摘要：虛擬仿真校園漫游技術(shù)是虛擬技術(shù)其中的一支分支。虛擬仿真是依靠計(jì)算機(jī)軟硬件的強(qiáng)大支持才得以實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真離不開三維模型的支持，三維模型不僅應(yīng)用于影視動(dòng)畫、建筑設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)中，越來越多的應(yīng)用于人工智能、游戲、3D打印、教育等新興產(chǎn)業(yè)。該文通過陽光學(xué)院虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)來研究三維模型的創(chuàng)建和優(yōu)化，以及三維模型在虛擬仿真技術(shù)中的應(yīng)用模式。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;校園漫游;三維模型

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）09-0224-04

1 引言

根據(jù)《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》（教高函[2018]5號(hào)）和《教育部辦公廳關(guān)于開展2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作的通知》（教高廳函[2018145號(hào)）精神[1]。以及虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Realitv）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（ Augmented Reality）和混合現(xiàn)實(shí)（Mixed RealitV）等技術(shù)的大力發(fā)展，更加離不開三維技術(shù)的支持，利用三維模型能夠更好地向用戶展示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)容和更加真實(shí)的場景。因此，三維建模技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越加廣泛和被人們所重視。

其中，在大中小學(xué)校中課堂上越來越多使用虛擬仿真技術(shù)，可以讓學(xué)生更加容易理解和吸收課堂知識(shí)，通過虛擬仿真技術(shù)可以減少實(shí)驗(yàn)失誤和資源的浪費(fèi)，提高實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量。本文通過以陽光學(xué)院虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)為例，利用Uni-ty3D軟件具備較高系統(tǒng)運(yùn)行效率、操作和維護(hù)簡單等特點(diǎn)，運(yùn)用3ds Max和Maya建模軟件進(jìn)行陽光學(xué)院校園場景模型的創(chuàng)建，使用Photoshop軟件來進(jìn)行陽光學(xué)院校園模型材質(zhì)設(shè)計(jì)和繪制。分析三維模型在構(gòu)建過程存在的問題及優(yōu)化。陽光學(xué)院虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)開發(fā)流程可分為陽光學(xué)院校園數(shù)據(jù)的收集、整理收集到的材料、創(chuàng)建校園模型、模型的優(yōu)化、模型

2 陽光學(xué)院校園建筑模型構(gòu)建實(shí)踐

2.1 陽光學(xué)院建筑的數(shù)據(jù)收集與整理

虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求對(duì)三維場景必須具有比較高的真實(shí)感場景，要實(shí)現(xiàn)比較逼真的陽光學(xué)院三維校園場景。首先要獲取比較精準(zhǔn)的陽光學(xué)院校園建筑數(shù)據(jù)和校園場景數(shù)據(jù)，校園建筑數(shù)據(jù)主要的獲取方式是自身進(jìn)行實(shí)地調(diào)研拍照取樣。通過單反相機(jī)和航拍設(shè)備對(duì)陽光學(xué)院整體的校園環(huán)境及建筑三視圖進(jìn)行拍攝，從而獲取完整校園建筑和校園環(huán)境圖像視頻材料數(shù)據(jù)。實(shí)地調(diào)研陽光學(xué)院校園建筑分布、位置以及建筑使用功能，例如：平面圖、CAD圖紙;收集學(xué)校的發(fā)展歷史、校園文化等資料，并整理收集到各項(xiàng)數(shù)據(jù)和材料，為后面三維模型的創(chuàng)建和Unity3D開發(fā)提供數(shù)據(jù)參考，以此提高模型比較高逼真感和校園建筑簡介完整性。

由于陽光學(xué)院是依山而建的學(xué)校，學(xué)校的建筑呈現(xiàn)階梯形的每一棟樓層各不相同。因此每一棟建筑都必須從多個(gè)不同角度進(jìn)行拍照，利用航拍設(shè)備拍攝各棟建筑屋檐的結(jié)構(gòu)，以及收集校園建筑的平面圖和CAD圖紙，并對(duì)校園建筑相關(guān)數(shù)據(jù)的測量。收集到的數(shù)據(jù)越詳細(xì)越能夠設(shè)計(jì)更加真實(shí)的三維校園模型，也為后期模型的材質(zhì)貼圖、Unity3D設(shè)計(jì)校園地形系統(tǒng)提供有用數(shù)據(jù)材料支持，增加虛擬校園漫游系統(tǒng)的真實(shí)感和視覺效果[2]。所以在收集校園場景數(shù)據(jù)時(shí)必須實(shí)地去觀察每一棟建筑，以及通過航拍設(shè)備獲取校園地貌俯視圖，如圖2所示。

2.2 三維校園模型的創(chuàng)建

2.2.1 校園建筑結(jié)構(gòu)分析

三維模型是整個(gè)虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)不可缺少的一部分[3]。三維模型的優(yōu)劣將會(huì)影響整體虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)視覺藝術(shù)效果和體驗(yàn)效果，在構(gòu)建校園建筑三維模型之前，需要了解陽光學(xué)院建筑的三視圖、門窗、樓層及外觀，由于學(xué)校建筑并不對(duì)稱，每一棟建筑外觀又各不相同，如圖3所示，因此只有實(shí)地的了解各個(gè)建筑特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，才能讓模型更具真實(shí)感，從而避免不必的錯(cuò)誤。在創(chuàng)建校園模型所采用的建模方法是多邊形建模，多邊形建模是發(fā)展最為完善和應(yīng)用比較廣的建模方法，目前市場上主流三維模型建模軟件大部分都包括了多邊形建模的功能，其在建筑、游戲和人物角色等模型應(yīng)用非常廣泛。在Maya軟件多邊形樣式下可以創(chuàng)建的基礎(chǔ)模型有球體、圓柱體、平面、立方體、圓環(huán)和圓錐體等模型。

2.2.2 模型創(chuàng)建的參照分析

三維模型的創(chuàng)建方法主要是參照建筑圖，CAD圖紙和視頻。因此對(duì)拍攝的校園建筑視頻和照片要求要有比較高的像素，高像素的視頻和照片才能更好地觀察每一棟建筑的細(xì)節(jié)，特別建筑的門窗以及墻面的整個(gè)結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷W(xué)校建筑的門窗比較多，如學(xué)校文科樓過多的門窗容易導(dǎo)致模型的穿幫，所以應(yīng)當(dāng)獲取高像素的圖片和視頻創(chuàng)建模型參考，以及在創(chuàng)建門窗模型時(shí)盡可能地使用復(fù)制功能，這樣保證相同門窗的大小形狀一樣，才能使其更加符合且比較真實(shí)的三維建筑模型，如圖4所示。

2.2.3 模型構(gòu)建方法分析

學(xué)校的每一棟建筑外觀各不相同，在創(chuàng)建校園整體建筑模型中，最容易出現(xiàn)模型與坐標(biāo)軸不一致，就會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建模型的難度加大以及模型不夠精細(xì)。以陽光學(xué)院圖書館為例，可以先將圖書館模型分為前后兩部分。以圖書館鐘樓為分界點(diǎn)分別進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，使前后兩部分模型的平行于X軸或Z軸。并選擇其中一部分模型進(jìn)行創(chuàng)建組，讓模型的坐標(biāo)在模型中心，然后進(jìn)行模型旋轉(zhuǎn)到適合的位置，如圖5和圖6所示。經(jīng)由此方式建模不僅可以降低創(chuàng)建模型的難度，還可提高模型精細(xì)和建模的效率。

2.2.4 三維模型的創(chuàng)建方法

三維模型的創(chuàng)建要先對(duì)整棟的建筑進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，了解學(xué)校建筑結(jié)構(gòu)分析前期收集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)分析出來的結(jié)論進(jìn)行構(gòu)思出模型比較合理的建模方式，在整個(gè)校園模型的建立過程中主要使用建模的方式是通過參照?qǐng)D片、CAD圖紙和視頻來進(jìn)行建模的。在Maya軟件主要應(yīng)用到的建模功能有擠出、縮放、加線、切面、焊接、布爾和創(chuàng)建組合等方法，如圖7所示。陽光學(xué)院虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)建筑模型主要?jiǎng)?chuàng)建模型有行政樓、音藝樓、圖書館、文科樓、信息實(shí)驗(yàn)樓、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓、土木工程實(shí)驗(yàn)樓、丁科樓和學(xué)校東區(qū)操場等模型。由于每一棟建筑各不相同，雖然建筑建模方式相似，主要都是使用立方體基礎(chǔ)模型進(jìn)行構(gòu)建，通過擠出、添加點(diǎn)線面等工具進(jìn)行創(chuàng)建模型，如圖8所示。

3 三維校園模型的優(yōu)化

校園建筑模型的優(yōu)化，不僅僅能夠提高漫游系統(tǒng)的性能，也降低在設(shè)計(jì)制作過程中設(shè)備損耗，從而提高電腦運(yùn)行速度。首先在模型的創(chuàng)建過程中往往會(huì)為了加快建模的速度，正常情況下不會(huì)過多地去在意模型那些多余且沒用的點(diǎn)線面，然而這些點(diǎn)、線、面最終都會(huì)影響到后面一系列的操作，使運(yùn)行的Ma-ya和Unity3D軟件變得比較卡頓，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)軟件或電腦系統(tǒng)的崩潰。

其次三維模型優(yōu)化的前提是要保持原來的模型的整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，不影響模型的最終的視覺效果與體驗(yàn)效果。因此在創(chuàng)建模型的過程中應(yīng)當(dāng)注意到不要讓模型產(chǎn)生無用的點(diǎn)、無用的線和無用的面，要時(shí)時(shí)刻刻的做到能刪掉的點(diǎn)線面絕不保留著。由于模型隨著面數(shù)的增加，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也隨之的增多，必將導(dǎo)電腦性能降低，從而降低模型創(chuàng)建的效率，也會(huì)影響到模型整體風(fēng)格。

最后在整個(gè)創(chuàng)建三維模型的過程中應(yīng)當(dāng)時(shí)時(shí)刻刻銘記著少用球體、圓環(huán)等點(diǎn)線面數(shù)比較多的模型。創(chuàng)建的模型應(yīng)在整體構(gòu)造不發(fā)生改變的情況下要做到模型的精簡化，創(chuàng)建圓柱體模型是應(yīng)當(dāng)減少線面數(shù)，圓柱體的頂面和底面最好只用一個(gè)面，這樣既不影響模型整體效果，又能減少不必要的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。部分模型可以根據(jù)需要使用Maya軟件里smooth（光滑）來進(jìn)行優(yōu)化，從而模型更加的仿真感、更加的符合現(xiàn)實(shí)場景。

場景模型的優(yōu)化可以根據(jù)各自的需求進(jìn)行細(xì)節(jié)上優(yōu)化，可利用Maya軟件所提供功能進(jìn)行優(yōu)化，通過點(diǎn)與點(diǎn)焊接、刪掉多余的點(diǎn)線和模型的合并，以此來更加精細(xì)的來優(yōu)化模型，模型的效果圖，如圖9所示。

4 三維模型構(gòu)建關(guān)鍵問題分析

4.1 模型的正反面

模型的創(chuàng)建過程中往往會(huì)被忽略模型存在著正反面關(guān)系的，三維模型在制作動(dòng)畫時(shí)往往可以忽略模型的正反面，因?yàn)椴粫?huì)影響到整體動(dòng)鬲的視覺和畫面的效果。但要是作為游戲的場景模型或角色模型時(shí)就會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。如果模型出現(xiàn)反面在Unity3D上顯示就出現(xiàn)穿幫的效果，會(huì)影響到整個(gè)漫游系統(tǒng)仿真性，如圖10所示。

因此必須避免所有的建筑模型出現(xiàn)反面，一旦發(fā)現(xiàn)有模型有反面應(yīng)當(dāng)及時(shí)更正，以Maya三維軟件為例，通過Maya軟件里面Reverse功能進(jìn)行面的反轉(zhuǎn)?？梢允孪仍贛aya軟件上的視圖窗口關(guān)閉雙面顯示，以此來查找是否有反面出現(xiàn)，如果有反面出現(xiàn)則會(huì)顯示出黑色模型，反之則沒有，如圖11所示。

4.2 模型的導(dǎo)出導(dǎo)入

模型的導(dǎo)入導(dǎo)出是整個(gè)創(chuàng)建校園模型最為關(guān)鍵的步驟，模型導(dǎo)出一旦出錯(cuò)將會(huì)無法在后面進(jìn)行材質(zhì)貼圖和Unity3D軟件使用。首先需要先將模型導(dǎo)出后綴名為obj格式的文件，選擇比較復(fù)雜和點(diǎn)線面比較多的模型進(jìn)行模型的導(dǎo)出。經(jīng)由un-fold3d軟件對(duì)三維模型進(jìn)行展UV，將完成展UV的模型再次到Maya或3ds Max軟件來進(jìn)行模型材質(zhì)貼圖。由于建模軟件保存的模型文件格式并不能直接應(yīng)用到Unity3D軟件上，而是需要進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換。因此可以將已經(jīng)完成材質(zhì)貼圖的模型并且已經(jīng)沒有問題的模型通過Maya或者3ds Max軟件將模型導(dǎo)出符合Unity3D格式的后綴名為FBX或OBJ的文件。最后將后綴名為FBX或OBJ的文件導(dǎo)人Unity3D軟件進(jìn)行檢測導(dǎo)出的模型是否能在Unity3D軟件中正常的使用。

5 結(jié)論

本文是基于Unity3D陽光學(xué)院虛擬仿真校園漫游系統(tǒng)，利用Maya、3ds Max、Photoshop、Unity3D等軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。使用Maya與3ds Max軟件創(chuàng)建陽光學(xué)院校園建筑場景三維模型，用Photoshop軟件來設(shè)計(jì)校園模型所需材質(zhì)貼圖，通過Unity3D軟件和C#編程語言來實(shí)現(xiàn)陽光學(xué)院的校園漫游以及交互功能。主要探討的是基于虛擬校園漫游系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建的研究，本文主要說明了三維模型的構(gòu)建方法，相關(guān)的技術(shù)支持。通過需求分析和數(shù)據(jù)收集調(diào)研，分析該系統(tǒng)的實(shí)施方法和步驟。

本文簡述了虛仿真校園漫游系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)理論和相關(guān)的技術(shù)，說明了系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)所需使用到的各類軟件工具，側(cè)重說明了虛擬仿真校園模型的創(chuàng)建方法。依據(jù)校園建筑各有不相同的特點(diǎn)，通過使用Maya和3DS Max軟件所提供的不同方法進(jìn)行學(xué)校三維模型的創(chuàng)建。依據(jù)建筑的不同的結(jié)構(gòu)選擇最好的方法進(jìn)行模型的創(chuàng)建，為了使模型更加的貼合實(shí)際建筑，盡可能地選擇比較適宜的建模方法。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

作者簡介：王江華（1994-），男，福建安溪人，助理實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，研究方向：三維模型在游戲中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。