三维数字化校园动漫设计与实现

孙君菊， 曾雪松

(信阳职业技术学院 数学与计算机科学学院， 河南 信阳 464000)

三维数字化校园动漫设计与实现

孙君菊， 曾雪松

(信阳职业技术学院 数学与计算机科学学院， 河南 信阳 464000)

系统研究三维数字化校园开发的现实意义、三维数字化校园构建相关技术和理论、三维数字化校园开发的系统需求分析和总体设计、三维数字化校园模型的创建以及三维数字化校园动漫设计与实现等主要内容。该课题的研究与实施，为信阳职业技术学院三维数字化校园的开发奠定了良好的理论和实践基础。

三维数字化校园；建模技术；虚拟技术；漫游动画

随着高校招生宣传和学校软硬件建设发展的需要，三维数字化校园建设必将成为高校社会形象工程的一个典型代表。对于学校招生宣传、师生交流互动、教学信息查询、校园未来设计与规划等都有非常重要的现实意义。主要表现为：(1)促进招生宣传。学校要招生，学生要上学，搭建互相交流、互相了解的平台至关重要，三维数字化校园动漫系统就是一种很好的互通渠道。通过网络，可以让家长和学生全面了解学校的基本情况。(2)学院的公共设施等教学资源很多,有了三维数字化校园动漫系统之后，对在校师生以及参观者来说，不失为一个最佳向导。(3)三维数字化校园动漫系统能直观地展示校容校貌，是清晰展示校园风貌的最佳选择，对校园规划设计与建设有重要指导意义。

1 三维数字化校园的构建

1.1 三维数字化校园构建的主要理论依据

虚拟现实技术[1]是以计算机技术为核心,结合地理信息技术和图形图象技术，生成集视、听于一体的虚拟技术。用户借助网络或计算机与虚拟世界中的对象进行交互,产生真实的感受和体验。虚拟现实技术是现代新技术研究的热点，涉及多媒体技术、计算机图形学、系统仿真技术等多个学科技术。虚拟现实有两个组成部分:一是通过计算机相关软件所开发的虚拟环境；二是想访问这个虚拟世界的来访者。虚拟现实尽可能满足用户输入自己的意愿到系统,系统则把感官信息反馈给用户,强调用户与系统之间的交互功能。

三维数字化校园[2]利用虚拟现实技术、多媒体技术、计算机技术等多种新技术进行信息资源整合开发，实现对真实校园的三维景观和教学环境的数字化和虚拟化。三维数字化校园的构建以真实环境为依据，以平面布局与空间层次为参照，以三维模型和实际尺寸为基础，以虚拟仿真技术为支持，模拟虚拟校园建设，使三维数字化校园与真实校园能够在客观上相似或相同，在视觉上产生真实感。

虚拟校园构建的基本功能包括场景漫游和人机交互，给用户参与其中的机会，实现游览仿真校园自然景观、人文景观，直接看到或者感受到校园真实面貌的功能。

1.2 三维数字化校园的构建平台

三维数字化校园模型的建立是三维数字化校园系统构建的基础。不同的建模平台对场景模型优化处理方式不同，将会直接影响虚拟校园的真实性。三维数字化校园建模的工具有很多种，较为常见的有SketchUp、Maya、3DSMAX等，本例采用3DS MAX软件建模。3DS MAX软件[3]的工作界面与常用图形设计软件界面相同，简单易用，所有操作按钮均在界面显示，所见即所得，同时软件采用模块化标准设计模式，相近或相似功能的操作按钮分类存放，使用操作更加人性化。3DS MAX突出的特点是几何建模，主要用于对三维场景景观、三维虚构环境以及角色的建模，可以兼容其它软件，提供多种输出文件格式。此外，在动画渲染、网格生成、多边形处理以及材质参数设置等方面功能卓越。因此，使用3DS MAX软件建模，是一种性价比不错的选择。

三维建模是创建、仿真一个真实环境，交互则是与环境进行沟通交流、增进用户感情的一种有效方法。因此，设置良好的交互访问是很重要的。常见的虚拟开发软件有很多种，国外最著名的有Vega、Mutilgen Creator、3DVIA Virtools等；国内最新开发的有VRML、VR-Platform、X3D等。VR-Platform[4]是中视典公司开发的虚拟现实开发软件，具有强大的3D图形处理能力，兼容windows操作系统的多种版本，能够开发出支持网络版和单机系统版且实时性能较强的多角度播放的虚拟校园动画漫游系统，因此本项目选择VR-Platform作为虚拟现实平台开发软件。

2 三维数字化校园开发系统的总体设计

2.1 三维数字化校园开发的系统需求分析

开发三维数字化校园需以现实校园作为基础，为了能够真实反映校园风貌，要求场景中的建筑物、基础设施以及环境绿化在形状、氛围以及光感等方面都必须仿真。基于虚拟现实的交互性、构想性和沉浸感等特点，主要为师生日常工作和生活提供便利，达到促进学校规划和宣传的作用，信阳职业技术学院新校区三维数字化校园的构建力求实现以下功能:

(1)展示全景功能[5]。三维数字化校园需要实现基本场景浏览功能，用户不但可以全景观看预先制定的三维数字化校园动漫，还可以利用键盘或鼠标对三维数字化校园进行全景旋转，同时可以选取背景音乐进行气氛烘托。

(2)碰撞检测功能。为了避免场景人物漫游时出现“穿墙而过”或“空中漂浮”现象，设计系统碰撞检测响应功能，确保用户在虚拟场景中动作和行为的效果能与现实生活中一样。

(3)漫游展示功能。交互式漫游[6]就是用户自主选择参观的路线和感兴趣的景点，通过行走相机的形式自主改变参观视野和角度、调节漫游的方向和高度设置，可以使用键盘的功能键或鼠标来调节漫游的速度，从而达到最佳的访问效果。另外，自动漫游又叫固定路径漫游，设计者为了给访问者提供一条展示校园特色的漫游路径，选择真实校园中有代表性的建筑物和人文景观，设置一定的漫游时间和展示信息，从开发者的角度去了解学校实情，感受真实的校园风景。

2.2 三维数字化校园开发的系统总体设计流程

本系统设计开发主要分三个阶段:数据准备阶段、模型创建阶段和交互设置阶段。因为要考虑系统的运行速度和效率，所以设置时需注意考虑整个系统的呈现形式和相关功能参数，如相机设置、交互设置、碰撞检测设置以及背景音乐添加等都要兼顾。本项目旨在开发信阳职业技术学院新校区三维数字化校园系统。信阳职业技术学院校新校区占地2000多亩，坐落在交通便利的羊山新区。校区依地势造景，校园建筑清新素雅，将学校文化底蕴与现代教育特色相融合，营造出综合、科技、人文、生态的主题。三维数字化校园总体规划效果如图1所示。

图1 三维数字化校园总体规划效果图

3 三维数字化校园模型的创建

3.1 建筑模型

3DS MAX中常用的建模方法主要有简单模型建模和复杂模型建模两种。简单建模利用基本几何体进行组合构成复合几何体建模，或利用挤出、放样、车削、倒角等命令将二维图形转换为三维图形建模；复杂模型建模将长方体、圆柱体等简单几何体转换为可编辑的多边形，通过加工处理多边形的各个子对象来实现建模。以信阳职业技术学院新校区护理学院大楼为例，模型如图2所示。

图2 护理学院大楼模型

3.2 地物模型

信阳职业技术学院新校区景色优美、生活设施齐全，校园景观主要包括树木、座椅、路灯、人工湖、喷泉广场等。郁郁葱葱的树木和娇艳芬芳的花草都象征着学校深厚的历史文化底蕴，不但给人一种幽雅宁静感，也能给人一种真实感。系统采用了目前较为流行的Doubleboarding技术[7]，使用图像代替实物的模型设计方法，即把一个准备好的树木或花草贴图贴到两个互相垂直的模型表面并进行透明处理，设置好ALPHA值。植物模型如图3所示。

图3 树木模型

3.3 地形模型

地形模型主要用于描述地面的起伏状况，用于提取各种地形参数并进行透视分析。其表达方法有多种，包括等高线、三角网和网格等。本系统地形模型采用校园原始地形测绘CAD图纸，利用AUTOCAD2010进行建模。

3.4 模型导出

模型是三维数字化校园的核心，模型出现在3DS MAX建模阶段以及在VR-Platform编辑器中进行三维数字化校园相关功能设置的交互阶段。3DS MAX与VR-Platform编辑器的连接插件可以自行安装。模型导入过程是先找到VRP导出插件，根据需要选定导出选择集命令或导出全部命令，系统会根据相关参数要求进行系统检测，弹出信息提示框，其中包括模型数量、错误提示等内容，如果出现错误提示就不能立即导出，需要依据错误提示回到3DS MAX编辑状态进行修改,直至VR-Platform编辑器没有错误提示信息为止，说明系统检测通过，就可以完成模型的最后交互使用了。

4 三维数字化校园动漫设计与实现

按照三维数字化校园预期目标功能设计要求，首先对真实校园对象进行模拟，然后对三维模型对象进行相关设置，实现三维虚拟场景交互功能。在单机系统中显示三维数字化校园场景，用户能够不受限制地浏览场景中的景观，并通过交互访问实现在真实世界中观看的感受效果。因此，在三维数字化校园动漫实现中，需要做好相关设置，如碰撞检测、创建动画、相机设置、音效设置以及数据库设计等，这样才能实现三维数字化校园动漫功能。

4.1 碰撞检测

通过设置碰撞检测，实现系统的实时监测，避免用户在场景中与虚拟物体发生碰撞；用户在虚拟环境中漫游时产生互动响应，让用户体会漫游真实世界的舒适感。在设置碰撞效果时，VR-Platform平台软件首先需要检查虚拟对象的完整程度和虚拟场景的结构，然后使用软件平台中的物理碰撞功能面板设置相关的碰撞检测属性及参数信息。在设置物理碰撞时，可以根据碰撞检测的属性特点和实际需要为选定的对象添加碰撞检测功能，从而实现三维虚拟场景的漫游碰撞检测功能。

4.2 相机创建

在三维数字化校园中漫游时，需要创建相应的相机[8]，即模拟人对应的视角，让用户以一定的视角来浏览整个三维数字化校园场景。VR-Platform编辑器提供的相机有多种，本项目中用到的主要有飞行相机和行走相机。飞行相机用于游览、俯瞰整个三维数字化校园的全貌；行走相机让用户以第一人称的视角, 自主选择浏览，360度全视角观察整个虚拟场景。为了给用户提供自由的、不同视觉角度的三维数字化校园场景浏览方式，可以综合使用不同类型的相机功能。相机之间可以通过相机脚本设计来切换，先创建一个按钮，然后对这个按钮设置对应的脚本内容并保存，通过按钮来选择不同相机，完成相机不同功能设置。以学院大门为参照物进行飞行旋转的飞行相机设置，如图4所示。行走相机设置示意图如图5所示。用黄线和红点表示动画相机的路径和节点，如图6所示。

图4 飞行相机设置图

4.3 特效设置

好的背景音乐能够让校园立即活跃起来，能够增强用户的舒服感，使三维数字化校园场景显得自由生动。通过脚本编辑器添加背景音乐，在脚本编辑器中插入设定音乐的语句，设置音乐播放控制属性相关参数即可。

图5 行走相机设置图

图6 动画相机漫游路径

为了增强对现实世界虚拟仿真的表现力，通常在虚拟场景完成后，通过脚本函数的设置添加场景特效。把前期制作的天空球导入VRP编辑器中生成自己特有的天空球，给VR场景添加太阳光晕，按照光照方向和虚拟场景投影方向一致的原则，对天空球角度和太阳光晕的角度进行调整，使其符合自然规律。

4.4 数据库创建

为了增强虚拟场景的真实性，实现三维数字化校园场景的交互功能，需要添加外接的数据库，实现用户与虚拟对象的交互功能。借助VRP编辑器提供的数据库插件，将数据库关联到三维数字化校园场景中，让用户在系统中漫游时能够选择任意模型对象，并了解相关对象的详细信息。使用微软的Access关系型数据库，文件扩展名为.MDB,数据库都以文件形式保存。

4.5 系统功能优化

为了创建一个运行高效、快速、流畅的三维数字化校园系统，同时确保系统具有良好的交互性、沉浸感和仿真性，系统优化思想会贯穿于整个三维数字化校园开发过程中，从模型优化、贴图优化、实例优化、效果优化等方面总结优化经验。

4.6 项目发布

三维数字化校园设计开发的最后一道工序是系统打包发布。将三维虚拟场景、各种相机设置、音乐文件和特殊光效文件以及VRP控制插件全部打包，编译成可独立执行的EXE文件。

4.7 运行效果

三维数字化校园系统经过编译打包发布后，打开三维数字化校园可执行文件，文件运行界面如图7所示，系统运行主界面如图8所示。

图7 三维数字化校园初始界面

图8 三维数字化校园运行主界面

5 结语

三维数字化校园是虚拟现实技术在教育领域的实际应用，虚拟现实技术是三维数字化校园系统实现的技术支持。给受访者提供了一个很好的仿真环境，让其漫游在校园场景之中，再现真实的感受，因此对三维数字化校园的研究具有重要的现实意义。

[1] 李敏.虚拟现实技术综述[J].软件导刊,2010(6):142-144.

[2] 陈涛.三维校园虚拟现实研究[J].北京石油化工学院学报,2010(2):45-49.

[3] 刘晓光.试析3ds max软件在三维效果图构建中的应用[J].软件,2013(3):134-135.

[4] 梁智杰.VR-Platform校园漫游系统研究与实[J].计算机系统应用,2010(9):124-127.

[5] 杨亚让.基于X3D的虚拟现实全景技术设计[J].绵阳师范学院学报,2009(2):82-85.

[6] 魏勇.基于VRML的虚拟校园交互式漫游系统的设计与实现[D].长春：吉林大学,2011.

[7] 陆凯.虚拟校园三维场景表现方法与实现[D].石家庄：河北师范大学,2011.

[8] 张锦鸿.三维校园漫游动画设计[D].广州：华南理工大学,2012.

[责任编辑 吴保奎]

2017-01-26

河南省教育科学“十三五”规划2016年度课题(课题编号：[2016]-JKGHB-0394)

孙君菊(1979-)，女，河南南阳人，讲师，研究方向：多媒体技术，教育学。

10.3969/j.issn.1671-7864.2017.02.005

TP391.41

A

1671-7864(2017)02-0016-04