基于UDK的虚拟现实技术在三维虚拟数字校园中的应用与研究

王涛

（无锡环境科学与工程研究中心 无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214153）

自20世纪80年代Jaron Lanier正式提出虚拟现实（Virtual Reality）概念以来，如今己被广泛应用于交通模拟、城市规划、虚拟现实、游戏、文物保护及远程教育等领域；虚拟现实是一项综合集成技术，涉及人机交互技术、计算机图形学及传感技术等多个领域.现在人们已经能够通过数字平台来实现非常逼真的虚拟现实景观，生成逼真的三维视觉效果，使参与者通过交互界面及装置，轻松直观地对虚拟世界进行沟通和体验，最终能够使参与者产生身临其境的感觉，还能够直接感受到虚拟环境中对象的反馈作用，尤其适用于呈现那些尚未实现或准备实施的项目，使观者提前领略到实施后的精彩结果.“虚拟校园”随因特网、网络虚拟小区、虚拟现实技术等的发展而产生，是基于现实校园对三维景观和环境数字化模拟的产物。数字化校园虚拟漫游系统是数字校园建设计划的核心平台。

现在许多规模较大的高校校园建设得都非常美，为了宣传学校的目的，都纷纷搭建了自己的虚拟校园展示系统，展现校园细节信息和全貌，公众则通过该系统，利用导航定位、自动漫游等多种模式进人虚拟校园，获得逼真体验和直观感受.更重要的是将来还可以利用虚拟现实系统这一平台，构建更为直观的数字化虚拟校园系统。

本研究以无锡城市职业技术学院为例，旨在探讨基于虚拟现实的数字化校园的技术实现，以期为数字化校园建设提供一种新的思路。

1 设计软件介绍

1.1 UDK （Unreal Development Kit）

UDK是由英佩数码公司开发的基于Unreal Engine 3引擎的免费版开发工具，是一套为Xbox 360，DirectX 9/10 PC，P1ayStation 3平台准备的完整的游戏开发构架，对 64位HDR高精度多种类光照、高级动态阴影特效和动态渲染均支持，能将数百万个多边形模型才有的高精度在低多边形数量（通常在5000-15000多边形）的模型上表现出来，如此就能用最低的计算资源达到极高画质渲染，满足了虚拟场景的真实感要求。

本文将三维数字校园虚拟场景构建及场景浏览功能通过运用UDK进行了研究，并予以了设计和实现。

1.2 3ds Max三维模型制作软件

3DsMAX是三维模型制作的主流软件之一，由于其在POLYGEN多边形建筑模型制作上的优势因此选择此软件作为此课题设计中主要的建模软件，其中有些关键技术需要多次测试才得到最高效、经济、量优的效果。

2 系统总体设计流程

无锡城市职业技术学院校区占地500亩，主要建筑包括五栋主教学楼、五栋实训楼和食堂、学生宿舍和体育馆、运动场。无锡城院三维虚拟校园系统交互设计，主要涵盖视图操作（平移、渲染、旋转、雾化、光照、视点变换）、三维漫游（沿路径漫游、绕点漫游、自由漫游）以及漫游控制等功能。用户可以在系统中通过行走、鸟瞰以及选择不同的摄像机视图等多视角观看校园景观。本系统设计流程图如图1所示。

图1 系统的制作流程Fig.1 System of the production process

本系统构建三维场景采用 Photoshop，3dsMax[9]，Crazy Bump等工具，漫游利用UDK场景实现。工作步骤具体包括三维模型的修改、模型UV（贴图坐标）的分展、法线贴图的制作、光影贴图的烘焙、贴图与模型的导出、UDK静态模型及贴图的导入、UDK制作材质、UDK搭建虚拟场景、实现场景漫游等。

3 素材收集制作与处理

校园场景建立三维场景模型的基础与依据是一维平面图，所以，对于建立一个比例正确、大小适中的虚拟校园的场景模型的关键是有一个准确的场景平面图。制作过程如下:

1）根据校园的平面分布图来确定校园大概轮廓，各街道、花园、建筑物的分布位置及大小比例；借助Google Earth卫星影像截图，各个建筑物具体的俯视图分布与形状大小得以确定，并且绘制较为精确的校园平面分布图。

2）校园内的建筑分布区域大致运用Auto CAD”直线工具”勾勒出，用相同的方法导入到Google Earth卫星影像截图，进行更加细致的描绘。并将如图2所示的虚拟校园建模底图保存为.daW格式，导入3DSMAX中，作为三维虚拟校园建模的底图。

4 创建三维模型

校园建筑的大部分模型都可用基本几何体通过变形、修改后完成。如有的建筑物的模型是不规则的，这就需要运用3DSMAX提供的强大修改工具。较常用的修改器有旋转、挤压等来创建建筑物不规则的模型，例如棱角、突起或倾斜等。如图2楼宇模型创建

图2 校园楼宇模型透视图Fig.2 A perspective view of the campus building model

1）楼群的建模可分为生活区（包括食堂、学生宿舍楼）和教学区（包括图文信息中心、教学楼、办公楼、实验楼）等。

2）校园里主干道路的建模。环境反衬法的采用，即先通过底图空出道路，然后在周围附加建筑等模型、草坪，从而大大减小了道路建模的工作量。

民生水利建设取得实效。解决30万人饮水安全问题，实施大中型灌区节水改造、小农水重点县、规模化节水增效和草原节水示范等项目，改善灌溉面积32.53万亩（15亩=1 hm2，下同）。新农村电气化县和小水电代燃料项目稳步推进。水利服务民生能力进一步增强。

3）对路灯、树木、人物等的建模。对于树木场景模型，由于树木本身结构制作时问长，复杂，系统开销增大，因此采用Billboard多边形技术（广告牌技术），利用简单的纹理映射几何绘制手段替代复杂的几何绘图。采用这种技术所建立的模型虽然稍有失真，却极大地减小了模型建模难度和绘制时间。

5 运用3ds MAX等三维建模软件进行模型构造和材质纹理的贴图

在UDK中材质的编辑采用节点连接方式，十分接近MAYA，节点运算的原理也与Photoshop的图层叠加比较接近，对于有设计基础的人来说，可以较快上手。校园内各种建筑物的模型建造一定要使用多边形建模手段，当今的绝大多数游戏引擎基本上只支持多边形几何模型。模型必须进行优化，表面多边形的冗余去除，从而将整个模型的复杂度降低.对模型的细节也必须要采用纹理映射技术如烘培贴图、置换贴图、法线贴图等来表现，象法线贴图中的每个点RGB，实际就是代表每个所对应模型UV表面法线为坐标参考系XYZ轴的分量，Z轴则是该面的法线方向，法线贴图中每个点通过定义的矢量方向来模拟校正光的反射方向，从而凹凸层次得到最终体现，通过这种技术手段可以有效地将模型的面数降低，从而使场景实时渲染时的运算量减少。

5.1 场景的优化

机器运行效率及负荷的考虑，对场景可从以下几个方面进行优化:①模型面数的减少，把一些看不见的面删除，合并同类材质的物体。插件生成的方法在近景树木中采用，而远景则使用立体交叉平面的视觉树的方法；②压缩模型贴图；③草坪则采用多边形来创建；④光源减少使用，在渲染动画时要关闭阴影。

5.2 烘焙

在3DSMAX中将物体的照明和阴影效果保存到贴图中的过程叫烘焙。由于在虚拟场景中，视角每变化1度，物体的光影效果需要计算机进行大量的计算才能算出来，这样势必大大增加计算机内存、处理器、显卡的负荷。

高真实感、高精度的光照贴图能通过3DSMAX的render to texture功能烘焙出来，从而极大减少电脑系统处理的工作量，把建筑物模型作为ase格式导出.3dsmax用户可以直接导出ase格式，再在UDK中导人ase模型文件，同时还需要导入模型的贴图。然后在UDK中进行后期编辑和调整，包括树木的设定、贴图色彩的修正、动画贴图设定、透明贴图设定、碰撞的设定和相机的设定等。

6 虚拟校园UDK交互设计

6.1 交互平台构建

交互平台是虚拟校园的核心设计。依据系统架构，将虚拟校园互动平台可分为如图3所示的6个模块。.

图3 系统交互平台的总体构建Fig.3 The overall build system interaction platform

6.2 数据库链接

数据库链接实现是虚拟校园的交互设计主要过程。先捕获用户点击对象的名称，然后依据对象名称在SQL数据库中查找到相应信息；最后通过屏幕输出信息。数据库信息查询流程如图4所示。

图4 查询数据库信息Fig.4 Query database information

6.3 虚拟场景的交互控制

实现交互功能在UDK中主要依赖下面的组件:①UDK虚幻开发工具包，用户通过相应的插件导入虚拟场景，进行各种制作、编辑。②UDK脚本有许多UnrealScript类在自己的扩展名为.uc的文本文件中，是所有交互脚本的集合。用户可以通过源代码级别的脚本调试工具的UnrealScript IDE给任意一个图片、按钮或模型编写触发函数、系统函数或自定义函数等，从而在虚拟场景中达到的互动效果。③动态贴图编辑器ATX，是动画贴图的编辑器。在模型上用户可以动态贴图，这样在运行状态下，可以看到在该模型上显示的是动态的图片，与avi效果相类似。

此外，UDK中的脚本编辑器编写相应的脚本函数要先进行初始化设置，并且要设置为点击触发式或距离触发式，这样可以保证实现数据库信息随时的更新，并且用户通过交互式漫游方式点击虚拟校园场景中出现的建筑来提供数据支持。

6.4 系统打包发布

在三维虚拟校园漫游场景中需要创建摄像机动画，所以，设定一条漫游路径是必需的。要设置物理碰撞对于真实场景模拟也是必需，对于不能穿越的对象要进行碰撞检测。

此外，在与周围环境交互的过程中，还需要添加太阳的光晕、天空盒、背景音乐等，这样整个场景将更逼真。最后，通过UDK编辑器的打包，保存并编译成可执行的。exe文件，生成虚拟漫游系统，见图5。

图5 校园漫游鸟瞰图Fig.5 Aerial view of campus roaming

7 结束语

虚拟现实技术快速发展并应用领域不断拓展的今天，在各个行业领域内，虚拟现实技术的运用前景十分广阔，然而由于专业技术的难度过大，造成长期以来，没能很好地推广应用.但灵活把游戏引擎UDK技术来运用到构建虚拟现实的校园环境、园林景观等各类场景中，有很好的扩展性且快速呈现，是那些依托复杂技术平台手段沿用固定漫游路径或者的虚拟系统无法与之相媲美的.三维虚拟校园所提供的虚拟环境，为将来支持现实大学的环境规划、资源管理和远程访问提供有效的界面服务平台，运用游戏引擎UDK创建的虚拟校园将是校园数字信息化的一个重要组成部分.也为游戏引擎UDK技术应用到数字校园建设做了有益的探索，希望能起到投石问路的作用。

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