馮秀亭

（山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

0 引言

早在20世紀(jì)美國VPL公司便發(fā)明出一個(gè)新詞語——虛擬現(xiàn)實(shí)，這便是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的前身。在21世紀(jì)早期，最具廣袤發(fā)展前景的計(jì)算機(jī)運(yùn)用技術(shù)就將虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等囊括其中。針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將其理解成在計(jì)算機(jī)設(shè)備的協(xié)助下建設(shè)虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)交互與仿真過程的一種重要技術(shù)力量。自從計(jì)算機(jī)被研發(fā)以來，人們不斷拓展對(duì)其研究的深度，這對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用過程起到了一定的驅(qū)動(dòng)作用，在這樣的背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)成了科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的主要研究方向，它在建筑、軍事以及教育等諸多領(lǐng)域中都取得了較好的成效，也在社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的過程中形成了強(qiáng)大的支撐力。該文主要探究其在三維校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。

1 研究背景與意義分析

1.1 背景

在互聯(lián)網(wǎng)科技蓬勃發(fā)展的大背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家中的應(yīng)用較為廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是在計(jì)算機(jī)和最先進(jìn)傳感器技術(shù)等協(xié)助下創(chuàng)造出來的，廣大用戶能從視覺、聽覺和嗅覺層面上與計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效互動(dòng)，多感知性、存在感、交互性以及自主性等是它的主要特征。VR技術(shù)在計(jì)算機(jī)科研領(lǐng)域中占據(jù)重要位置，并逐漸與軍事、教育和工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐過程相融合，呈現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)撃躘1]。應(yīng)用其自身高端的交互性、多感知性等特征，VR技術(shù)和三維數(shù)字景觀漫游研究過程的融合也取得了較好的成績。近些年，國內(nèi)外各大高校之間形成了激烈的競(jìng)爭關(guān)系，沿用傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法較好地滿足學(xué)?，F(xiàn)代化、智能化的發(fā)展需求。很多高校陸續(xù)著手建設(shè)信息化校園，建設(shè)功能完善的虛擬校園漫游系統(tǒng)已經(jīng)成為提高高校競(jìng)爭力和社會(huì)影響力的有效方法之一。

1.2 意義

在VR技術(shù)的支撐下，項(xiàng)目能從不同維度實(shí)現(xiàn)對(duì)高校校園場(chǎng)景環(huán)境的三維立體化演示，廣大用戶足不出戶就可以身臨其境地感受到校園的四季風(fēng)光。VR技術(shù)最大的作用是建設(shè)一個(gè)多元化信息平臺(tái)，進(jìn)而為全面了解校園環(huán)境創(chuàng)造便利，學(xué)校也可以獲得一個(gè)嶄新的對(duì)外宣揚(yáng)、呈現(xiàn)校風(fēng)的途徑。VR技術(shù)不僅能以漫游形式呈現(xiàn)校園環(huán)境的發(fā)展現(xiàn)狀，還能方便相關(guān)人員對(duì)校園景觀進(jìn)行整改，從而進(jìn)一步提升校園景觀的美觀性。三維景觀漫游系統(tǒng)是建設(shè)數(shù)字校園的基礎(chǔ)，也是在教育領(lǐng)域中應(yīng)用VR技術(shù)的新典型，能夠直觀、清晰地預(yù)覽具體改造成果，使設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可操作性得到更大的保障，這對(duì)高校校區(qū)建設(shè)、高校的可持續(xù)發(fā)展是非常有利的。

2 建設(shè)校園三維模型

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

參照國內(nèi)某高校校區(qū)綜合規(guī)劃、建筑樓群以及平面設(shè)計(jì)的CAD設(shè)計(jì)圖紙建設(shè)配套模型。建模過程是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，需要相關(guān)人員積極前往實(shí)地考察地形，再參照?qǐng)D紙內(nèi)學(xué)院整體的部署情況，依照設(shè)定的比例準(zhǔn)確建模，這是提升建模質(zhì)量及工效的有效方法之一。

觀察與分析原始校園平面圖紙，發(fā)現(xiàn)依照層次可以將該高校的整個(gè)校園細(xì)化成校園建筑樓群區(qū)、校園環(huán)境區(qū)2個(gè)部分，前者主要由行政樓、教學(xué)樓以及宿舍樓等構(gòu)成，后者有綠化植被、道路以及河流等，通過細(xì)化過程，可以明顯提升校園結(jié)構(gòu)的清晰度，為建設(shè)與完善模型創(chuàng)造便利。采集、整理該高校既往形成的建筑CAD設(shè)計(jì)圖是構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)的第一個(gè)步驟，設(shè)計(jì)圖紙是模型建設(shè)的主要憑據(jù)，全面整理能消除雜亂因素，包括無用的標(biāo)識(shí)、管線圖層等信息，保留對(duì)建模過程有助益的信息，例如外形輪廓、方位信息等。原始校園平面圖如圖1所示。

圖1 原始校園平面圖

2.2 建設(shè)三維模型

搭建三維模型是虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)活動(dòng)中的關(guān)鍵一環(huán)，建模質(zhì)量是影響虛擬系統(tǒng)品質(zhì)及運(yùn)行效果的主要因素之一。

3ds Max、AutoCAD都是AutoDesk公司推出的產(chǎn)品，兩者之間的數(shù)據(jù)信息能實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)化，綜合多方面因素后，該文擬選3ds Max 2010作為建模工具，希望在其協(xié)助下確保建模數(shù)據(jù)源傳遞與轉(zhuǎn)換過程的緊密性、有效性[2]。3ds Max內(nèi)存在許多幾何建模方法，考慮到該高校校園內(nèi)建筑樓群的特征，該文決定選用多邊形建模的方法。具體操作是把上述過程整理好的簡易式校園平面圖整合至3ds Max內(nèi)，為建設(shè)校園模型圖提供更多的資源支撐，該圖可以被細(xì)化成環(huán)境、校區(qū)綠化以及建筑樓群模型。在構(gòu)建地面環(huán)境模型圖時(shí)，勾畫二維樣條線是重點(diǎn)工作內(nèi)容，繪制2個(gè)相毗鄰的樣條線的方法相對(duì)比較簡單，可以直接復(fù)制粘貼前期建立目標(biāo)對(duì)象的樣條，并在對(duì)其進(jìn)行微調(diào)整后，布置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)信息，該方式能明顯提升模型圖質(zhì)感的真實(shí)性。校園環(huán)境模型如圖2所示。

圖2 校園環(huán)境模型

校園綠化模型內(nèi)很難確保樹木的真實(shí)感處于較高的水平，如果把每棵樹木都制作成模型，會(huì)明顯提升建模的復(fù)雜性，鑒于以上情況，該課題在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)決定采用十字交叉面片表示校區(qū)內(nèi)的樹木，力爭在復(fù)雜度和真實(shí)性之間建設(shè)平衡關(guān)系。對(duì)面片樹木的材質(zhì)賦予其一定紋理構(gòu)造，通過該方式使用戶能在視覺層面上觀看到一棵完整度很高的樹木。由于該課題研究中設(shè)計(jì)的是VR場(chǎng)景，因此為了規(guī)避漫游階段發(fā)生卡頓現(xiàn)象，建議將模型面數(shù)目降至最低，為了能達(dá)成上述目標(biāo)，整改傳統(tǒng)建筑樓群內(nèi)窗戶的制作方法，改用搭建單面窗戶的方法，該方法能顯著優(yōu)化建模質(zhì)量，同時(shí)還可以大幅度提升工作效率。

2.3 系統(tǒng)完善

為了使廣大用戶能在計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁上快速瀏覽虛擬校園漫游系統(tǒng)，相關(guān)人員對(duì)軟件的規(guī)格大小提出了較高的要求，這就預(yù)示著相關(guān)人員在設(shè)計(jì)研發(fā)系統(tǒng)階段，在提升場(chǎng)景模型的逼真性、真實(shí)度的基礎(chǔ)上，還要有針對(duì)性地完善場(chǎng)景與模型，通過該方式使系統(tǒng)運(yùn)行過程的流暢性得到更大的保障，這樣用戶在瀏覽階段也能產(chǎn)生良好的主觀體驗(yàn)，因此在研發(fā)系統(tǒng)的過程中，一定要考慮完善相關(guān)問題，該文主要考慮了物體模型和貼圖2個(gè)方面。

如果構(gòu)造面數(shù)過多的繁雜模型，那么在用戶瀏覽虛擬場(chǎng)景的階段，很可能對(duì)情境轉(zhuǎn)換過程的順滑性造成不同程度的損害，從而削弱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此一定要采用適宜的方法處理模型，在不影響其功能發(fā)揮的基礎(chǔ)上，盡可能地提升系統(tǒng)的簡潔性，針對(duì)用戶肉眼不能看到的面和線條等，都要進(jìn)行統(tǒng)一刪除。此外，在虛擬情境內(nèi)，僅能觀察到一些模型多邊形的單面，可以聯(lián)合使用3ds Max將多邊形的背面精準(zhǔn)剔除，僅完整、清晰地呈現(xiàn)它的前面，同時(shí)也相應(yīng)地減少了模型面的數(shù)目，有助于提升系統(tǒng)運(yùn)行過程的順暢性[3]。

分析場(chǎng)景模型的材質(zhì)貼圖，是相關(guān)人員利用數(shù)碼相機(jī)拍攝高校校區(qū)中不同建設(shè)的外形構(gòu)造及周邊景觀并采用Photoshop軟件對(duì)圖片進(jìn)行修整而得到的，運(yùn)行系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間會(huì)對(duì)其規(guī)格、數(shù)目以及辨識(shí)度等形成不同程度的影響和約束，因此需要有針對(duì)性地對(duì)改善貼圖進(jìn)行優(yōu)化，通過該方式使系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性得到了更大的保障。為了減少存儲(chǔ)空間資源的用量，要科學(xué)設(shè)定貼圖自身的規(guī)格大小，并建議合并成一的物體要應(yīng)用材質(zhì)相同的貼圖，這樣能對(duì)提升渲染速度起到一定的促進(jìn)作用。

2.4 漫游實(shí)現(xiàn)

Virtoolsl軟件可以對(duì)漫游過程進(jìn)行如下模擬：當(dāng)向前臨近屏幕時(shí)，攝像機(jī)會(huì)沿z軸的正方向進(jìn)行平移；當(dāng)后退操作遠(yuǎn)離屏幕時(shí)，攝像機(jī)將沿z軸的負(fù)方向進(jìn)行平移。同樣能夠推測(cè)當(dāng)轉(zhuǎn)向是左、右時(shí)，攝像機(jī)會(huì)順著y軸按逆、順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)升、降動(dòng)作時(shí)，則會(huì)沿y軸的正、負(fù)方向進(jìn)行平移，通過該方式確保虛擬校園漫游系統(tǒng)的功能可以充分地發(fā)揮出來。

3 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)實(shí)質(zhì)上就是仿真模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中遇到障礙體時(shí)人物或物體做出的表現(xiàn)，例如當(dāng)某個(gè)物體遇到墻壁，如果未規(guī)劃布置碰撞檢測(cè)，那么就會(huì)導(dǎo)致物體將墻越過，這并不是設(shè)計(jì)人員期待看到的情況。在真實(shí)情景下，當(dāng)察覺到有物體臨近障礙物時(shí)，一定要暫停前行過程，在這樣的狀況中，設(shè)計(jì)人員要認(rèn)真處置部分碰撞事件，增設(shè)碰撞檢測(cè)函數(shù)[4]。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在Unity 3D內(nèi)可以檢出的碰撞發(fā)生形式主要有碰撞器和觸發(fā)器。Unity 3D中共計(jì)布設(shè)了6種碰撞器，即盒子、球體、膠囊、網(wǎng)格、車輪以及地形碰撞器。針對(duì)同個(gè)物體上應(yīng)布設(shè)多少碰撞器，Unity并沒有做出明確要求，如果遇到不規(guī)則實(shí)物體時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以組合應(yīng)用以上不同類型的碰撞器。觸發(fā)器可以被看成是碰撞體持有的一個(gè)屬性，相關(guān)人員只需要在檢視面板碰撞器組件內(nèi)選擇出IsTrigger屬性選擇框，就可以順利地完成碰撞檢查。如果想要在順利地監(jiān)測(cè)到不同物體之間的接觸情況的同時(shí)，又想將碰撞檢測(cè)操作對(duì)物體移動(dòng)過程形成的不良影響降至最低（或者要掌握某個(gè)物件是否經(jīng)過空間內(nèi)某區(qū)域），就需要在觸發(fā)器的協(xié)助下完成相關(guān)操作。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

虛擬校園漫游系統(tǒng)為了方便廣大用戶在網(wǎng)頁上對(duì)其進(jìn)行瀏覽，對(duì)軟件的規(guī)格大小提出了較高的要求，因此在設(shè)計(jì)研發(fā)系統(tǒng)階段，不僅要分析場(chǎng)景模型的逼真性，還要重視完善場(chǎng)景與模型，確保系統(tǒng)運(yùn)行過程的流暢，同時(shí)還不會(huì)對(duì)用戶的主觀體驗(yàn)感造成不良影響。綜上所述，系統(tǒng)優(yōu)化是開發(fā)實(shí)踐中需要重點(diǎn)考慮的問題之一，該課題的優(yōu)化主要集中在物體模型與貼圖2個(gè)方面：1）對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，凡是用戶看不到的面或者線，都可以對(duì)其作刪除處理，另外，虛擬場(chǎng)景內(nèi)的局部模型多邊形僅能實(shí)現(xiàn)單面可見，建議應(yīng)用3ds Max去消除多邊形的背面，僅呈現(xiàn)其前面，從而減少系統(tǒng)的面數(shù)，提升系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的順暢性。2）針對(duì)模型材質(zhì)貼圖的優(yōu)化，主要是利用數(shù)碼相機(jī)照射校園內(nèi)各方位、各建筑的外部樣態(tài)及景觀，利用Photoshop軟件修圖，鑒于運(yùn)行系統(tǒng)存儲(chǔ)空間會(huì)對(duì)圖片的尺寸、數(shù)目及分辨率等造成不同影響，因此應(yīng)該對(duì)貼圖進(jìn)行優(yōu)化處理，通過該方式使系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性得到一定的保障。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，應(yīng)該科學(xué)確定貼圖的大小，針對(duì)合并物體應(yīng)用同種材質(zhì)，進(jìn)而加速渲染過程。

5 某高校校園立體漫游系統(tǒng)的建設(shè)

建設(shè)校園立體漫游系統(tǒng)的步驟如下：勘察真實(shí)校園校區(qū)→收集并處理所需要的數(shù)據(jù)信息→規(guī)劃設(shè)計(jì)校區(qū)，完成對(duì)局部景觀的改造→搭建三維校園模型→實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能→形成虛擬校園漫游[5]。

5.1 繪制平面圖

繪制平面圖的步驟入如下。首先，要組織相關(guān)人員做好前期數(shù)據(jù)信息采集的工作，利用在皮卷尺等工具準(zhǔn)確測(cè)出校區(qū)建筑的外圍數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄校區(qū)道路寬度、設(shè)施所處方位等相關(guān)信息，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝建筑外觀及景觀圖，為后期工作的順利推進(jìn)提供全面、可靠的數(shù)據(jù)。

其次，規(guī)劃設(shè)計(jì)校園方案。該高校校區(qū)規(guī)劃的合理性不足，主要表現(xiàn)在食堂門前交通組織混亂、設(shè)計(jì)建成的停車場(chǎng)規(guī)范性不足、硬質(zhì)鋪裝過多以及局部路段兩側(cè)景觀單一化顯著等。為了解決上述現(xiàn)實(shí)問題，設(shè)計(jì)人員對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化處理：1）科學(xué)梳理最佳路線，設(shè)定出最便捷的各等級(jí)道路。2）增設(shè)景觀小品，例如花壇、座椅等，成本相對(duì)較低，通過該方式提升設(shè)計(jì)方案的合理性，使其散發(fā)出更濃郁的人文氣息。3）在設(shè)計(jì)局部區(qū)段的植物景觀時(shí)，盡可能地提升景觀環(huán)境的舒適度，確保物種的多樣性。

最后，認(rèn)真做好平面繪制（CAD）工作。參照前期測(cè)得的數(shù)據(jù)及拍攝到的照片，落實(shí)CAD的1 ∶1平面繪制工作（單位：mm）。在該環(huán)境中可以配合使用正交模型，保證勾畫出的線能做到平直，在精準(zhǔn)捕捉到目標(biāo)對(duì)象后，準(zhǔn)確調(diào)控光標(biāo)的矢量追蹤[6]。同時(shí)還設(shè)定了很多景觀要素，例如建筑、道路以及水體的規(guī)格和方位等，將不同要素精準(zhǔn)地配置到相對(duì)應(yīng)的圖層。再有針對(duì)性地調(diào)整需要進(jìn)行設(shè)計(jì)整改的部位，最后把底圖保存成EPS格式。

5.2 創(chuàng)建三維模型

創(chuàng)建三維模型的步驟如下。首先，處理材質(zhì)。具體是以大批量的實(shí)景照片為基礎(chǔ)，在材質(zhì)處理（PS）技術(shù)的協(xié)助下，科學(xué)、合理地處理貼圖材質(zhì)的顏色、外形以及規(guī)格尺寸等，規(guī)范地落實(shí)仿真處理任務(wù)。

其次，在建模階段（SU）導(dǎo)進(jìn)CAD底圖。再具體導(dǎo)入操作中需要在選項(xiàng)之下逐一勾選三項(xiàng)勾，同時(shí)將單位轉(zhuǎn)換成mm。連接好不同面層之間的關(guān)系后，參照前期實(shí)地測(cè)得的數(shù)據(jù)去制造出建筑模型[7]。先要參照拍攝所得的圖片合理設(shè)定建筑層數(shù)，再在推拉工具的協(xié)助下布置建設(shè)高度，認(rèn)真處理建筑門窗、樓梯拐角等細(xì)節(jié)部位，針對(duì)規(guī)格、形狀以及材質(zhì)相等的門窗，可以對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，便于一并整改。

5.3 制造動(dòng)漫或動(dòng)畫引擎

制造動(dòng)漫或動(dòng)畫引擎具體是在SU內(nèi)將前期建成的模型整合至lumion場(chǎng)景中，結(jié)合氣候添加調(diào)節(jié)陽光、云彩等，在自然材質(zhì)庫下對(duì)水體草坪的材質(zhì)進(jìn)行編輯。將植被、小品設(shè)施等素材增設(shè)到場(chǎng)景內(nèi)，這是充實(shí)場(chǎng)景內(nèi)容的有效方法之一。搭配植物時(shí)要科學(xué)處置喬木、灌木及草坪的方位。在適宜的角度拍攝照片并盡早導(dǎo)出照片[8]。在“動(dòng)畫模式”的支撐下完成錄制工作，選出適宜的起始點(diǎn)，單擊完成照片的拍攝工作，短縮鏡頭后再進(jìn)行拍攝，確保拍攝過程始終能在勻速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。瀏覽校區(qū)場(chǎng)景以后，對(duì)局部進(jìn)行合并處理，最后添加不同類型的聲音特效，通過該方式強(qiáng)化觀看者的3D立體式環(huán)繞感受。

在實(shí)驗(yàn)室專業(yè)儀器設(shè)備的協(xié)助下，設(shè)計(jì)人員順利地完成了虛擬校園漫游系統(tǒng)的相關(guān)制造任務(wù)，高效率地落實(shí)了虛擬校園場(chǎng)景的建設(shè)任務(wù)。

6 結(jié)語

參照某高校校園建筑CAD設(shè)計(jì)圖紙建設(shè)出了三維模型，并且有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行完善，明顯強(qiáng)化了模型的逼真性，導(dǎo)入模型后順利地達(dá)成了自主漫游的目的，并通過碰撞檢測(cè)過程實(shí)現(xiàn)了虛擬漫游的真實(shí)性。統(tǒng)計(jì)運(yùn)行結(jié)果后，可以發(fā)現(xiàn)該文設(shè)計(jì)的三維漫游校園系統(tǒng)能較為清晰、全面地呈現(xiàn)出該高校的校園環(huán)境，使廣大用戶有身臨其境的感覺，也能使VR技術(shù)在教育領(lǐng)域中將自身的功能作用充分地發(fā)揮出來。