三维校园虚拟现实研究.pdf
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1、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
2、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
3、, 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
4、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
5、 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、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
7、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
8、 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
9、 , 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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 。
16、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
17、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
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