姬洪強(qiáng)　呂敬敏

摘要：虛擬校園漫游可以讓瀏覽者體驗(yàn)親身游覽校園，體會(huì)校園文化的感覺，對學(xué)校推廣宣傳、招生等起到重要的作用，越來越多的學(xué)校開始開發(fā)虛擬校園漫游系統(tǒng)。文中以3Ds Max和Virtools為開發(fā)工具為例，介紹虛擬校園漫游開發(fā)過程中建模技術(shù)、場景優(yōu)化技術(shù)、材質(zhì)烘焙技術(shù)和碰撞檢測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬校園漫游；3Ds Max；Virtools

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2013）08-1799-02

虛擬校園漫游在電腦上真實(shí)的再現(xiàn)了校園環(huán)境及校園文化，瀏覽者不用親自到學(xué)校就可以形象直觀體驗(yàn)親身游覽校園的感覺，起到對校園面貌和校園文化有直觀的體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，對設(shè)施設(shè)備清楚了解的作用。虛擬校園漫游的開發(fā)有很多種工具和平臺(tái)，最常用的一種方法是使用3Ds Max進(jìn)行建模、材質(zhì)等前期處理，然后導(dǎo)出到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中進(jìn)行后期的交互處理，后期工具本文選擇的是Virtools。下面就使用這兩款工具開發(fā)虛擬校園漫游過程中設(shè)計(jì)到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 建模技術(shù)

虛擬校園漫游中的場景模型主要涉及教學(xué)樓、宿舍樓、餐廳等建筑物以及操場、道路、樹木等，是一個(gè)大場景，建模時(shí)需要對整個(gè)校園的這個(gè)大場景進(jìn)行區(qū)塊劃分，比如宿舍樓區(qū)一塊，教學(xué)樓區(qū)一塊等，各個(gè)區(qū)塊制作完成后導(dǎo)入到一個(gè)場景中，將極大的降低建模的難度。

很多時(shí)候，在進(jìn)行場景建模時(shí)，開發(fā)者并沒有校園的第一手資料，比如建筑平面圖、詳細(xì)的測量參數(shù)等，可以使用谷歌地圖測量的數(shù)據(jù)作為建模參考，同時(shí)使用截圖軟件截下谷歌航拍圖，在3Ds Max透視圖中建一個(gè)面片并將截下的航拍圖賦給該面片，作為建模時(shí)的布局參考。建筑物主體建模使用二維樣條線勾勒出輪廓，然后擠出建筑物的高度，附屬物用基本幾何體變形制作，細(xì)節(jié)部分如門窗等用貼圖來表現(xiàn)。路面、人工湖建?；就ㄖ锝７椒ㄒ粯?。花草樹木是場景中最多的裝飾物，花草樹木的逼真程度影響到場景的真實(shí)感，可以通過交叉的面片來實(shí)現(xiàn)，這種方法極大的降低了模型面片數(shù)，并配上良好的照片素材和透明貼圖來實(shí)現(xiàn)模型效果。綠化帶使用基本幾何體中的Box，給側(cè)面和頂面附上不同的材質(zhì)表現(xiàn)。

2 場景優(yōu)化技術(shù)

逼真的模型是增強(qiáng)漫游真實(shí)性的保證，但是如果校園場景中模型的總面數(shù)太多會(huì)多占用系統(tǒng)資源，影響系統(tǒng)運(yùn)行的速度，所以需要在不降低模型真實(shí)性的前提下對場景中的模型進(jìn)行優(yōu)化處理，以下是幾種常用的優(yōu)化方法。

2.1 減少模型面數(shù)和刪除多余面

對于整個(gè)漫游場景，模型的總面數(shù)多少?zèng)Q定了場景在電腦上運(yùn)行速度的快慢。在使用3Ds Max軟件進(jìn)行場景建模前，先對場景中所有模型的面數(shù)做一下估算，然后為復(fù)雜程度不同的模型分配不同的面數(shù)。在建模過程中，減少幾何體的分段數(shù)能有效減少模型的面數(shù)。多余面是對視點(diǎn)不可見的部分，模型的背面或模型被其它模型遮擋住的面以及模型自身內(nèi)部的面都是多余面。三維模型建立后應(yīng)刪除這些多余面，從而降低場景的總面數(shù)，做到場景最優(yōu)化。

2.2 使用紋理映射模擬模型的細(xì)節(jié)

紋理映射是真實(shí)感模型制作的一種方法，它可以方便的制作出使用建模技術(shù)無法表現(xiàn)細(xì)節(jié)的極具真實(shí)感的模型。簡單來說，就是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素，給簡單平坦的模型表面增加細(xì)節(jié)的過程。對于模型上眾多的細(xì)節(jié)部分，用紋理映射的方法代替模型制作，能夠大大降低模型的面數(shù)和復(fù)雜度，減少了運(yùn)算量，提高系統(tǒng)速度。

2.3使用關(guān)聯(lián)復(fù)制

關(guān)聯(lián)復(fù)制（Instance）是3Ds Max復(fù)制對象時(shí)的一種方法，使用關(guān)聯(lián)復(fù)制的方式復(fù)制模型，可以在增加模型數(shù)量的同時(shí)不另外占用系統(tǒng)資源。只要改變?nèi)魏我粋€(gè)關(guān)聯(lián)復(fù)制的模型時(shí)，其它的復(fù)制模型也做相應(yīng)的改變。在漫游場景中，相同的模型只需要定義一次，就可以重復(fù)復(fù)制使用，并且可以降低生成的文檔的大小。

2.4 貼圖（Texture）素材處理

現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)的分辨率一般都比較高，所拍的照片會(huì)很大，直接使用這樣素材時(shí)，會(huì)導(dǎo)致場景文件過大，因此需要在不影響貼圖效果的前提下對素材進(jìn)行處理?？梢詫⑺夭闹瞥?JPG或.PNG格式的文件，并適當(dāng)縮小圖片的大小等。貼圖的長寬宜采用2的N方，最好不要超過2048，即2的11次方，但貼圖不一定是正方形，長方形也可以，如：128*256、1024*128。貼圖的大小如果不是2的N方，那么圖形將會(huì)多耗用顯存，讀取時(shí)也會(huì)稍微變慢。場景中需要重點(diǎn)表現(xiàn)的部分需要制作成大貼圖，如建筑的屋頂，大地面等。建筑中的門窗、柱子、牌匾，地形中的道路、臺(tái)階、草地、欄桿制作成小貼圖。場景中的圍墻、道路、人工湖沿等需要處理成為無縫貼圖。貼圖制作時(shí)盡可能充滿（0，1）空間，避免浪費(fèi)。

2.5 使用Optimize修改器

模型完成后可以使用Optimize修改器對模型面數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Optimize修改器將小于某一指定值的相鄰平面進(jìn)行合并，在不影響模型逼真性的前提下，大大減少了場景中的面數(shù)。因此，在建模時(shí)，在保證模型逼真性的前提下應(yīng)盡量使用直線、直面。使用曲線進(jìn)行放樣時(shí)盡量減少路徑的步幅數(shù)和截面的分段數(shù)，以降低輸出后文件的大小。

3 貼圖烘焙技術(shù)

貼圖烘焙也叫Render To Texture，是一種把光照和陰影信息渲染成貼圖的方式，，然后把這個(gè)烘焙后的貼圖再貼回到場景中的模型上，光照和陰影信息變成了貼圖，在渲染時(shí)不需要CPU再去費(fèi)時(shí)計(jì)算燈光和復(fù)雜的陰影信息，從而加快了渲染速度，節(jié)省CPU資源。

常用的烘焙形式有CompleteMap和LightingMap兩種。LightingMap烘焙方式烘焙生成的貼圖清晰，但光感不很清晰，且只支持3Ds Max軟件默認(rèn)的材質(zhì)，要表現(xiàn)模型表面豐富的效果只能用其它軟件修改，適用于大面積的墻體，室內(nèi)外大的地面等。CompleteMap形式烘焙生成的貼圖光感好，支持多數(shù)的復(fù)合材質(zhì)，但是要表現(xiàn)好的效果需要設(shè)置的尺寸較大，否則會(huì)很模糊，適用需要重點(diǎn)表現(xiàn)的物體。

4 碰撞檢測技術(shù)

在虛擬校園漫游中，對場景中活動(dòng)的模型進(jìn)行碰撞檢測是很重要的。模型在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生相互碰撞，如果不檢測模型之間的相互碰撞，就會(huì)出現(xiàn)模型穿過模型的現(xiàn)象。比如虛擬角色穿墻而過或者穿樹而過，結(jié)果是嚴(yán)重破壞了漫游的真實(shí)感。碰撞檢測要解決兩個(gè)問題：一是碰撞在什么時(shí)間什么地方發(fā)生，二是碰撞后會(huì)做出什么樣的反應(yīng)。

Virtools中常見的碰撞檢測方式有：盒盒相交、球球相交、盒面相交、面面相交。盒也稱邊界盒，是物體局部坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)軸向上的最大值構(gòu)成的一個(gè)長方體。對物體做碰撞檢測時(shí)，首先檢測邊界盒是否相交，如不想交，則說明兩個(gè)物體未發(fā)生碰撞，進(jìn)一步對兩個(gè)物體進(jìn)行檢測，直到檢測到邊界盒相交，說明發(fā)生碰撞，隨之計(jì)算碰撞后的反應(yīng)。球也稱邊界球，是物體局部坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)軸向上的最大值構(gòu)成的一個(gè)球體。兩個(gè)不規(guī)則的物體之間發(fā)生碰撞時(shí)可以采用球球相交的形式來進(jìn)行檢測。球球相交首先動(dòng)態(tài)拾取物體，然后為每個(gè)物體創(chuàng)建邊界球，獲取兩個(gè)球心之間的距離，同時(shí)獲取各自邊界球的半徑，當(dāng)檢測碰撞時(shí)判斷兩個(gè)球心之間的距離是否大于兩個(gè)邊界球半徑之和，若大于則兩物體為發(fā)生碰撞，如小于或等于則發(fā)生碰撞。盒面相交是判斷一個(gè)物體的邊界盒與兩一個(gè)物體的面之間是否相交。面面相交是判斷一個(gè)物體的面是否與另一個(gè)物體的面之間是否相交。

虛擬漫游中對物體的碰撞檢測精度要求不是很高宜采用球球相交或盒盒相交的檢測方式，這種形式既能達(dá)到預(yù)期效果，又不影響速度。

5 結(jié)束語

使用3Ds Max前期設(shè)計(jì)Virtools后期交互處理，操作簡便，使得開發(fā)周期大大縮短。在開發(fā)過程中只有合理的運(yùn)用這些技術(shù)，才能使得最終的場景逼真，沉浸感增強(qiáng)而且系統(tǒng)的交互速度也較快。

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