韋　偉，韓建華，何　翔

(1. 安慶師范學(xué)院 教育學(xué)院，安徽 安慶 246133；2. 安慶市獨秀園管理處，安徽 安慶 246133)

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獨秀園虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

韋偉1，韓建華1，何翔2

(1. 安慶師范學(xué)院 教育學(xué)院，安徽 安慶 246133；2. 安慶市獨秀園管理處，安徽 安慶 246133)

摘要：虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)是實現(xiàn)虛擬旅游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對促進(jìn)智慧旅游建設(shè)有著重要意義。以安徽省安慶市獨秀園景區(qū)為例，在總體分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于3ds Max的虛擬景區(qū)構(gòu)建方法和基于VPN編輯器的漫游與交互功能的設(shè)計，指出應(yīng)用注意的問題，最后實現(xiàn)了獨秀園虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬景區(qū)；漫游系統(tǒng)；交互功能

目前，很多景區(qū)紛紛利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線宣傳和景點瀏覽，相較于平面、靜態(tài)的文字和圖片，利用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)[1]開展的虛擬旅游為景區(qū)帶來了全新的展示手法。虛擬旅游其實就是建立在現(xiàn)實景觀的基礎(chǔ)上，通過模擬或超現(xiàn)實景觀，構(gòu)建一個虛擬旅游環(huán)境，使參與者能夠如同身臨其境般進(jìn)行旅游活動[2]。這里以安徽省安慶市獨秀園為例，實現(xiàn)虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)。

獨秀園是為紀(jì)念中國共產(chǎn)黨主要創(chuàng)始人之一——陳獨秀而建立的一座大型紀(jì)念館，兼有教育、游覽、生態(tài)、研究等多種功能。它通過大量圖片資料和文物史料生動再現(xiàn)了陳獨秀的生平事跡，讓參觀者接受黨史教育，激發(fā)追求真理的革命思想，實現(xiàn)對公眾的紅色教育，特別是中小學(xué)生的愛國主義教育。因此，獨秀園長期以來都是省市兩級青少年教育基地。但獨秀園位于安慶市大觀區(qū)十里鋪鄉(xiāng)林業(yè)村境內(nèi)，交通相對不便；中小學(xué)出于安全考慮，每年即使市區(qū)內(nèi)學(xué)校組織學(xué)生參觀的次數(shù)也屈指可數(shù)。這都在很大程度上削弱了教育基地的文化價值，同時也淡化了其革命教育的功能，有違教育基地創(chuàng)建的初衷。

獨秀園虛擬景區(qū)的構(gòu)建恰好一方面解決中小學(xué)生實地參觀存在的安全、經(jīng)費和時間問題，另一方面則是延伸中小學(xué)課堂素質(zhì)教學(xué)、拓展基地教育功能的有效途徑。虛擬景區(qū)構(gòu)建有兩種方式：基于圖像的虛擬建模與繪制(Image-Based Modeling and Rendering，IBMR)和基于幾何模型的虛擬建模與繪制(Geometry-Based Modeling and Rendering，GBMR)[3]。IBMR對照相機或攝像機連續(xù)采集的圖像和視頻進(jìn)行全景圖像合成，通過合適的空間模型把全景圖像組織成虛擬實景空間。國內(nèi)“全景客”網(wǎng)站中虛擬旅游基本都是通過IBMR方法實現(xiàn)360度全景瀏覽，但只能在多點進(jìn)行全景觀察，因此真實感和交互性不強，交互漫游很難實現(xiàn)。與此相反，GBMR是以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)，能真實構(gòu)造虛擬景區(qū)的三維幾何模型，因此精度較高且具有可操作性，便于實現(xiàn)人機交互。鑒于此，安慶市獨秀園虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)采用GBMR方法對獨秀園核心區(qū)進(jìn)行三維重建，實現(xiàn)景區(qū)的虛擬漫游。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

獨秀園核心區(qū)充分結(jié)合自然地形地貌條件，圍繞紀(jì)念主題，目前已經(jīng)形成“一軸兩區(qū)”的功能結(jié)構(gòu)。一軸即貫穿墓園區(qū)的紀(jì)念軸線，主要由牌樓、墓道、雕像、紀(jì)念廣場、水面、墓冢等要素組成，四周配備濃郁的森林綠化環(huán)境；兩區(qū)即為展館區(qū)和墓園區(qū)。漫游系統(tǒng)的設(shè)計圍繞“一軸兩區(qū)”展開，具體設(shè)計流程如圖1。

圖1系統(tǒng)設(shè)計流程

2系統(tǒng)具體實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是場景設(shè)計前的關(guān)鍵一步，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性將直接影響模型或場景的“形似”與“神似”。數(shù)據(jù)包括模型的長度尺寸、外觀形狀、相對位置和質(zhì)地紋理等。長度尺寸和相對位置可以通過實地勘測，結(jié)合部分CAD施工圖紙匯出草圖，方便模型導(dǎo)入合并處理。外觀形狀和質(zhì)地紋理有一定的復(fù)雜性，并難以表述，所以一般根據(jù)先整體后局部的原則對各類建筑模型進(jìn)行多角度拍照，一方面便于場景設(shè)計時的比對，另一方面可通過Photoshop進(jìn)行處理用于模型的構(gòu)建。圖片處理的內(nèi)容包括圖像分割拼接、紋理修正、破損修補、雜物去除和仰角調(diào)整等。

2.2場景設(shè)計

2.2.1三維建模

3ds Max中建模方法有很多，VRP編輯器對建模方法也沒有過多限制，因此建模方法可在滿足精度要求的條件下，選擇面數(shù)較少、相對較容易實現(xiàn)的方法，主要有基礎(chǔ)建模、樣條線建模、多邊形建模、復(fù)合建模等。建模思路主要有堆砌建模和細(xì)分建模[4]。堆砌建模是將復(fù)制物體拆分成若干個小的部件，對它們單獨制作，最后堆砌組合在一起；細(xì)分建模則是在基本幾何體構(gòu)成物體大體形狀的前提下，用編輯多邊形或編輯網(wǎng)格修改器對模型細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)分。圖2～圖4是依據(jù)相應(yīng)的建模思路和方法建立起來的場景或模型。

2.2.2材質(zhì)燈光

考慮到VRP編輯器對材質(zhì)的限制，這里選擇Standard材質(zhì)類型，通過漫反射、高光、不透明度等基本參數(shù)的調(diào)整來模擬相應(yīng)材質(zhì)特性。模型表面的紋理或圖案由貼圖來實現(xiàn)。貼圖主要來自前期采集的照片，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整裁剪。此外，對于復(fù)雜物體，可以通過Bump通道和Opacity通道進(jìn)行模擬，既降低了建模強度，又減少了場景面數(shù)。圖5中的浮雕墻就是在Bump通道中利用圖片的灰度值控制模型表面的凹凸效果，場景中樹木和陳獨秀雕像(圖6)則在Opacity通道中利用圖片灰度值的大小控制模型的透明度實現(xiàn)模型的構(gòu)建。

圖2　陳獨秀展館(外)

圖3　陳獨秀展館(內(nèi))

圖4　陳獨秀墓區(qū)

圖5　浮雕墻

圖6　陳獨秀雕像

燈光采用標(biāo)準(zhǔn)光源，展館內(nèi)部以泛光燈陣列為環(huán)境光，照亮廳內(nèi)各個角度，用目標(biāo)聚光燈模擬射燈，突出展板；室外用平行光模擬太陽光。光的強度、陰影、衰減等燈光參數(shù)根據(jù)實際情況而定。圖7、圖8分別是布光后的展館內(nèi)外。

圖7　展館內(nèi)部

圖8　展館外部

2.2.3烘培輸出

烘培有LightingMap和CompleteMap兩種類型。前者生成兩張貼圖，包括原有紋理貼圖和包含模型光影信息的貼圖，適合較大場景；后者只生成一張貼圖，既包含模型光影信息又包含原有紋理，適合個別模型。這里獨秀園虛擬景區(qū)采用LightingMap方式進(jìn)行烘培輸出。烘培的功能是把3ds Max中的光影信息渲染成貼圖，然后再重新貼回場景。這樣場景導(dǎo)入VRP后保留光影信息，真實感較強，且光影信息變成貼圖，無需重新計算CPU，因此場景顯示速度較快。

2.3交互設(shè)計

烘培結(jié)束后，場景可導(dǎo)入VRP編輯器里進(jìn)行漫游系統(tǒng)的交互設(shè)計(圖9)，具體包括虛擬角色、攝像機、導(dǎo)航圖和碰撞的設(shè)置。

圖9　VRP編輯器

2.3.1虛擬角色的加入與相機的架設(shè)

系統(tǒng)設(shè)計了兩種瀏覽模式，分別為自由模式和角色控制模式，無論哪種模式都需要進(jìn)行相機的架設(shè)。VRP編輯器中有行走相機、飛行相機、旋轉(zhuǎn)相機、動畫相機等多種相機可供選擇。這里選用了行走相機和飛行相機來制作漫游，其中行走相機可通過添加物理碰撞來模擬人物行走，所以用它來設(shè)計角色控制模式；而飛行相機可在場景中自由飛行，所以可用來設(shè)計自由模式。此外對于角色控制模式還需要在場景中添加角色人物，在VRP編輯器中有多種方法添加角色人物，最簡單的方法是直接在VRP編輯器自帶的角色庫中選取人物添加到場景中，并對其進(jìn)行骨骼動畫設(shè)計。圖10是漫游系統(tǒng)的界面。

圖10　漫游系統(tǒng)界面

2.3.2二維導(dǎo)航圖

在虛擬環(huán)境中易迷失方向，所以還創(chuàng)建了二維導(dǎo)航圖來引導(dǎo)用戶漫游整個場景。為了導(dǎo)航更有精確性，圖10中右上角導(dǎo)航圖來自創(chuàng)建好的三維虛擬場景的頂視圖，然后通過Photoshop把圖片中不需要的部分處理掉，再使用VRP編輯器設(shè)計導(dǎo)航圖。設(shè)置成功后導(dǎo)航地圖中會實時以箭頭形式顯示用戶所在地，用戶可以隨便單擊導(dǎo)航地圖上任意一點即可快速切換到點擊處相機視角。

2.3.3碰撞檢測

碰撞檢測的目的是避免用戶在角色模式下控制角色運動時發(fā)生陷入地下或穿越模型的現(xiàn)象。VRP具有高效、快速、精確的碰撞算法，只要場景模型合理，沒有爛面、漏縫等問題，都可以通過“開啟”物理碰撞來實現(xiàn)碰撞檢測。這樣，角色模型在運動過程中具有自動上樓梯和爬坡的功能，遇到墻壁也會沿墻壁繼續(xù)行走，從而進(jìn)一步提高虛擬環(huán)境的真實性，增強了虛擬環(huán)境的沉浸感。

2.3.4其他設(shè)計

為了使系統(tǒng)更具吸引力，在系統(tǒng)中還加入了其他元素，如用戶在游覽時可選擇霧天天氣或者晴天天氣進(jìn)行場景漫游，以及添加背景音樂。其中背景音樂的開關(guān)需要添加腳本來實現(xiàn)，其具體方法為在VRP編輯器里打開“腳本編輯器”，單擊系統(tǒng)函數(shù)下面的“新建”按鈕，在彈出的對話框中選中“窗口消息函數(shù)”，創(chuàng)建一個初始化函數(shù)，然后再在彈出的“VRP命令行編輯器”中找到“音樂”，對其詳細(xì)操作，如添加音樂文件、設(shè)置音樂的聲道、重復(fù)次數(shù)等。

3注意問題

經(jīng)過以上若干環(huán)節(jié)的設(shè)計處理后，可以打包發(fā)布生成可執(zhí)行文件，以便脫離VRP環(huán)境獨立運行。對獨秀園虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，工作量比較大，耗時費力，即使多人在Dell Precision T5600工作站上進(jìn)行制作，也經(jīng)歷過多次反復(fù)。制作過程中需要注意如下問題。

3.1重視場景模型的優(yōu)化

虛擬漫游系統(tǒng)最終運行速度主要取決于場景模型的總面數(shù)、總個數(shù)和總貼圖量。減少面數(shù)可以通過降低模型分段數(shù)，刪除模型的不可見面、交叉面、重疊面的方式實現(xiàn)；而合并或塌陷距離相近、材質(zhì)相同的模型可以實現(xiàn)模型個數(shù)的減少。此外，利用貼圖構(gòu)建模型也能大幅度地簡化模型。在獨秀園虛擬場景中，采用相應(yīng)的模型優(yōu)化方法，模型總面數(shù)由40多萬個減少到7萬多個，模型總個數(shù)由8 000多個減少到700多個，效果非常明顯，大大增加了后期漫游系統(tǒng)運行的流暢性。

3.2 重視材質(zhì)貼圖的選擇

烘培對材質(zhì)類型有限制，一般只能為Advanced Lighting，Architectured，Standard等，貼圖格式也必須為tga，png，bmp，jpg和dds等。對于植被、雕像等模型一般通過Diffuse通道的有色貼圖和Opacity通道的灰度貼圖進(jìn)行模擬，但VRP要求兩個通道上的貼圖文件必須一致，故可在Photoshop中制作出png格式的圖片，既包含顏色通道，又包含透明通道。另外，貼圖的分辨率不宜過大，以合適為準(zhǔn)，避免造成運行或渲染時卡機。

3.3 重視前期工作的準(zhǔn)備

這里主要有3點：一是數(shù)據(jù)采集盡可能的準(zhǔn)確、完整，避免后期的重復(fù)工作；二是模型名稱的約定、貼圖路徑的規(guī)定，避免場景合成時出現(xiàn)問題，合并時考慮分層也會提高設(shè)計時的操作效率；三是盡可能地了解VRP編輯器與3ds Max的相容性，比如用二維圖形表現(xiàn)三維物體，在導(dǎo)入VRP后不能識別，必須先轉(zhuǎn)換成Editable poly才可以。還有上文提到的VRP對材質(zhì)的限制、對材質(zhì)命名的要求、烘培貼圖的名稱要求等。

致謝在獨秀園虛擬景區(qū)漫游系統(tǒng)的完成過程中，教育技術(shù)學(xué)專業(yè)2010級丁瑞洲、姚宇，2011級袁杰、歐陽林婧、許悅、陶艷，2012級楊宇珊、張琴、張曉燕等同學(xué)為數(shù)據(jù)采集、三維建模做了大量工作，在此特表示感謝。

參考文獻(xiàn):

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[6] 韋偉,馬俊,丁瑞洲,等.3ds Max在虛擬校園建筑動畫中的應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014, 20(1):45-48.

Design of Virtual Roaming System for Duxiu Yuan

WEI Wei1, HAN Jian-hua1, HE Xiang2

(1. School of Education, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246133, China;2. Management Office of Duxiu Yuan, Anqing, Anhui 246133, China)

Abstract:Virtual roaming system is the key point of virtual tour, which is of great importance to build Smart Tourism. Taking Duxiu Yuan in Anqing City, Anhui Province as example, the paper presents details methods of building virtual scenic spot based on 3ds Max, and designing interactive function based on VPN. In the process some problems, which should be paid attention to, are given. And virtual roaming system of Duxiu Yuan is implemented at last.

Key words:virtual scenic spot, roaming system, interaction function

文章編號：1007-4260(2016)01-0063-04

中圖分類號：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.017

作者簡介：韋偉，男，安徽安慶人，博士生，安慶師范學(xué)院教育學(xué)院副教授，主要研究方向為教育技術(shù)學(xué)、計算機應(yīng)用。E-mail: weiw@aqtc.edu.cn

*收稿日期：2015-08-30

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.017.html