三维虚拟校园模型构建研究
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摘要：虚拟校园的设计能够提供全方位、多方式、自由控制的场景漫游；为校园规划设计创建逼真的虚拟场景；多种校园规划设计方案的比较；不同阶段、不同时期校园发展的变化比较；满足公众参与校园规划方案的需求；实施展示规划设计方案；形成标准的三维校园信息平台，为校园管理服务。在构建虚拟校园的过程中，模型构建是基础，是建立三维虚拟校园的关键。本文以聊城大学虚拟校园的实景为研究对象，以建立聊城大学虚拟校园为目的，探讨各类三维虚拟校园模型的构建。
关键词：虚拟校园 模型 虚拟现实技术
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2011）06-0046-02
1、引言
三维虚拟校园作为虚拟城市建设的一部分，正倍受重视，将校园风貌用虚拟仿真实现，既可以为学校树立良好的形象，提高学校的知名度，宣传校园文化，让来访者足不出户就可浏览校园风光和有关介绍信息，体验身临其境的感受，又可以作为校园规划的辅助工具，提高校园管理的现代化水平，将其与学校的有关信息相结合后，可以提供给师生一个三维可视化的校园展示与查询环境，把学校建设成超越时空的虚拟大学。
模型构建是对校园实体对象按虚拟校园的可视化、漫游等要求进行构建的过程。在虚拟校园系统中，模型根据空间分布特性分为两大类：一类是以场为基础的对象，如地形、土壤种类分布等，这类对象在空间上连续分布，称为地形对象；另一类是以离散实体为特性的对象，如建筑物、树、电话亭、路灯等，这类对象以独立的个体存在，称为地物对象。模型构建是生成三维虚拟校园的第一步。
2、前期准备工作
建模的前期工作主要为对模型数据的搜集整理、材质及模型单位的统一。首先可以从学校相关部门如档案馆、基建处等获取校园的图纸资料，如学校的平面图，地形图文件、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；反映学校真实的景观纹理图内容包括建筑物、道路、水面、树木、草地、水体等等，需要注意选择不同的分辨率和精确度的数据和图片。在本项目中，采用了实地测量的方法进行数据的统计、记录。对每一栋楼体进行实地测量，获得数据，然后在CAD中对楼体进行平面图及立面图的绘制。
另外除了对模型数据的搜集整理，还要对虚拟场景中的所有可能用到的材质进行汇总，以方便调用，避免在合并场景时，对于不同人员制作的不同模型，材质出现混淆和丢失。同时，要注意模型单位统一，即在3DMAX中对模型单位统一，避免模型的大小不一。
3、模型的构建
虚拟校园系统中的地理对象按空间分布特性可分为两类：一类是以场为基础，在空间上连续分布的地理景观对象，如地形、地貌等；另一类是以离散实体为特性，以独立个体存在的地物对象，如建筑物、树木、路灯等。
3.1 地形地貌建模
地形地貌在空间上是连续分布的，是搭建虚拟校园模型系统的基础，布置地物对象模型的依据。地形对象三维模型的建立是开发虚拟校园必不可少的一个关键环节，对其他虚拟系统同样如此，聊城大学东西校区整体地势相对平坦，故对较平坦部分，将其简化为平面，用纹理映射来增加生动性；对地势起伏较大的部分，以校园地形几何数据为依据，根据实际地形和地貌，利用3DMAX进行建模。其中包括桥梁、道路、地面、路沿、假山、湖泊等模型的构建。以上均采用勾出样条线，挤出制作。生成地形的多边形表示后，再用纹理映射来增加表达的真实性。
其中需要注意的是湖泊的构建以及水的构建，建模过程中要注意各个面的拼接要准确，否则会引起模型的局部闪烁。湖泊的构建采用基本几何体组合的方法来增强立体感，然后在外部、地面和内面分别映射不同的纹理贴图来保证其真实感。
3.2 地物模型建模
虚拟校园中的地物对象以离散实体为特性，是独立的个体而存在，这些对象因其不同的结构特点而采取不同的方式来构建其虚拟模型。
3.2.1 建筑楼体模型构建
建筑楼体包括办公楼、实验楼、宿舍楼等待，这类模型的构建方法基本相似，首先根据所拍摄的建筑楼体的照片及CAD图纸确定模型的层次结构，对各层的墙体、窗户、门、栏杆、阳台等进行分析，确定建模方法。对于建筑进行建模，可以利用BOX拼接的方法建模，也可以多边形建模。
用BOX拼接的方法来构造墙体，在有玻璃的位置留出一定位置就可以表示窗户，对楼梯的做法也使用BOX堆在一起实现的，建筑的外观都可以用BOX堆积而成，这种方法简单直观，就和建筑工人盖房子一样，一砖一瓦的堆积起来就可以了。这种方法网格清晰，便于修改。但是比较浪费面数，而且浪费贴图。
另一种就是用多边形建模，对多边形的点、线、面、体四个层级进行修改是建模的主要建模方法。对点和面的编辑尤其重要，调节接点的位置可以很方便的做出建筑的外部特征，对面的编辑可以做出建筑的窗户和门，并且可以增加建筑的外部细节，对面进行挤压可以做出建筑外部的延伸部分，然后可以利用切割命令增加模型的可编辑接点和面来进行进一步操作。这种建模方法要求有空间感比较好，这样才能把握好对接点的操作。多边形建模优点在于模型网格结构清晰，模型整体性好，最后的模型往往只有几个个体，细节丰富，容易处理材质，节约系统资源，因此对于建筑楼体的模型建造采用编辑多边形的建模方法。同时考虑建筑楼体的对称等各方面特点，有针对性的采用单层建模，阵列复制和镜像复制的方法进行模型建造，以便提高制作效率。
对于建筑墙体，运用样条线挤出，多边形编辑的方法构建，窗户也使用多边形编辑方法搭建。窗、门、阳台、栏杆等同样运用多边形建模的方式制作。由于整个校园的模型较多，运行速度较慢，这里对于窗、门、栏杆等模型也可用面加材质贴图代替，这样将节省大量的资源。
3.2.2 树木、草地、路灯和地灯等模型的构建
树木的构建是整个建模过程中一个重要的环节，它是整个虚拟校园系统中出现次数最多的物体，因此，树木的真实度决定着整个虚拟校园的真实度。这些都要求利用计算机图形学技术再现自然界中的景物。但是树木的结构复杂，种类繁多，形态各异，因此对树木进行造型、绘制时存在着相当的困难。目前，树木建模的方法一般可以分为以下几种：一是十字交叉面构建树木；二是由粒子系统来构造树木模型；三是基于图像的三维树木重建；四是基于树木生长模型过程化的方法。在这四种方法中用十字交叉面来构建树木相对比较简单，虽然这种方法存在阴影效果不好等缺点，但从效率和效果两方面考虑，它需要的运算量也相对较少，通过特定的处理也可以达到很好的显示效果，能够满足了虚拟校园的基本要求，图形的显示速率可以得到很大的提高。
草地是校园中不可缺少的，它在校园中的覆盖面积比较大，因此在进行图片采集的时候，要针对不同的地区特点和光线特点，采集多幅图片，在赋材质的时候，要注意给草地多设几个多边形，以展示草地不同的特征。
路灯与地灯是虚拟校园中自身体积比较小的物体，但是它的存在会是整个校园看上去更加栩栩如生，路灯与地灯的结构一般十分精细，但是可以将一些部件不予构建，比如灯管内的灯泡、底座内的电源线等。
3.3 天空模型建模
为了能够更加真实的表现虚拟环境，就应该为虚拟环境设置背景，加上蓝天与白云。一般常用的一种方法是使用接近天空的淡蓝色清除场景的背景，但这种方法看起来太过平面化，简单粗糙，逼真度不高。还可以使用球形模型来生成天空，球形模型实际上就是一个半球面。在一个球面上进行纹理映射是比较复杂的，采用不同的映射方式会出现不同的问题，如果采用平面映射的方式，将在连接处出现纹理拉伸现象，如果采用球面映射，就可以很好的解决纹理拉伸的问题，但如果球面映射处理的不好，会在球面的极点产生纹理的聚集现象。在此从真实感和渲染效率两个方面出发，选用了球体天空，并选用较好的纹理贴图。
4、结语
模型构建的原则是快和省。快是指只对外部可视的部分进行建模，用多边形快速构建模型的外部框架；省是指要尽量减少所使用的多边形的个数，使用最少的多边形获取相同的真实感。在不影响外观效果的前提下，尽量合并能够合并的面，以提高制作效率，满足三维虚拟校园漫游等不同要求。模型的建立是构建整个虚拟校园的基础，是虚拟校园和教学环境的数字化和虚拟化实现的根本，
虚拟现实技术作为校园规划和设计的新方法有着良好的发展和应用前景。国内的一些科研院校和重点院校在虚拟现实和建模技术方面已经进行了一些开发研究工作，并且积累了一定的理论和实践经验，这为进一步的研究提供了良好的基础。因此如何吸取国内外的研究成果和经验，并结合聊城大学的校园规划和设计的自身特点，已解决研究中出现的问题，将是我们今后的研究方向。
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基金项目
聊城大学自然科学类科研项目 编号：X0810020。
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