三维校园虚拟现实研究.pdf

第 1 8 卷第 2期 2 0 1 0年 6月 北 京石 油 化工 学 院学 报 J o u r n a l o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he m i c a l Te c hn ol ogy Vo 1 1 8 NO 2 J u n 2 0 1 0 三维校 园虚 拟现 实研 究 陈 涛 田海 晏 岑 学学 张春艳 ( 北京 石油化工学 院机械工 程系 ， 北京 1 0 2 6 1 7 ) 摘 要 以北京石 油化工学 院校 园为原型 ， 运用 虚拟 现实技术 建立 了基于 3 D S Ma x的虚 拟 校 园三维模型 。介绍 了三维校 园建 模的流程 ， 从 C AD图纸 开始 建模并创建 三维模 型 ， 利用 3 D S Ma x软 件创建 了北京石油化工学 院校 园的三维模型 。采用 虚拟物 体和 实景拍 摄结 合 的手 法 ， 借助 三维互 动仿 真平 台 VR P l a t f o r m 生成三维虚拟校 园漫游系统 ， 并 实现了连接数据库功 能 ， 使得 用户在 漫游 中查询到 选择对象 的详 细信息 。 关 键 词3 D S Ma x ；虚拟校园 ；三维建模 ；We b Ma x ；V RP 中 图 法分 类 号TP3 1 2 虚拟 现 实技 术是 当今 计算 机 科学 研究 的一 个 热 点 ， 将 虚 拟 现 实技 术 引入 “ 数 字 校 园” 的 研 究 中 ， 为校 园规划 和设 计 提供 一种 全新 的手段 。 北 京 石 油 化 工学 院是 北 京 市 属 普 通 高 等学 校 ， 通 过 三维 虚拟 校 园系统 可 以 比较 直观 地 了解 校 园 的各 个 区域 ， 使 浏览 者 对 校 园环 境 产 生 身 临 其 境 的感觉 ， 为校 园规 划 、 考生 网上 了解 学 校 和 对 外交 流提 供 一个 平 台 。 笔 者 介 绍 一 种 基 于 3 D S Ma x和 We b Ma x 技 术 的虚拟 环 境 开 发 方 法 。用 3 DS Ma x构 建 三 维 模 型 ， 制 作 三 维 动 画 ， 用 We b Ma x进 行 交 互 控制 ， 并 结 合 实 际 开 发 经 验 ， 对 虚 拟 环 境 下 3 D建 模 、 交互 式 漫游 等技 术进 行探 讨 。 1 素材 采集与处理 1 1 素 材 采集 通 过 照 片 、 手 绘 、 建 筑 施 工 图进 行 素 材 采 集 。从学 校 相关 部 门如 档 案 馆 、 基 建 处 等 获 取 校 园的 图纸 资 料 ， 如 学 校 平 面 图 、 地 形 图 、 大 比 例 尺航 摄 相 片 或卫 星遥 感 图 、 建 筑 单 体 及 校 园 规 划 的工 程 图纸文 件 等 ， 如 图 1 、 图 2所 示 。景 观 纹 理 图则 可 通过 照 片 或 数 码 相 机摄 取 得 到 ， 景 物 的纹理 图 内容 包 括 建 筑 物 、 道路 、 水 面 、 树 木 、 草 地 、 水 体 等 。需要 注 意选 择 不 同分辨 率 和 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 1 2 5 精 确 度 的数 据 和 图 片 ； 对 于 相机 拍 摄 不 到 的 地 方 ， 可 以通 过 手绘 画 出实 物 的形 象 。 图 1 建筑施 工图 图 2卫星遥感 图 1 2 素材 处 理 由于受建筑物高度、 拍摄距离及相机 自身 成像特点的影 响， 拍摄 的像 片往往会 比例失调 4 6 北 京石 油化 工学 院学报 2 0 1 0年第 1 8卷 或 枕形 畸 变 ， 需 要 使 用 图形 处 理 软 件 P h o t o s h o p对每 张 图片进 行处 理 ， 如用 自由变换 把 比 例 失调 的 图片拉 正 ， 裁 剪周 围其他 的场 景 ， 去 除 图片中的杂景等。图 3为采集 的原始照片， 图 4为处理 后 的图片 ， 即所需 要 的纹理 图 。 一 一 图 3 采集 的原始 照片 图 4 处理后的图片 处 理 图片 时需 要 注 意 以下 几 点 ： 道 路 、 瓦 片、 树木等一般采用公共贴 图， 可重复利用， 无 需 单 独采样 。处 理后 的纹理 像素 大小应 处理 成 2的 N 次 幂 ， 以利 于 纹 理 的 正 确 显 示 ， 在 游 戏 或者虚 拟现 实 的引擎 中 ， 贴 图 以 2的 N 次方 显 示 能更 有效地 利 用资源 u 。一 些贴 图需 要处 理 成透明纹理 ， 如树木、 窗户等 。为了满足各个镜 头 的需要 和节 省 资源 ， 同一 张 贴 图要处 理 成 大 小不 同 的几个 版 本 ， 在 有特 写镜 头时 ， 贴 上 高分 辨率 的贴 图 ， 远景 时则 贴上低 分 辨 的贴 图 。 2 三维模 型的创建及优化 2 1 建筑 物三维 模型 的创 建 建筑物 模型使用 多边形 建模方法 ， 多边 形建 模 在 UV展 开方面有着得天 独厚的优势 ， 可 以非 常方便地将建筑物的 uV展开 2 。大部分建筑 物的 图纸都是 扫描 版 ， 不能在 A u t o C A D 中编辑 ， 因此只能直接在 3 D S Ma x里 照着 图纸 描 出轮廓 然后 再拉伸成形 。由于建筑 的建模 比较简 单 ， 只 要 注意好尺寸 的设 置和避免错 面、 破 面 的出现 即 可 。如 图 5 为 已经 建好 的主楼模 型 。 图 5 通 过 3 d s Ma x 创建好 的主楼模 型 2 2 纹理贴 图 三分建模 ， 七分贴图。反映建模的逼真的 程度 ， 除 了模 型的制 作外 ， 贴 图是至 关重要 的一 步 ， 前期 素材 与处理 工作 为后 续工 作打下 基础 。 对 模 型 的各 个 面单 独 贴纹 理 ， 把 纹 理 附于 对 象 后 ， 为了使贴图与模型吻合一致， 需要 UVw 坐 标 或手 动展 UVw 的方 式 2 。制作 的大 部分 贴 图都是漫反射贴图， 其渲染效果达到设计要求 。 一 些 重 要 的 镜 头 里 还 可 以 使 用 n o r ma l ma p 。 由于贴 图不 是在 同一 天拍 摄 的 ， 而 且建 筑 阳 面 与 阴 面拍 到 的 素材 在 色调 、 饱 和 度 等方 面 不 一 致 ， 必须 在 P h o t o s h o p里 先将 色调 、 饱 和度等 统 一 。主楼 贴完 纹理 之后 的效果 图如 图 6所示 。 图 6 贴完纹理之后 的主楼 由于创建 好 的模型需 要 导入虚 拟仿 真平 台 VR P中 ， 而虚 拟 仿 真 平 台 VR P对 材 质 有 一 些 特殊 的限制。在贴图过程 中对所创建的模型如 果使用一些高级材质 ， 如“ 多维 子对象” 材 质、 混 合材 质 、 灯 光材 质 等 ， 在 导 入 VRP的过 程 中 可能会 出现一些错误 ， 所以在材质制作时尽量 不 要使 用 这 些材 质 ， 只需 一些 基 本 的贴 图设 置 便可， 如果想要达 到一 定高光反射 、 凹凸的效 果 ， 可 以在后期 VR P软件 中调 整L 3 。 2 3灯 光调 整 模 型 的制 作 只是 为场 景 制 作 了一 副骨 架 ， 缺 少真 实 的活力 ， 而灯 光 的调 整 就 相 当于 让 整 个 场景更 趋 于真实 。所 以说灯 光是 整个 虚拟 现 实 的制 作 过 程 中尤 为 重要 的一 部分 ， 也 直 接 影 响 到导入 虚拟 现实 软件 中 的逼 真程 度 。这个项 目室外 主 要 是手 工 打 光 ， 也就 是 经 典 的三 点 光 源。渲染使用默认的扫描线渲染器， 开启 光线 追踪 。室 内场 景 主要 使 用 3 D S Ma x中的 d a y l i g h t s y s t e m 和 mr s k y P o r t a l ， 渲 染器 为 Me n t a l r a y 。运 用 d a y l i g h t s y s t e m 和 mr s k y P o r t a l ， Me n t a l r a y可 以产生逼真 的光照效果 ， 当 然代价是相当长的渲染时间_ 3 。图 7为灯光添 加后 的效 果 。 第 2期 团海晏 等 三 维校 园虚 拟现 实研 究 4 7 图 7 灯光添加后 的主楼 2 4环境 优化 2 4 1 面数优 化 由于模 型 的面 数与 数 量直 接影 响到 完成 虚 拟 现 实 的 大小 以及 运 行 速 度 ， 故 面 数 的优 化 在 3 DS Ma x中极为重要 ， 可以大大节约等待时 间。在建立主要建筑物模型时应将一些看不见 的面删除， 将 同类 材质 的物体进行合并 。不是 主 要建 筑 物 的模 型 应 尽 量从 简 制 作 ， 减 少 整 个 场 景 的面数 和 模 型 数 。另外 ， 需 要 对 环 境 进 行 完善 、 美 化 ， 如 设 计 花 坛 、 种 植 树 木 、 建 设 道 路 等 。场 景 中需要 种植 许 多树 木 时 ， 若 建 立体 树 将占用很大的空间 ， 影响显示效果 ， 故采用建立 平 面树 的方法 。在进 行贴 图时 同样要 设置 为 透 明贴 图 ， 对 于一 棵 树建 立 两个 平 面 ， 并 让 两平 面 交叉在一起 ， 形 成一 棵 视 觉上 立 体 的树 ， 然 后 选 择只将 近景的树木 替换成插 件生成 的树 ， 远景 的 树依 然保 留原来 的十字交叉 树 ， 这样 渲染 时 间大 幅缩短 。环境优化 之后 的效果如 图 8所示 。 图 8环 境 优 化 后 的 效 果 图 2 4 2 光照 优 化 在 光照 方 面 ， 进 行 必要 的优 化 以 提 高 渲 染 速度 。室 内场 景 的 mr s k y P o r t a l 会 产 生 柔 和 的 阴影 ， 效果 非 常好 。但 这 些 阴影 的计 算 量 对 配置不高 的计算机来说无法实现 ， 如果降低软 阴影 的采 样率 ， 虽 然可 以提高 渲染 速度 ， 但 是整 个 画面会有很多噪点 ， 提高采样率 的话又会使 渲 染 时 间倍 增 。解 决 的方 法是 在 渲染 动画 的 时 候关掉这些 软 阴影 ， 渲染 单帧 的时候开 启它 。 把 mr s k y P o r t a l 的软阴影关掉 ， 渲染速度从每 帧 4 5 rai n提高到每帧 6 mi n 。当然 ， 缺少 了这 些阴影会使很多地方 比如墙角显得比实际的要 明亮 一些 。 2 5烘 焙 为了使虚拟现实更加逼真、 生动 ， 需要将物 体的阴影 、 光线的明暗表现出来 ， 烘焙这一环节 尤为重要 。烘焙过 的物体可 以将物体的 阴影 、 光线 明 暗 以贴 图 的形 式 附着 在 模 型 的表 面 ， 这 个 烘 焙 过 的贴 图并 不 会 覆 盖 原 有 的贴 图 ， 只是 在模 型 的表 面 新 建一 个 图层 ， 在 导 入 虚 拟 现实 软 件 的时 候 可 以 同 时将 两 者 的 贴 图展 现 出来 ， 但 注 意一 点 ， 镂 空 贴 图不 得 进 行 烘 焙 。烘 焙 之后的场景再次渲染的时候将不用再次计算光 照 ， 因此可 以大 幅 提 高 渲 染 速 度 。在 游 戏 或 者 虚拟现实引擎里一般都是把光照信息烘焙到贴 图中 去 ， 这 样游 戏运 行 起来 就很 顺 畅 ， 能在很 多 低 配 置 的计 算 机上 运行 。图 9为烘 焙完 成后 的 模型场景效果 。 图 9 烘 焙完 成后 的模 型场 景 2 6 模 型导 出 为 了将 3 DS Ma x中创 建 的模 型 导 人 到虚 拟平 台 VR P l a t f o r m 中 ， 需 要 安 装 相 应 的 插 件。选择 VR P导 出插件 中导出命令项 ， 然后在 导 出为 VR P文件对话 框中可以看 到所有信息 提示 ： 导出的面数 、 定点数 、 贴图数 、 模型总数及 相 机 个 数 等 。最 后 将 模 型 调 入 到 VRP编 辑 器 ， 这 样就 成 功 地 导 出 了模 型 ， 如 图 1 0所 示 。 如 果要 倒 出到 其 它 三 维 软 件 ， 建 议 采 用 f b x格 式 ， f b x格 式 可 以 在 3 DS Ma x 、 Ma y a 、 Mo t i o n b u i l d e r 等主流三维软件之间转换 。 2 7连 接 数据 库 校 园模 型建 立 好 以后 ， 要 把 它 放 置 于 特 定 的交 互 3 一 D 环 境 中 ， 通 过 设 定 虚拟 漫 游 者 的运 动方式 、 速度、 初始位 置、 观察的环境 等参 数条 4 8 北京石油化工学院学报 2 0 1 0年第 1 8卷 图 1 O 模型导入到 VR P编辑器 件 ， 使观察者从任意角度对虚拟环境中的对象 进行观察 ， 并与之交互 ， 从而产生身临其境的感 觉 。为 了增 强 与周 围环 境 交 互 的效 果 ， 添加 了数据 库功 能 ， 实 现在 场景 中漫游 时 ， 选 择任 意 建筑物可从数据库 中查找数据 ， 将建筑物的名 称 、 建筑面积 、 高度及用途等各种属性实时显示 在屏幕上 。其实现的流程为_ 6 ： ( 1 ) 捕获用户点击的对象名称 ； ( 2 ) 根据对象名称在数据库中查找其对应 的信息 ； ( 3 ) 将信 息在屏 幕上 输 出 。 因为数据 量较 小 ， 故 选择 使用 A c c e s s 数据 库 ， 并使用 VR P连接数据库。首先 ， 要编写 d l l 文件， 实现必要的函数接 口： 初始化数据 bo o l g _op e n _d b( )； 关 闭 数据库 v oi d g c l os ed b ( ) ； 设置数据标注 的脚本支持， 对应于一条 脚本函数 i n f o n a me ， $GETVALUE v oi d gg e t v a l u e( c o n s t c ha r*v a l u e na me， c o ns t c h a r*i d， c h a r*v a l u e)； 然 后 ， 使 用 VRP中 的 脚 本 编 辑 器 编 写 相 应 的脚 本 函数 ， 并 进行初 始化 设置 ， 可 以设 置 为 距离触发或点击触发_ 7 。数据库中的信息可以 随时更 新 ， 用户在 交互 式漫游 时 ， 通 过点 击虚 拟 校 园场 景 中 出现 的建 筑 和艺 术 雕像 ， 提供 更加 详 细 的资料 5 。 2 8 虚 拟 漫游 系统 生成 为了能在创建的虚拟环境中漫游， 并 与周 围环境进行交互 ， 需要在 VR P中给模型设置 碰撞检测 ， 添加天空盒、 太阳光晕 、 背景音乐 ， 使 整个场 景显 得 更 逼 真 。在 三维 场 景 中漫游 ， 需 要创 建相应 的行 走相 机 ， 设 置相 机 的水 平角 度 、 高度等属性 ， 将相机放到场景中适当的位置 ； 创 建飞行相机来游览整个 VR场景的概貌； 创建 动画相机 ， 设 置一条 自动漫游路径 8 。为 了模 拟真实场景 ， 需要为模型设置物理碰撞 ， 对不能 穿越的对象进行碰撞检测。选择一个合适的天 空盒 样式应 用 于当前 场景 中 ， 旋 转天空 盒角 度 ， 让天 空 盒 中 的光 照方 向与 场景 投 影方 向一 致 。 为 了让 V R 场景 更 生 动 ， 为 VR场 景 添 加 一 个 太阳光晕， 调整太 阳光晕的角度与高度 ， 让太 阳 光晕 的光照 方 向 与场 景投 影 方 向一致 ， 使 整 个 场景 显得更 逼真 。添 加背景 音乐 增强 场景 沉浸 性， 用脚本编辑器在系统 函数类型中创建初始 化 函数 ， 添加 背 景音乐 脚本 ， 插入 语句并 设 置背 景音乐相关属性。在数据库数据显示时， 需要 将 数 据 显示 在 二 维 面板 上 ， 二维 界 面 图 片通 过 P h o t o s h o p创建， 通过脚本来控制二维 面板的 显示 与隐藏 。保 存 所 有设 置后 ， 即可 编 译 成 一 个可 独 立 执 行 的 e x e文 件 ， 生 成 虚 拟 漫 游 系 统 ， 如图 1 1 、 图 1 2 所 示 。 图 1 1 主楼 虚拟 漫游 图 1 2 教学楼虚拟漫游 2 9 渲 染 室内场景使用 me n t a l r a y渲染， 其中运用 了很多 me n t a l r a y的材质 ， 场景 中还有大量 的 玻璃 ， 反射与折射使渲染速度大大降低 。计划 渲染 成 1 2 8 0 7 2 0的序 列 帧 ， 一 台 计 算 机 是难 第 2期 田海 晏等 三 维校 园虚 拟现 实研 究 4 9 以胜 任 的 ， 使 用 7 0台 计 算 机 进 行 网络 渲 染 。 3 D S Ma x自带 的 网络渲 染 功 能 很方 便 ， 也 很 强 大 ， 节 省很 多 时 间 。通 常在 渲 染 开 了全 局 照 明 的场景时， 为了提高速度往往会保存光照贴图 ， 这样在渲染下一帧的时候就只需计算与上一帧 有变 化 的地 方 ， 节 省 了很 多 时 间 。在 网络 渲 染 的 时候 ， 由于 同一 台机 器 分配 到 的渲 染 帧不 是 连 续 的 ， 几 乎 每 一 帧 都 得 重 新 计 算 ， 故 采 用 b a c k b u r n e r 和 me n t a l r a y的分布式渲染结合起 来， 渲染速度有了明显的提高。但是 me n t a l r a y 的分 布式渲 染也有它 的缺点 ： 一是它 最多 只支持 8块 C P U 同时渲 染 ； 二 是参 加计 算 的计 算 机 中 ， 只要 有一 台计算机 出现错误 ， 或者长 时间没 有 响 应 ， 那么整个渲染工作就会停止。因此 ， 必须人 工看 守 ， 当有 错误发 生时重新 启动它 。 室外 场景 使 用 3 D S Ma x自带 的 扫 描 线 渲 染器渲染 ， 由于树木使用 了大量的镂空贴图， 渲 染 速度 很慢 。而 使 用 me n t a l r a y后 ， 由于 其 对 光 线 追 踪 的算 法 优 于 扫 描 线渲 染 器 ， 因此 明显 缩 短渲 染 时间 。 3 结束 语 将 虚拟 现实 技 术 运 用 在 校 园建 设 中 ， 采 用 从 C AD 图 纸 开 始 建 模 的方 法 ， 利用 3 D S Ma x 创 建 了北 京 石 油 化 工 学 院 校 园 的 虚 拟 三 维模 型 。采 用虚 拟 物 体 和实 景 拍 摄 结 合 的手 法 ， 借 助 VR P 生 成 三 维 虚 拟 校 园 漫 游 系统 ， 并 实 现 了连接数据库功能 ， 使用户在 漫游 中查询选择 对象的详细信息并提供交互功能。使浏览者可 直 观 了解 校 园 ， 为考 生 网 上 了解 学 校 和 对外 交 流 提供 了一 个 平 台 ， 也 为 以 后 的校 园规 划 打下 了良好 的基 础 。 参考 文献 1 陈勇 ， 马纯 永 ， 陈戈 基 于 V C O p e n G L的虚 拟海 大校 园 导航 系统 J 计 算机 辅 助设 计与 图 形学 学报 ， 2 0 0 7 1 9 ( 2 ) ： 2 6 3 2 6 7 2 李 昌国 基 于 G I S和 VI RTO OL S技术 的虚拟 校 园漫游 开发方法的研究 V J 计 算机 工程 与设计 ， 2 00 7， 28( 13 )： 32 2 3 3 226 E 3 周书 民 ， 汤 彬 ， 孙 亚 民 用 VRMI 实 现 校园 虚 拟 游 览 J 系 统 仿 真 学 报 ， 2 0 0 1 ， 1 3 ( 增 刊 ) ： 47 3 4 75 4 施贵 刚 ， 程 效军 网络 虚拟校 园三 维建 模方 法研 究与实现 J 工程 图学学报 ， 2 0 0 8 ， 1 6 ( 2 ) ： 8 3 8 8 5 李建伟 ， 吴学伟 ， 苗前军 校 园虚拟现实演 示 系统 的开发 J 东 北 林 业 大 学 学 报 ， 2 0 0 6 ， 3 4( 3 ) ： 9 3 - 9 6 6 陈吴 ， 洪 景新 ， 陈辉 煌 基 于 Mu l t i G e n和 Ve g a 的场景仿 真系 统技 术 J 厦 门大学 学 报 ， 2 0 0 5 ， 4 4( 3)： 3 52 35 4 7 黄小刚 ， 李 伟程 山西师 大主 校 区三维 虚拟 校 园 的建设研 究 E J 山西 师 范大 学 学报 ( 自然科 学 版 ) ， 2 0 0 8， 2 2 ( 2 ) ： 3 3 3 6 8 余莉 ， 王 乘 基 于虚 拟现 实技 术 的数字 校 园 三维仿 真 系 统 J 计 算 机 仿 真 ， 2 0 0 4 ， 2 1( 4 ) ： 9 8 1 O Re s e a r c h o n t h e 3 - D Vi r t u a l Ca mpu s Che n Ta o Ti a n H a i y a n Ce n Xu e xu e Zha ng Chun ya n ( De pa r t me n t o f Me c h a n i c a n En gi n e e r i n g，Be i j i n g I n s t i t u t e o y Pe t r o - c h e mi c a l Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 2 6 1 7 ，Ch i n a) Ab s t r a c t Ta k i n g t h e c a mp u s o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f P e r t r o c h e mi c a l Te c h n o l o g y a s p r o t o t y p e t he 3 - D m o de l o f vi r t u a l c a m p us ha s b e e n d e v e l o pe d b y s of t wa r e 3 DS M a x wi t h v i r t ua l r e a l i t y t e c hno l o gyTh e pr o c e du r e o f bu i l di n g 3 - D c a m pu s mod e l h as be e n i n t r od uc e d，a nd t he 3 - D mod e l o f t h e c a mp u s o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f P e r t r o c h e mi c a l Te c h n o l o g y h a s b e e n s e t u p a d o p t i n g t h e m e t hod o f b ui l d i ng 3 一 D c ampus m o de l f r o m t he CAD dr a wi n g The 3 - D vi r t u a l wa l kt hr o ug h s y s t e rn h a s b e e n d e v e l o p e d o n VR Pl a t f o r m b y c o mb i n i n g t h e v i r t u a l o b j e c t s a n d l i v e a c t i o n s h o o t i ng，a t t he s a m e t i m e t he f u nc t i o n of l i nki n g da t a ba s e wa s r e a l i z e d whi c h c a n be u s e d t o g e t de t a i l e d i n f o r ma t i o n o f c h o s e n v i r t u a l o b j e c t d u r i n g wa l k t h r o u g h Ke y wo r ds 3 DS M a x；vi r t u a l c a m pu s；3 - D m o d e l i ng；W e bM a x；VRP