夏小棠

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

三維數(shù)字校園的實(shí)現(xiàn)方法研究

夏小棠

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要是通過數(shù)據(jù)收集、模型建立和系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)步驟完成三維數(shù)字校園的實(shí)現(xiàn)。每個(gè)步驟都提供了不同的方法，這些方法既可以獨(dú)立使用，也可以一起使用。本文便針對三維數(shù)字校園的實(shí)現(xiàn)方法展開幾點(diǎn)論述。

三維數(shù)字校園；實(shí)現(xiàn)方法

一、三維數(shù)字校園

1.建模平臺。

三維建模的方法主要有：

①直接利用傳統(tǒng)GIS中的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的高度屬性進(jìn)行三維建模，各建筑物表面可加上相應(yīng)的紋理，但這種方法只限于平頂建筑物的三維建模。②使用3D 軟件，如AutoCAD、3DMAX可直接做出逼真的三維模型，特別是對于那些不規(guī)則的建筑物（如路燈、涼亭、塔型建筑物等）效果較好。③利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模，但采用這種方法過程較復(fù)雜，成本高，逼真度不好。

2.開發(fā)平臺。

①以Unity3D為虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺。Unity是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。②VR-Platform（簡稱VRP）三維互動仿真平臺。深圳中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開發(fā)的一款三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺。

二、三維校園的實(shí)現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)收集。三維模型所涉及的數(shù)據(jù)包括數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)、三維模型尺寸數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)。

數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)可以使用KML語言建模。KML（匙孔標(biāo)記語言）是在Google earth中表示地理信息的一種基于XML語法的標(biāo)簽式語言，它能夠描述多種具有地理信息的原始要素，如點(diǎn)、線、多邊形、幾何體。使用KML的元素能通過定義幾何體中的各個(gè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)和海拔高度，從而生成模型。還能通過校園總平面圖、建筑圖紙及全校航拍圖來獲得數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)。

三維模型尺寸數(shù)據(jù)能通過激光掃描技術(shù)獲取，該技術(shù)可通過在空中以較大的傾斜度用激光掃描城市，快速獲得城市建筑物和地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 通過特定的軟件，快速建立城市地面模型，根據(jù)所獲得的建筑物的特征點(diǎn)快速構(gòu)建三維建筑物, 如果同時(shí)獲得影像，還可以解決建筑物的紋理問題，大大提高構(gòu)建三維建筑物的速度和精細(xì)度。但該技術(shù)目前存在模擬精細(xì)度不高、側(cè)面紋理難以全面獲取及應(yīng)用領(lǐng)域窄、成本高等缺點(diǎn)。也能通過建筑圖紙獲得建筑尺寸。

紋理數(shù)據(jù)來自實(shí)地拍攝照片和紋理數(shù)據(jù)庫。紋理對于增加虛擬世界的真實(shí)感有至關(guān)重要的作用，可以彌補(bǔ)細(xì)節(jié)的不足。

2.模型建立。

在數(shù)據(jù)收集便能通過建模平臺進(jìn)行初步三維模型建立。

使用KML的「Polygon」元素及其子元素能通過定義幾何體中的各個(gè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)和海拔高度，從而生成地形模型。KML的「href」元素能調(diào)用網(wǎng)絡(luò)路徑下的圖片文件，可為通過KML定義的模型添加紋理圖片。

建筑建模一般通過三維建模軟件進(jìn)行建模。比如SketchUp，3D Max等。

SketchUp軟件建模的方法是，首先按建筑物的二維底圖在SketchUp中勾勒出底面，再通過激光掃描技術(shù)獲取的建筑尺寸數(shù)據(jù)獲取建筑高度，將面沿豎直方向按建筑物的高度向上拉伸，從而得到最粗略等級的建筑物模型，然后結(jié)合激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化編輯。

3DMax軟件建模相比于SketchUp軟件建模精細(xì)度上更加優(yōu)秀，但是工作量也相對的有增加。將校園平面圖通過AutoCAD轉(zhuǎn)化為dwg格式的電子平面底圖，將得到的底圖導(dǎo)入3D Max中進(jìn)行三維建模，同時(shí)做好模型整合與場景優(yōu)化處理。然后再添加校園綠化。

模型建立后，可以相應(yīng)的軟件中進(jìn)行紋理貼圖。使用Photoshop處理實(shí)地拍攝的照片，把照片制作成貼圖進(jìn)入SketchUp或3D Max中對模型進(jìn)行紋理映射，為了解決場景運(yùn)行效率，可以對貼圖進(jìn)行不同等級的細(xì)分，為引擎平臺提供不同的選擇。

之后能通過三維建模軟件將地形模型和校園各個(gè)建筑模型進(jìn)行整合并且優(yōu)化后可以進(jìn)行導(dǎo)出。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）Unity3d平臺。Unity3D平臺雖然是一個(gè)專業(yè)的游戲引擎，但是在建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動畫等互動內(nèi)容領(lǐng)域同樣有著廣闊的應(yīng)用開發(fā)前景，同時(shí)也具備著獨(dú)有的核心優(yōu)勢——跨平臺，無客戶端，交互性，強(qiáng)大腳本，高速渲染（能支撐比較精細(xì)的貼圖），大型場景支持（能支撐龐大的校園范圍），在線控制（能提供實(shí)時(shí)更新模型）等。

但是Unity3D引擎對模型的要求有嚴(yán)格的限制。三維數(shù)字模型所包含的基本內(nèi)容，如場景尺寸、單位，模型歸類命名，紋理坐標(biāo)、紋理尺寸等必須符合制作規(guī)范。（因此3D Max的模型更符合Unity3D的需求。）

把通過3D Max構(gòu)建好的數(shù)字校園模型導(dǎo)出成.Fbx格式，然后再導(dǎo)入到Unity3D平臺中，根據(jù)平臺提供的交互行為模塊進(jìn)行交互設(shè)置。主要交互方式有：自主漫游方式下的攝像機(jī)控制、路徑選擇下的攝像機(jī)控制、碰撞檢測、上樓爬坡功能、環(huán)境燈光、環(huán)境天氣氣氛渲染等。除此之外還能根據(jù)不同的功能要求進(jìn)行程序腳本的編寫。還能進(jìn)行UI設(shè)計(jì)來豐富交互體驗(yàn)。

（2）VR-Platform平臺。VR-Platform（VRP）是中視典數(shù)字科技研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺。

將SketchUp或3D Max處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入VRP軟件中，編輯場景材質(zhì)，優(yōu)化場景貼圖；然后創(chuàng)建行走相機(jī)和飛行相機(jī)，設(shè)計(jì)漫游路線，以第一人稱的視角來游覽整個(gè)虛擬（VR）場景。考慮到一些「穿墻而過」這類違背現(xiàn)實(shí)的情況，以及實(shí)現(xiàn)上樓和爬坡等功能，需要設(shè)置重力效應(yīng)和碰撞檢測。為環(huán)境添加場景特效。同樣可以進(jìn)行UI設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶的意愿來全方位、多視角、多方式的瀏覽校園場景，實(shí)現(xiàn)查詢定位、信息查詢等交互性操作。

本文闡述了三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)手段。通過數(shù)據(jù)收集、模型建立和系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)步驟完成三維數(shù)字校園的實(shí)現(xiàn)。每個(gè)步驟提供了不同的方法，這些方法既可以獨(dú)立使用，也可以一起使用提高效率。最后制作的三維數(shù)字校園平臺能夠表現(xiàn)極具真實(shí)感和沉浸感展示校園場景和大量屬性信息，讓用戶產(chǎn)生身臨其境的震撼。

[1]李闖 朱靜.基于Google SketchUp的虛擬校園三維建模.《吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)》 2012.05.

[2]舒中義.基于Unity3d 技術(shù)的三維數(shù)字校園系統(tǒng)研究.《科協(xié)論壇》，2012(12).

[3]李芳,肖洪,楊波,周亮,劉宇鵬.三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).《系統(tǒng)仿真技術(shù)》,2010(1).

TP393

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1671-864X（2015）12-0196-01