、貼圖與模型的導出、UDK靜態(tài)模型及貼圖的導入、UDK制作材質(zhì)、UDK搭建虛擬場景、實現(xiàn)場景漫游等。

3 素材收集制作與處理

校園場景建立三維場景模型的基礎與依據(jù)是一維平面圖，所以，對于建立一個比例正確、大小適中的虛擬校園的場景模型的關鍵是有一個準確的場景平面圖。制作過程如下:

1）根據(jù)校園的平面分布圖來確定校園大概輪廓，各街道、花園、建筑物的分布位置及大小比例；借助Google Earth衛(wèi)星影像截圖，各個建筑物具體的俯視圖分布與形狀大小得以確定，并且繪制較為精確的校園平面分布圖。

2）校園內(nèi)的建筑分布區(qū)域大致運用Auto CAD”直線工具”勾勒出，用相同的方法導入到Google Earth衛(wèi)星影像截圖，進行更加細致的描繪。并將如圖2所示的虛擬校園建模底圖保存為.daW格式，導入3DSMAX中，作為三維虛擬校園建模的底圖。

4 創(chuàng)建三維模型

校園建筑的大部分模型都可用基本幾何體通過變形、修改后完成。如有的建筑物的模型是不規(guī)則的，這就需要運用3DSMAX提供的強大修改工具。較常用的修改器有旋轉、擠壓等來創(chuàng)建建筑物不規(guī)則的模型，例如棱角、突起或傾斜等。如圖2樓宇模型創(chuàng)建

圖2 校園樓宇模型透視圖Fig.2 A perspective view of the campus building model

1）樓群的建?？煞譃樯顓^(qū)（包括食堂、學生宿舍樓）和教學區(qū)（包括圖文信息中心、教學樓、辦公樓、實驗樓）等。

2）校園里主干道路的建模。環(huán)境反襯法的采用，即先通過底圖空出道路，然后在周圍附加建筑等模型、草坪，從而大大減小了道路建模的工作量。

民生水利建設取得實效。解決30萬人飲水安全問題，實施大中型灌區(qū)節(jié)水改造、小農(nóng)水重點縣、規(guī)?；?jié)水增效和草原節(jié)水示范等項目，改善灌溉面積32.53萬畝（15畝=1 hm2，下同）。新農(nóng)村電氣化縣和小水電代燃料項目穩(wěn)步推進。水利服務民生能力進一步增強。

3）對路燈、樹木、人物等的建模。對于樹木場景模型，由于樹木本身結構制作時問長，復雜，系統(tǒng)開銷增大，因此采用Billboard多邊形技術（廣告牌技術），利用簡單的紋理映射幾何繪制手段替代復雜的幾何繪圖。采用這種技術所建立的模型雖然稍有失真，卻極大地減小了模型建模難度和繪制時間。

5 運用3ds MAX等三維建模軟件進行模型構造和材質(zhì)紋理的貼圖

在UDK中材質(zhì)的編輯采用節(jié)點連接方式，十分接近MAYA，節(jié)點運算的原理也與Photoshop的圖層疊加比較接近，對于有設計基礎的人來說，可以較快上手。校園內(nèi)各種建筑物的模型建造一定要使用多邊形建模手段，當今的絕大多數(shù)游戲引擎基本上只支持多邊形幾何模型。模型必須進行優(yōu)化，表面多邊形的冗余去除，從而將整個模型的復雜度降低.對模型的細節(jié)也必須要采用紋理映射技術如烘培貼圖、置換貼圖、法線貼圖等來表現(xiàn)，象法線貼圖中的每個點RGB，實際就是代表每個所對應模型UV表面法線為坐標參考系XYZ軸的分量，Z軸則是該面的法線方向，法線貼圖中每個點通過定義的矢量方向來模擬校正光的反射方向，從而凹凸層次得到最終體現(xiàn)，通過這種技術手段可以有效地將模型的面數(shù)降低，從而使場景實時渲染時的運算量減少。

5.1 場景的優(yōu)化

機器運行效率及負荷的考慮，對場景可從以下幾個方面進行優(yōu)化:①模型面數(shù)的減少，把一些看不見的面刪除，合并同類材質(zhì)的物體。插件生成的方法在近景樹木中采用，而遠景則使用立體交叉平面的視覺樹的方法；②壓縮模型貼圖；③草坪則采用多邊形來創(chuàng)建；④光源減少使用，在渲染動畫時要關閉陰影。

5.2 烘焙

在3DSMAX中將物體的照明和陰影效果保存到貼圖中的過程叫烘焙。由于在虛擬場景中，視角每變化1度，物體的光影效果需要計算機進行大量的計算才能算出來，這樣勢必大大增加計算機內(nèi)存、處理器、顯卡的負荷。

高真實感、高精度的光照貼圖能通過3DSMAX的render to texture功能烘焙出來，從而極大減少電腦系統(tǒng)處理的工作量，把建筑物模型作為ase格式導出.3dsmax用戶可以直接導出ase格式，再在UDK中導人ase模型文件，同時還需要導入模型的貼圖。然后在UDK中進行后期編輯和調(diào)整，包括樹木的設定、貼圖色彩的修正、動畫貼圖設定、透明貼圖設定、碰撞的設定和相機的設定等。

6 虛擬校園UDK交互設計

6.1 交互平臺構建

交互平臺是虛擬校園的核心設計。依據(jù)系統(tǒng)架構，將虛擬校園互動平臺可分為如圖3所示的6個模塊。.

圖3 系統(tǒng)交互平臺的總體構建Fig.3 The overall build system interaction platform

6.2 數(shù)據(jù)庫鏈接

數(shù)據(jù)庫鏈接實現(xiàn)是虛擬校園的交互設計主要過程。先捕獲用戶點擊對象的名稱，然后依據(jù)對象名稱在SQL數(shù)據(jù)庫中查找到相應信息；最后通過屏幕輸出信息。數(shù)據(jù)庫信息查詢流程如圖4所示。

圖4 查詢數(shù)據(jù)庫信息Fig.4 Query database information

6.3 虛擬場景的交互控制

實現(xiàn)交互功能在UDK中主要依賴下面的組件:①UDK虛幻開發(fā)工具包，用戶通過相應的插件導入虛擬場景，進行各種制作、編輯。②UDK腳本有許多UnrealScript類在自己的擴展名為.uc的文本文件中，是所有交互腳本的集合。用戶可以通過源代碼級別的腳本調(diào)試工具的UnrealScript IDE給任意一個圖片、按鈕或模型編寫觸發(fā)函數(shù)、系統(tǒng)函數(shù)或自定義函數(shù)等，從而在虛擬場景中達到的互動效果。③動態(tài)貼圖編輯器ATX，是動畫貼圖的編輯器。在模型上用戶可以動態(tài)貼圖，這樣在運行狀態(tài)下，可以看到在該模型上顯示的是動態(tài)的圖片，與avi效果相類似。

此外，UDK中的腳本編輯器編寫相應的腳本函數(shù)要先進行初始化設置，并且要設置為點擊觸發(fā)式或距離觸發(fā)式，這樣可以保證實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息隨時的更新，并且用戶通過交互式漫游方式點擊虛擬校園場景中出現(xiàn)的建筑來提供數(shù)據(jù)支持。

6.4 系統(tǒng)打包發(fā)布

在三維虛擬校園漫游場景中需要創(chuàng)建攝像機動畫，所以，設定一條漫游路徑是必需的。要設置物理碰撞對于真實場景模擬也是必需，對于不能穿越的對象要進行碰撞檢測。

此外，在與周圍環(huán)境交互的過程中，還需要添加太陽的光暈、天空盒、背景音樂等，這樣整個場景將更逼真。最后，通過UDK編輯器的打包，保存并編譯成可執(zhí)行的。exe文件，生成虛擬漫游系統(tǒng)，見圖5。

圖5 校園漫游鳥瞰圖Fig.5 Aerial view of campus roaming

7 結束語

虛擬現(xiàn)實技術快速發(fā)展并應用領域不斷拓展的今天，在各個行業(yè)領域內(nèi)，虛擬現(xiàn)實技術的運用前景十分廣闊，然而由于專業(yè)技術的難度過大，造成長期以來，沒能很好地推廣應用.但靈活把游戲引擎UDK技術來運用到構建虛擬現(xiàn)實的校園環(huán)境、園林景觀等各類場景中，有很好的擴展性且快速呈現(xiàn)，是那些依托復雜技術平臺手段沿用固定漫游路徑或者的虛擬系統(tǒng)無法與之相媲美的.三維虛擬校園所提供的虛擬環(huán)境，為將來支持現(xiàn)實大學的環(huán)境規(guī)劃、資源管理和遠程訪問提供有效的界面服務平臺，運用游戲引擎UDK創(chuàng)建的虛擬校園將是校園數(shù)字信息化的一個重要組成部分.也為游戲引擎UDK技術應用到數(shù)字校園建設做了有益的探索，希望能起到投石問路的作用。

[1]李志文，韓曉玲.虛擬現(xiàn)實技術研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].信息技術與信息化，2005（3）:94-96.LI Zhi-wen，HAN Xiao-ling.Research on virtual reality technology:current status and future development of[J].Information Technology and Information Technology，2005（3）:94-96.

[2]許微.虛擬現(xiàn)實技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009，21（2）：35-36.XU Wei.Virtual reality technology status and development of[J].at Home and Abroad to Study the Modern Commerce Industry，2009，21（2）：35-36.

[3]楊鍵，耿衛(wèi)東，潘云鶴，等.基于圖像的虛擬景觀漫游[J].計算機輔助設計與圖形學報，2001，13（3）:229-235.YANG Jian，GENG Wei-dong，PAB Yun-he，et al.Virtual landscape image roaming[J].Computer Aided Design and Graphics Based on，2001，13（3）:229-235.

[4]Gerard F.Fibre optic sensor systems for monitoring composite structures[J].Reinforced Plastics，2005，49（11）:41-49.

[5]劉陳勇，馬純永，陳戈.基于VC/open GI的虛擬海大校園導航系統(tǒng) [J].計算機輔助設計與圖形學學報，2007，19（2）:263-267.LIU Chen-yong，MA Chun-yong，CHEN Ge.The VC/open GI virtual sea campus navigation system[J].Journal of Computer Aided Design and Graphics Based on，2007，19（2）:263-267.

[6]夏旺盛，黃心淵.3D游戲引擎構架概述[J].現(xiàn)代計算機，2003：39-43.XIA Wang-sheng，HUANG Xin-yuan.3D game engine architecture overview of[J].Modern Computer，2003：39-43.

[7]朱旦晨，宋桂嶺.基于 Unreal3的虛擬博物館系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化，2010 （12）：88-90.ZHU Dan-chen，SONG Gui-ling.A virtual museum system and implementation of Unreal3[J].Computer and Modernization in 2010 12 Period Based on：88-90.

[8]王濤.中文3ds max三維動畫基礎與實例教程[M].研究出版社，北京：2008.

[9]王新波，朱維杰.基于OpenGL與3DSMax的三維場景建模[J].電子科技，2012（1）:79-80.WANGXin-bo，ZHUWei-jie.Three-dimensional scenemodeling based on OpenGLand 3DSMax[J].Electronic Scienceand Technology，2012（1）:79-80.