楚雄師范學(xué)院 易家敏 王俊潔

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡寫為VR)技術(shù)又稱靈境技術(shù)，是近期正在逐步興起的高新的科學(xué)技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生虛擬場景，是一種可以產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外迅速崛起并快速發(fā)展。現(xiàn)在,國內(nèi)不少高校也已經(jīng)開始虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究工作，虛擬校園游覽模式的研究和運(yùn)用是其中的一個(gè)方面[2-4]。虛擬現(xiàn)實(shí)有以下四個(gè)特征：多媒體信息感知感、沉浸感、交互性、自主性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在科學(xué)可視化、戰(zhàn)場、醫(yī)學(xué)、儀器、銀行、企業(yè)、高校、計(jì)算機(jī)等方面得到廣泛的應(yīng)用。

三維虛擬校園漫游系統(tǒng)[5]的基本框架分為素材收集、對(duì)素材進(jìn)行處理、建立校園模型、構(gòu)建三維虛擬校園和虛擬漫游交互的實(shí)現(xiàn)。虛擬校園漫游系統(tǒng)在宣傳校園文化、輔助校園規(guī)劃、樹立校園良好形象等方面具有重大作用。

從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，我們提出了制作虛擬校園漫游系統(tǒng)的要求。此課題是基于3D軟件MAYA對(duì)校園漫游系統(tǒng)進(jìn)行了貼圖與渲染。三維場景中的材質(zhì)與紋理貼圖主要是用于描述對(duì)象表面的物質(zhì)狀態(tài)，構(gòu)造真實(shí)世界中自然物質(zhì)表面的視覺表象[6]；渲染是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，將三維場景呈現(xiàn)為圖像的過程，是影片畫面風(fēng)格與質(zhì)量的基本保證[7]。經(jīng)過一系列的設(shè)計(jì)與制作，最終形成一個(gè)交互性較好、效果逼真的校園漫游系統(tǒng)，從而達(dá)到提高了學(xué)校的知名度、美譽(yù)度以及宣傳力度的目標(biāo)。

1 虛擬校園開發(fā)流程

本項(xiàng)目采用MAYA作為虛擬場景的建模工具，該工具有建模速度快、精度高、功能全面等特點(diǎn)。采用游戲引擎UE4來完成漫游平臺(tái)的控制。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

2 模型的貼圖

2.1 貼圖技術(shù)的簡介

MAYA貼圖就是貼在模型表面的一層皮，目的是為了更好的塑造角色。精致的三維模型為系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的開端，合適的貼圖會(huì)使模型更加逼真，所以精致的模型和優(yōu)秀的貼圖的結(jié)合能形成一個(gè)好的系統(tǒng)模型。

2.2 貼圖的制作要求

為了降低系統(tǒng)后期運(yùn)行所占用的內(nèi)存空間，Maya建模成功后，還需要將模型的面數(shù)減少。模型都是需要渲染的，在面數(shù)很低的情況下表現(xiàn)模型的真實(shí)感，貼圖起到了重要的作用。所以，系統(tǒng)對(duì)模型的貼圖要求是很高的。

圖1 虛擬校園開發(fā)流程圖

3D引擎的性能決定了貼圖的大小，貼圖越大表現(xiàn)的內(nèi)容就越詳細(xì)，反之相反。例如：當(dāng)貼圖較大時(shí)，物體表面的許多細(xì)節(jié)都能表現(xiàn)出來;當(dāng)貼圖較小時(shí)，物體表面會(huì)顯得模糊。一張好的貼圖要求，既要表現(xiàn)到位又要節(jié)省內(nèi)存空間，即選擇一個(gè)好的3D引擎是做好貼圖的必要準(zhǔn)備。

在系統(tǒng)的虛擬場景中，需要用到大量的貼圖，這些貼圖素材來源主要是由數(shù)碼相機(jī)拍攝的畫面。由于相機(jī)性能問題會(huì)使拍攝后的照片產(chǎn)生模糊，需要經(jīng)過專業(yè)軟件處理才能貼到模型上，一般用Photoshop來繪制貼圖。Photoshop繪制貼圖的具體工作主要是：繪制簡單貼圖、對(duì)照片進(jìn)行編輯、制作帶透明通道的圖像文件。繪制好的貼圖保存為帶透明通道的tag或png格式，最后將繪制好的貼圖導(dǎo)入Maya中進(jìn)行紋理貼圖。貼圖尺寸一般都是2的倍數(shù)，其目的是將貼圖更有效地讀入內(nèi)存。

2.3 貼圖的繪制

繪制貼圖時(shí)，要先將三維模型轉(zhuǎn)換為二維形式，然后在模型的二維形式上，調(diào)整紋理貼圖。材質(zhì)貼圖包括建筑物貼圖與室內(nèi)模型貼圖。建筑物貼圖主要是門、窗、地板、墻壁等；室內(nèi)模型貼圖主要是對(duì)室內(nèi)的各個(gè)模型進(jìn)行貼圖。

2．3．1 UV的投射與編輯

UV是貼圖坐標(biāo)，它決定貼圖的每一部分分別貼在模型的哪個(gè)位置。例如：創(chuàng)建一個(gè)球，給它隨便指定一個(gè)材質(zhì)、顏色進(jìn)行貼圖。因?yàn)闆]有編輯UV，貼圖在模型上是隨機(jī)分布的。要讓貼圖有規(guī)律的分布在模型的固定部位上，則需要展開UV。一般來說，都是對(duì)多邊形物體進(jìn)行展UV。曲面的UV一般都是隱藏不定的。UV展開主要分兩步：第一步將UV投射出來；第二步對(duì)UV進(jìn)行編輯。

在Maya中，用棋盤格形式來展現(xiàn)UV，棋盤格的顏色均勻，容易區(qū)分模型的不規(guī)則部分。展開UV時(shí)，我們會(huì)使用一些技巧使復(fù)雜的模型UV簡單化。

在Maya內(nèi)部自帶了一些編輯UV的方法，平面物體的平面投影、圓柱特征的圓柱形投影、球形特征的球形映射、其次是自動(dòng)映射。因?yàn)橄到y(tǒng)模型不是規(guī)則形狀，所以主要運(yùn)用自動(dòng)映射來編輯UV，少數(shù)復(fù)雜的模型使用插件。

2．3．2 繪制紋理

本系統(tǒng)的模型主要是用多邊形來建模的，模型面數(shù)在前期經(jīng)過處理后，已經(jīng)達(dá)到面數(shù)相對(duì)較少的基本要求。因?yàn)槟Ｐ兔鏀?shù)相對(duì)較少，所以繪制紋理要靠我們自主手繪。繪制紋理可以改善模型細(xì)節(jié)的不足之處，即對(duì)紋理的要求比較嚴(yán)格。特殊材質(zhì)貼圖是經(jīng)過數(shù)碼拍攝獲得素材，將素材導(dǎo)入Photoshop進(jìn)行編輯。（如圖2所示）在Photoshop中將圖形的大小、亮度、透明度、對(duì)比度等進(jìn)行處理，按照UV的紋理標(biāo)準(zhǔn)生成初步的圖像數(shù)據(jù)。為了得到更精致的紋理貼圖，還要將初步圖像平滑去噪，然后提取圖像的重要特征，利用不同建筑物墻面的不同灰度值對(duì)圖像進(jìn)行分割，形成墻面的色彩特征矢量圖。

圖2 photoshop中繪制貼圖的情形

2．3．3 導(dǎo)入貼圖

要將外部的貼圖導(dǎo)入Maya，可以使用文件節(jié)點(diǎn)方式。將繪制好的貼圖導(dǎo)入U(xiǎn)V中，調(diào)整模型的擺放部分。將模型放在合適的位置，以得到合適的紋理貼圖。

3 材質(zhì)渲染

3.1 材質(zhì)渲染的簡介

渲染也叫做著色，它在Maya是最后一道工序，很大程度上決定了最后做出來的成品的效果和質(zhì)量。在Maya中渲染與著色功能相似，但還是存在區(qū)別。著色在Maya的作用是輔助觀察。而渲染可以顯示陰影效果、貼圖紋理效果以及簡單的燈光效果。

3.2 初識(shí)渲染

渲染是將做好的模型渲染成圖或動(dòng)畫的作品，此作品記錄場景中的光照關(guān)系陰影及材質(zhì)信息，與在視窗中見到效果截然不同。

在渲染設(shè)置中，Maya自帶了各種渲染器。這些渲染器分別是:Maya軟件、Maya硬件、Maya軟件2.0、mentalray、Maya向量。這些渲染器各自有特點(diǎn)，Maya軟件和Maya硬件的主要區(qū)別是渲染使用的部位不同。Mentalray是Maya內(nèi)置的一款插件。硬件粒子用硬件渲染器，軟件粒子用軟件渲染器。

在渲染設(shè)置中，要對(duì)文件名、圖片格式、幀動(dòng)畫擴(kuò)展名、可渲染攝像機(jī)、圖像大小等進(jìn)行常規(guī)參數(shù)的設(shè)置。這些常規(guī)的參數(shù)設(shè)置，對(duì)渲染結(jié)果具有重要意義。

3.3 渲染過程

在Maya中，動(dòng)畫是以動(dòng)態(tài)序列圖片的形式來輸出的，可以將輸出后的動(dòng)態(tài)序列圖片導(dǎo)入U(xiǎn)E4中，生成視頻動(dòng)畫。在渲染動(dòng)畫的過程中，需要?jiǎng)?chuàng)建攝影機(jī)。攝影機(jī)進(jìn)入視角后，設(shè)置開始處的關(guān)鍵幀；旋轉(zhuǎn)攝影機(jī)，得到理想的視角后，在結(jié)束幀處設(shè)置關(guān)鍵幀。觀察透視圖中攝影機(jī)隨時(shí)間變化的情況，若已達(dá)到理想的效果，即輸出序列。

現(xiàn)實(shí)中的物體存在陰影，為了使模型更加逼真。還得為模型添加燈光，并調(diào)整燈光。系統(tǒng)場景模型添加的是平行燈光，平行燈光在所有燈光中是最容易調(diào)節(jié)的。場景中創(chuàng)建兩盞平行光，主光占主要亮度，輔光輔助主光亮度，產(chǎn)生陰影顏色。主光增加光線跟蹤是生成陰影的必要條件。渲染器的光線跟蹤，對(duì)于陰影效果來說是必不可少的。陰影的兩個(gè)條件：一是燈光的光線跟蹤；二是渲染器的光線跟蹤。

4 技術(shù)效果

虛擬校園漫游系統(tǒng)的模型，經(jīng)過貼圖達(dá)到逼真的效果。例如：校園宿舍的墻面上有細(xì)小的花紋，我們用貼圖將它表現(xiàn)出來。將材質(zhì)賦予貼圖后，在場景中貼圖不一定顯示出來，還得渲染才能將模型的材質(zhì)貼圖展現(xiàn)出來。渲染為模型添加了燈光、陰影，即渲染使模型更加逼真。

貼圖前后模型具有很大的區(qū)別，貼圖前模型表面只是一種簡單的材質(zhì)，貼圖后模型表面是繪制的紋理貼圖，這種貼圖將模型的凹凸表現(xiàn)的很細(xì)致。（如圖3所示）

圖3 模型貼圖在渲染下的最終效果

5 結(jié)語

本文通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用，在Maya軟件中，完成了校園模型的貼圖與渲染工作，構(gòu)建了虛擬校園的環(huán)境，分析了校園模型的貼圖與渲染的特點(diǎn)。用戶進(jìn)入校園官網(wǎng)后，能看到生動(dòng)逼真的校園景觀，該系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園的展示中，為外界了解校園環(huán)境提供了一個(gè)全新的技術(shù)平臺(tái)。虛擬校園漫游系統(tǒng)可以為學(xué)校的教學(xué)、招生、宣傳發(fā)揮重要的作用，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]朱惠娟．基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)[J]．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(10)∶36-39．

[2]周春艷,鄒崢嶸．基于全景圖像的虛擬校園[J]．電腦與信息技術(shù),2002,(2)∶34-36．

[3]徐勝華,楊志軍．基于Multiage Creator和Vega的“數(shù)字校園”演示系統(tǒng)開發(fā)[J]．鐵路航測,2003,(9)∶23-25．

[4]龔建華,林琿,譚倩．虛擬香港中文大學(xué)校園的設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)[J]．測繪學(xué)報(bào),2002,(2)∶ 39-43．

[5]何書前,桂占吉,高慧鴻．多用戶網(wǎng)絡(luò)虛擬校園漫游系統(tǒng)的構(gòu)建與研究[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版),2009(02)∶17-19．

[6]劉曉杰．三維設(shè)計(jì)中的材質(zhì)與貼圖藝術(shù)探議[J]．裝飾,2003(07)∶66．

[7]任泉．三維動(dòng)畫制作的產(chǎn)業(yè)化渲染流程研究[J]．海南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(03)∶268-270．