曾雪松，呂　爭(zhēng)

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，河南信陽464000）

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構(gòu)建三維虛擬校園模型關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

曾雪松，呂爭(zhēng)

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，河南信陽464000）

［摘要］與二維數(shù)字校園相比，三維虛擬校園因其集成了數(shù)字化、可視化、信息化等多種技術(shù)而更能逼真形象地反映校園實(shí)景。本文主要分析研究了構(gòu)建三維虛擬校園的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，如三維模型建模技術(shù)、三維全景技術(shù)、紋理映射技術(shù)和貼圖烘焙處理技術(shù)等，旨在為三維虛擬校園模型創(chuàng)建和開發(fā)提供理論依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］三維虛擬校園；三維全景技術(shù)；紋理映射；貼圖烘焙

三維虛擬校園也稱三維仿真校園，是利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等來構(gòu)建校園三維立體的模擬場(chǎng)景圖和配有交互功能的數(shù)字化平臺(tái)。一方面，它是學(xué)校對(duì)外宣傳與交流的一種全新開放窗口，使用這個(gè)窗口，學(xué)生和家長(zhǎng)可以從圖文并茂、有聲有色和全方位多角度的校園特色展示中有針對(duì)性地觀察和了解學(xué)校。另一方面，使用三維仿真技術(shù)能使校園實(shí)物景觀數(shù)字化，更加直觀地展示校園空間布局，從而可為學(xué)校在景觀設(shè)計(jì)和整體規(guī)劃方面提供必要的參考。因此，從應(yīng)用前景和技術(shù)實(shí)用方面來講，研究三維數(shù)字化校園建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。

一、三維模型建模技術(shù)

校園模型主要以建筑物為主，其次是校園景觀，地形地貌。用戶最關(guān)心的往往不是校園景觀，而是校園建筑和校園建筑所能承載的文化內(nèi)涵。因此，在三維虛擬校園構(gòu)建時(shí)，應(yīng)該突出校園建筑物，針對(duì)不同的建筑物采用不同的建模技術(shù)。如要求精度高的規(guī)則建筑物，可采用基于3DS max和autoCAD結(jié)合的人機(jī)交互技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又不需要展示細(xì)節(jié)的建筑物，則可以采用點(diǎn)云建?；蛉S激光掃描技術(shù)解決。

另外，公告板技術(shù)和透明十字交叉貼圖技術(shù)能夠很好地解決三維虛擬校園景觀建模。如校園路燈、垃圾桶、警亭等規(guī)則物體建模盡可能采用公告板技術(shù)，通過貼圖把帶有Alpha通道的圖片映射到模型中，保證觀察者視角與觀察平面呈垂直狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)視覺正面效應(yīng)。對(duì)于校園樹木、花草等一系列大量不規(guī)則景觀，則采用透明十字交叉貼圖技術(shù)，即選擇兩塊長(zhǎng)寬一樣的互相垂直平面作為基面，然后將Alpha通道紋理貼圖映射到基面上，形成一個(gè)立體感視覺模型圖像，如圖1所示。在紋理貼圖圖像進(jìn)行調(diào)試時(shí)，要盡可能地注意圖像保真，直到一個(gè)令人滿意的量度為止。為實(shí)現(xiàn)校園環(huán)境真實(shí)的再現(xiàn)與烘托，還需要以校園建筑和景觀為中心設(shè)計(jì)大地、天空、山脈、河流等背景。每一個(gè)學(xué)校都有一個(gè)中心線，可以利用SketchUp軟件來對(duì)其他場(chǎng)景進(jìn)行有效組織和編排，最終形成一個(gè)遠(yuǎn)近和諧、自然真實(shí)的三維虛擬校園模型。

二、三維全景技術(shù)

借助數(shù)碼相機(jī)對(duì)物體進(jìn)行多角度、多方位的拍攝，拍攝一組原始照片，如圖2所示，然后把多張照片拼接到一張合成的全景圖，如圖3所示，利用專業(yè)播放軟件進(jìn)行三維空間展示的一種基于真實(shí)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，稱之為三維全景技術(shù)。使用這種技術(shù)可以更加真實(shí)地增強(qiáng)立體感，更好地展示空間物景效果。國(guó)外一些科研機(jī)構(gòu)和高校在使用三維全景技術(shù)時(shí)，采用一種叫做ONESHOT技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了一次拍攝取景，即通過對(duì)全景矩形投影圖的計(jì)算，然后對(duì)圖像進(jìn)行詳細(xì)拼接，最后使用網(wǎng)絡(luò)軟件真實(shí)還原三維場(chǎng)景。在我們國(guó)家，大多三維全景取景方法采用球形取景或柱狀取景。這種方法簡(jiǎn)易可行，通過全景數(shù)碼相機(jī)對(duì)物體圖像進(jìn)行多角度的拍攝，把采集到的圖像使用Photoshop專業(yè)軟件進(jìn)行完整拼接，最后使用全景漫游軟件對(duì)全景進(jìn)行二次開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)三維全景視頻顯示動(dòng)態(tài)效果，如圖像淡入淡出、音頻播放、導(dǎo)航鏈接等。

三、紋理映射技術(shù)

圖1　透明貼圖法建模原理

圖2　拍攝原始照片一組

圖3　合成的全景圖

紋理映射技術(shù)是一種有助于強(qiáng)化物體的真實(shí)感和情景性，能夠清晰地表達(dá)出物體景觀細(xì)節(jié)的處理方法。在三維虛擬校園模型中，利用近距離實(shí)地取景技術(shù)過于繁瑣，設(shè)置的遠(yuǎn)距離物體幾何模型相當(dāng)復(fù)雜，采用紋理映射技術(shù)則可以化繁為簡(jiǎn)，復(fù)雜建筑物的表象特征可以用高清圖片清晰勾畫出來。紋理貼圖映射的建筑實(shí)例如圖4所示。在進(jìn)行物像采集時(shí)，可以分類處理，如建筑物頂層圖像常應(yīng)用航空正影攝像技術(shù)拍攝，但在航拍時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)拍漏、少拍或不清的，則可以采用相近的紋理替代，或通過Photoshoop軟件進(jìn)行局部?jī)?yōu)化處理，最終形成一個(gè)協(xié)調(diào)的整體。

貼圖技術(shù)能夠很好地、逼真地展示三維虛擬校園場(chǎng)景，但因?yàn)橘N圖文件會(huì)占用很多網(wǎng)絡(luò)資源，導(dǎo)致模型的顯示速度頗受影響。因此，在處理紋理貼圖時(shí)，要盡可能使用小紋理圖像，避免大紋理圖像使用，這樣大大提高了圖像顯示效果，減少了三維模型渲染輸出時(shí)數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間。

圖4　紋理貼圖映射效果圖

四、貼圖烘焙處理技術(shù)

簡(jiǎn)單地說，貼圖烘焙技術(shù)就是先把光照信息渲染成貼圖的方式，然后把烘焙后的貼圖再貼回原場(chǎng)景中去的方法。光照信息變成了貼圖，增強(qiáng)了模型的真實(shí)感和亮度，不需要CPU再去費(fèi)時(shí)計(jì)算，提高了場(chǎng)景渲染速度。

貼圖通常由高清數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得，圖片清晰度越高，圖片占用內(nèi)存越大，模型的渲染耗時(shí)長(zhǎng)，顯示速度就明顯降低，因此，處理貼圖需要兼顧考慮質(zhì)量和速度二者的矛盾。為了解決這個(gè)難題，可以首先從基礎(chǔ)工作做起，當(dāng)拍攝貼圖時(shí)，盡可能使用相機(jī)沿著垂直方向旋轉(zhuǎn)拍攝，從而減少后期圖像拼接運(yùn)算量；同時(shí)，利用PhotoshopCS6，Gif movie gear等常用軟件對(duì)圖像進(jìn)行污點(diǎn)清除、對(duì)比度調(diào)節(jié)、方位調(diào)節(jié)、色彩調(diào)整、鏤空裝飾等，進(jìn)而形成一張無縫平鋪的貼圖，并存儲(chǔ)為壓縮率高的JPG或PNG格式。

另外，不需要使用貼圖烘焙的門框、窗戶、玻璃和欄桿，盡量不用烘焙；需要使用烘焙的物體貼圖遵循滿足圖像清晰展示的前提下，應(yīng)盡可能地控制烘焙貼圖尺寸大小，尺寸規(guī)格使用2的n次方規(guī)劃。據(jù)相關(guān)資料論證，小型物體的貼圖烘焙尺寸應(yīng)盡量不超過128×128，一般建筑物貼圖烘焙尺寸只需512×512即可，大型建筑物烘焙貼圖尺寸選擇1024×1024就好。通過上述兩種方法，就可以大大提高貼圖質(zhì)量，也不明顯降低模型顯示速度。

隨著智能跨平臺(tái)終端設(shè)備的廣泛應(yīng)用，以及四網(wǎng)融合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，梳理和研究三維虛擬校園模型建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)具有實(shí)用價(jià)值，三維數(shù)字化仿真校園開發(fā)也將成為新時(shí)代全真虛擬技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。高清、逼真的三維數(shù)字化仿真校園將承擔(dān)的不僅僅是學(xué)校形象展示的功能，還將整合學(xué)校教學(xué)、學(xué)術(shù)科研以及相關(guān)業(yè)務(wù)查詢等功能，必將推動(dòng)校園數(shù)字化平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展。

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［中圖分類號(hào)］TP

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1673- 0046（2016）4- 0173- 02