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        構(gòu)建三維虛擬校園模型關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

        2016-06-23 08:44:03曾雪松

        曾雪松,呂 爭(zhēng)

        (信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,河南信陽(yáng)464000)

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        構(gòu)建三維虛擬校園模型關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

        曾雪松,呂爭(zhēng)

        (信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,河南信陽(yáng)464000)

        [摘要]與二維數(shù)字校園相比,三維虛擬校園因其集成了數(shù)字化、可視化、信息化等多種技術(shù)而更能逼真形象地反映校園實(shí)景。本文主要分析研究了構(gòu)建三維虛擬校園的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用,如三維模型建模技術(shù)、三維全景技術(shù)、紋理映射技術(shù)和貼圖烘焙處理技術(shù)等,旨在為三維虛擬校園模型創(chuàng)建和開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

        [關(guān)鍵詞]三維虛擬校園;三維全景技術(shù);紋理映射;貼圖烘焙

        三維虛擬校園也稱三維仿真校園,是利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等來(lái)構(gòu)建校園三維立體的模擬場(chǎng)景圖和配有交互功能的數(shù)字化平臺(tái)。一方面,它是學(xué)校對(duì)外宣傳與交流的一種全新開(kāi)放窗口,使用這個(gè)窗口,學(xué)生和家長(zhǎng)可以從圖文并茂、有聲有色和全方位多角度的校園特色展示中有針對(duì)性地觀察和了解學(xué)校。另一方面,使用三維仿真技術(shù)能使校園實(shí)物景觀數(shù)字化,更加直觀地展示校園空間布局,從而可為學(xué)校在景觀設(shè)計(jì)和整體規(guī)劃方面提供必要的參考。因此,從應(yīng)用前景和技術(shù)實(shí)用方面來(lái)講,研究三維數(shù)字化校園建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。

        一、三維模型建模技術(shù)

        校園模型主要以建筑物為主,其次是校園景觀,地形地貌。用戶最關(guān)心的往往不是校園景觀,而是校園建筑和校園建筑所能承載的文化內(nèi)涵。因此,在三維虛擬校園構(gòu)建時(shí),應(yīng)該突出校園建筑物,針對(duì)不同的建筑物采用不同的建模技術(shù)。如要求精度高的規(guī)則建筑物,可采用基于3DS max和autoCAD結(jié)合的人機(jī)交互技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),而對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜,又不需要展示細(xì)節(jié)的建筑物,則可以采用點(diǎn)云建?;蛉S激光掃描技術(shù)解決。

        另外,公告板技術(shù)和透明十字交叉貼圖技術(shù)能夠很好地解決三維虛擬校園景觀建模。如校園路燈、垃圾桶、警亭等規(guī)則物體建模盡可能采用公告板技術(shù),通過(guò)貼圖把帶有Alpha通道的圖片映射到模型中,保證觀察者視角與觀察平面呈垂直狀態(tài),實(shí)現(xiàn)視覺(jué)正面效應(yīng)。對(duì)于校園樹木、花草等一系列大量不規(guī)則景觀,則采用透明十字交叉貼圖技術(shù),即選擇兩塊長(zhǎng)寬一樣的互相垂直平面作為基面,然后將Alpha通道紋理貼圖映射到基面上,形成一個(gè)立體感視覺(jué)模型圖像,如圖1所示。在紋理貼圖圖像進(jìn)行調(diào)試時(shí),要盡可能地注意圖像保真,直到一個(gè)令人滿意的量度為止。為實(shí)現(xiàn)校園環(huán)境真實(shí)的再現(xiàn)與烘托,還需要以校園建筑和景觀為中心設(shè)計(jì)大地、天空、山脈、河流等背景。每一個(gè)學(xué)校都有一個(gè)中心線,可以利用SketchUp軟件來(lái)對(duì)其他場(chǎng)景進(jìn)行有效組織和編排,最終形成一個(gè)遠(yuǎn)近和諧、自然真實(shí)的三維虛擬校園模型。

        二、三維全景技術(shù)

        借助數(shù)碼相機(jī)對(duì)物體進(jìn)行多角度、多方位的拍攝,拍攝一組原始照片,如圖2所示,然后把多張照片拼接到一張合成的全景圖,如圖3所示,利用專業(yè)播放軟件進(jìn)行三維空間展示的一種基于真實(shí)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),稱之為三維全景技術(shù)。使用這種技術(shù)可以更加真實(shí)地增強(qiáng)立體感,更好地展示空間物景效果。國(guó)外一些科研機(jī)構(gòu)和高校在使用三維全景技術(shù)時(shí),采用一種叫做ONESHOT技術(shù)方法,實(shí)現(xiàn)了一次拍攝取景,即通過(guò)對(duì)全景矩形投影圖的計(jì)算,然后對(duì)圖像進(jìn)行詳細(xì)拼接,最后使用網(wǎng)絡(luò)軟件真實(shí)還原三維場(chǎng)景。在我們國(guó)家,大多三維全景取景方法采用球形取景或柱狀取景。這種方法簡(jiǎn)易可行,通過(guò)全景數(shù)碼相機(jī)對(duì)物體圖像進(jìn)行多角度的拍攝,把采集到的圖像使用Photoshop專業(yè)軟件進(jìn)行完整拼接,最后使用全景漫游軟件對(duì)全景進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),以實(shí)現(xiàn)三維全景視頻顯示動(dòng)態(tài)效果,如圖像淡入淡出、音頻播放、導(dǎo)航鏈接等。

        三、紋理映射技術(shù)

        圖1 透明貼圖法建模原理

        圖2 拍攝原始照片一組

        圖3 合成的全景圖

        紋理映射技術(shù)是一種有助于強(qiáng)化物體的真實(shí)感和情景性,能夠清晰地表達(dá)出物體景觀細(xì)節(jié)的處理方法。在三維虛擬校園模型中,利用近距離實(shí)地取景技術(shù)過(guò)于繁瑣,設(shè)置的遠(yuǎn)距離物體幾何模型相當(dāng)復(fù)雜,采用紋理映射技術(shù)則可以化繁為簡(jiǎn),復(fù)雜建筑物的表象特征可以用高清圖片清晰勾畫出來(lái)。紋理貼圖映射的建筑實(shí)例如圖4所示。在進(jìn)行物像采集時(shí),可以分類處理,如建筑物頂層圖像常應(yīng)用航空正影攝像技術(shù)拍攝,但在航拍時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)拍漏、少拍或不清的,則可以采用相近的紋理替代,或通過(guò)Photoshoop軟件進(jìn)行局部?jī)?yōu)化處理,最終形成一個(gè)協(xié)調(diào)的整體。

        貼圖技術(shù)能夠很好地、逼真地展示三維虛擬校園場(chǎng)景,但因?yàn)橘N圖文件會(huì)占用很多網(wǎng)絡(luò)資源,導(dǎo)致模型的顯示速度頗受影響。因此,在處理紋理貼圖時(shí),要盡可能使用小紋理圖像,避免大紋理圖像使用,這樣大大提高了圖像顯示效果,減少了三維模型渲染輸出時(shí)數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間。

        圖4 紋理貼圖映射效果圖

        四、貼圖烘焙處理技術(shù)

        簡(jiǎn)單地說(shuō),貼圖烘焙技術(shù)就是先把光照信息渲染成貼圖的方式,然后把烘焙后的貼圖再貼回原場(chǎng)景中去的方法。光照信息變成了貼圖,增強(qiáng)了模型的真實(shí)感和亮度,不需要CPU再去費(fèi)時(shí)計(jì)算,提高了場(chǎng)景渲染速度。

        貼圖通常由高清數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得,圖片清晰度越高,圖片占用內(nèi)存越大,模型的渲染耗時(shí)長(zhǎng),顯示速度就明顯降低,因此,處理貼圖需要兼顧考慮質(zhì)量和速度二者的矛盾。為了解決這個(gè)難題,可以首先從基礎(chǔ)工作做起,當(dāng)拍攝貼圖時(shí),盡可能使用相機(jī)沿著垂直方向旋轉(zhuǎn)拍攝,從而減少后期圖像拼接運(yùn)算量;同時(shí),利用PhotoshopCS6,Gif movie gear等常用軟件對(duì)圖像進(jìn)行污點(diǎn)清除、對(duì)比度調(diào)節(jié)、方位調(diào)節(jié)、色彩調(diào)整、鏤空裝飾等,進(jìn)而形成一張無(wú)縫平鋪的貼圖,并存儲(chǔ)為壓縮率高的JPG或PNG格式。

        另外,不需要使用貼圖烘焙的門框、窗戶、玻璃和欄桿,盡量不用烘焙;需要使用烘焙的物體貼圖遵循滿足圖像清晰展示的前提下,應(yīng)盡可能地控制烘焙貼圖尺寸大小,尺寸規(guī)格使用2的n次方規(guī)劃。據(jù)相關(guān)資料論證,小型物體的貼圖烘焙尺寸應(yīng)盡量不超過(guò)128×128,一般建筑物貼圖烘焙尺寸只需512×512即可,大型建筑物烘焙貼圖尺寸選擇1024×1024就好。通過(guò)上述兩種方法,就可以大大提高貼圖質(zhì)量,也不明顯降低模型顯示速度。

        隨著智能跨平臺(tái)終端設(shè)備的廣泛應(yīng)用,以及四網(wǎng)融合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,梳理和研究三維虛擬校園模型建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)具有實(shí)用價(jià)值,三維數(shù)字化仿真校園開(kāi)發(fā)也將成為新時(shí)代全真虛擬技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。高清、逼真的三維數(shù)字化仿真校園將承擔(dān)的不僅僅是學(xué)校形象展示的功能,還將整合學(xué)校教學(xué)、學(xué)術(shù)科研以及相關(guān)業(yè)務(wù)查詢等功能,必將推動(dòng)校園數(shù)字化平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展。

        參考文獻(xiàn)∶

        [1]李芳,肖洪,楊波,周亮,劉宇鵬.三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù),2010(1)∶71- 75.

        [2]袁夏.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)[D].南京理工大學(xué)碩士論文,2006∶20- 24.

        [3]楊宇行.構(gòu)建三維數(shù)字校園的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J].Com puter Era,2015(9)∶24- 25.

        [4]逯海勇.建筑裝飾計(jì)算機(jī)效果圖制作[M].北京:科學(xué)出版社,2013(6)∶74- 90.

        [中圖分類號(hào)]TP

        [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

        [文章編號(hào)]1673- 0046(2016)4- 0173- 02

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