【正文】 路燈 、 垃圾桶、宣傳標(biāo)語 、行人 等物體。修飾環(huán)境主要分為五類。為了美觀起見，在模型中的綠化往往比實(shí)際更多、更好。然后還要對插入一些其他的植物進(jìn)行點(diǎn)綴，比如樹木、灌木，以及月季花等。另外，場景中還 可 適當(dāng) 地 放 入椅子、路燈等，增加 場景的真實(shí)感。第三，樹的疏密程度也是有講究的。灌木也盡量避免一條線擺放，除非是在大馬路的邊上。對路燈的建模有兩種。因?yàn)樾@里的環(huán)境比較素凈典雅，所以一般都是將燈設(shè)置為淡白色 。雖然現(xiàn)在計(jì)算機(jī) CPU 與圖形處理器發(fā)展都很快，但是普通 PC 機(jī)還是不能運(yùn)行太大的三維場景。 由于視線的方向性、視角的局限性以及物體相互遮擋，人 的肉 眼所看到的往往只是場景 中 的一部分。 多細(xì)節(jié)層次 (Levels Of Detail)技術(shù) 多細(xì)節(jié)層次 (LODs)技術(shù) 為 控制 三維場景 模型場景復(fù)雜度 提供一個(gè)十分有效的方法。另外，當(dāng)物體投影在屏幕上所覆蓋的區(qū)域比較小的時(shí)候，沒有必要用該物體細(xì)節(jié)描述非常復(fù)雜的模型去描述它。 27 實(shí)例 (Instance)技術(shù) 實(shí)例技術(shù)在 三維 場景 模型的建造 中是十分重要的。如果把這些完全一樣的模型都調(diào)入內(nèi)存，勢必造成極大的浪費(fèi)。因而，實(shí)例技術(shù)在大規(guī)模場景的建造中有著十分廣泛的應(yīng)用。對于這些 只是用于 環(huán)境裝飾 的物體 ，并不是 要重點(diǎn)展示的 ，如果都用實(shí)體表示，所帶來的資源耗費(fèi)將是無法接受的。因此，紋理映射技術(shù)的使用將極大降低場景的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)逼真度和運(yùn)行速度的平衡。因此 ，每一幅參與映射的紋理都有自己的一個(gè)映射的坐標(biāo)地址，并用文件的形式保存起來。一般情況下，建筑物都使用的是不透明紋理技術(shù)，只要將從對象采集來的照片進(jìn)行處理，使之成為正射圖片 后反貼回三維模型上面 。透明紋理的應(yīng)用，大致可以歸納為兩類。 公告牌 是增加圖形真實(shí)感的一種常用手段。這樣，在植物生長場景中進(jìn)行虛擬 漫游時(shí)，所有的 BillBoard 都朝向視點(diǎn)位置 （如圖 53所示） [11]。 (a) 渲染前 (b)渲染后 圖 53 公告牌 (BillBoard)技術(shù) 另一種技術(shù)是作兩 個(gè)或多個(gè)互相垂直的交叉面技術(shù) （如圖 54所示） 。30 相對于前一種方法，它雖然省去 制作 上的麻煩，但是也增加了不少圖形繪制的負(fù)擔(dān) 。紋理的拼接技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)的建模中有著很廣泛的應(yīng)用。 (a)基元紋理 31 (b)紋理拼接 圖 55 紋理的拼接 貼圖烘焙 簡單地說 ， 貼圖烘焙技術(shù)就是一種把 max 光照信息渲染成貼圖 后再 把這個(gè)烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術(shù)。 3ds max 中的“渲染到紋理”工具可以將各種場景元素渲染或“烘焙”到紋理中，包括照明和陰影。 下面主要介紹貼圖烘 焙的步驟： 第一步 ： 對整個(gè)場景設(shè)置 target direct light（模擬太陽）燈光和 skylight（模擬自然光）燈光來模擬實(shí)際的場景光線。 第三步 ： 選擇單個(gè)或多個(gè)模型，對其進(jìn)行貼圖烘焙。貼圖烘焙后的效果如圖 56所示。并且所烘焙出的大貼圖攜帶全部 的光影信息如亮部、暗部、陰影以及光能傳遞計(jì)算出的溢出色彩等。比如項(xiàng)目要求表現(xiàn)夜景，那就要多設(shè)置一些有色彩感的 Omni light使其有夜景人工燈照射的感覺。這種技術(shù) 可以 實(shí)現(xiàn)把費(fèi)時(shí)的光能傳遞計(jì)算應(yīng)用到動畫中去的實(shí)用性，而且也能省去討厭的光能傳遞時(shí)動畫抖動的麻煩。 將物體的 光照信息變成貼圖，不需要 CPU 再去費(fèi)時(shí)的計(jì)算而只 算普通的貼圖 ， 這就 加快了 CPU 的運(yùn)算速度 。如圖 55(a)為基元紋理， 55(b)為基元紋理拼接出草坪的表面紋理。 (b)渲染前 (b)渲染后 圖 54 交叉面技術(shù) 在現(xiàn)實(shí)世界中，面積極大的馬路路面的紋理都是一樣的，同樣的現(xiàn)象還存在于諸如天 空、水池、草地、廣場地面、建筑的墻面等。例如作一個(gè)二叉面，則就必須繪制 2 個(gè)面。它的優(yōu)點(diǎn)是速度快，在平地觀測視覺效果好。 BillBoard 可向任意方向轉(zhuǎn)動。對于這類物體的處理比較麻煩，下面以樹木的透明紋理為例，介紹兩種解決方法。 圖 52 不透明紋理映射技術(shù) 透明紋理是通過紋理技術(shù)和融合技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)的。 不透明紋理在制作、紋理映射等方面都比透明紋理來得簡單，在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中應(yīng)用的最多。 紋理映射也有好幾種不同的技術(shù)。另外，采用紋理映射技術(shù)還可以使遠(yuǎn)方的周圍環(huán)境 (如高山、大海、森林等景物 )簡化為一幅紋理圖像。利用紋理映射，可以 用 很低的代價(jià)來生成復(fù)雜的視覺效果。采用內(nèi)存實(shí)例的主要目標(biāo)是節(jié)省內(nèi)存，從這個(gè)意義上來講，內(nèi)存占用少，顯示速度會加快，但同時(shí)由于物體的幾何位置要通過幾何變換得到，又會影響速度。例如 ，在馬路上、廣場上、大量存在著幾何形狀完全一樣的各種路燈，同種燈之間的差別僅在于所處的位置、方向、大小不一樣 （如圖 51 所示） 。 所以 在繪制時(shí)，如果一個(gè)物體離視點(diǎn)比較遠(yuǎn)，或者 該 物體比較小，就可以用較粗 略 的 LOD 模型 來 繪制。 LOD 方法的基本思想是：對場景中的不同物體或物體的不同部分，采用不同的細(xì)節(jié)描述方法。所以要對 模型數(shù)據(jù) 進(jìn)行檢索 ，當(dāng) 檢索出一部分 時(shí) ，該部分經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和透視投影產(chǎn)生屏幕上可 顯示的 圖像 。下面就常用的幾種場景生成與顯示的優(yōu)化 策略和相關(guān)技術(shù)作一介紹和分析。計(jì)算機(jī)在生成三維場景時(shí)的計(jì)算量很大，三維圖形生成和顯示的實(shí)時(shí)性就成為產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)感覺的首要條件。這種方法好處是路燈立體感強(qiáng)，效果好，但是建立過程比較繁瑣，需要組合很多的小短線和一些類似于球體的小燈，燈的大小，高度都要反復(fù)實(shí)踐才可以設(shè)計(jì)的美觀。 非常常見的，它的種類有很多。讓樹成一條直線的情況除了出現(xiàn)在馬路邊外，在其他情況中是要避免使用的。 第一，樹種要多，不能老是一種樹，免得單調(diào)。在插入的過程中還應(yīng)該注意，要注意樹與樹之間的搭配、樹與灌木之間的搭配、灌木于灌木之間的搭配。 半25 球面 方法 是 用球形工具制作出一個(gè)半球，翻轉(zhuǎn) （ Flip） 法線后給其賦予一張?zhí)炜召N圖就可以得到一個(gè)效果 很好 的天空盒 ； 天空盒是由六張無逢貼圖實(shí)現(xiàn)的一個(gè)盒子模型體 ， 它是由六個(gè)面構(gòu)成一個(gè)天空盒 ， 貼上云彩和山水圖片 ， 就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)矩形面的天空 。第二類是綠化，包括樹木、灌木、植被、花壇等；第三類是路燈； 第四類是綠化帶，包括噴泉、假山、雕塑。 眾所周知，建筑物周圍還有很多修飾物，例如花壇、路燈等 ， 這些修飾物能起到襯托建筑物的作用。花壇的結(jié)構(gòu)很簡單，它包含一個(gè)花壇的邊框，中間 放上一些小 草 、 樹、灌木和路燈等 。所以可以 在 拐彎處設(shè)置成一些子面，然后分開 貼圖 ，效果就會好很多，本場景用的就是這種方法。例如，馬路上的花壇長度可能比實(shí)際花壇長度長出一些。經(jīng)過對校園道路的仔細(xì)觀測研究 ， 發(fā)現(xiàn)這條路大體有三部分組成。所以，建造道路的時(shí)候，一般是先 建出一段有代表性的道路，然后不斷復(fù)制這段路。因?yàn)樗母叨容^高 ， 是一個(gè)很醒目的建筑，所以建模過程一定要細(xì)致。這樣，模型所包含的信息量大、三維立體感強(qiáng)，體現(xiàn)豐富的細(xì)節(jié)。一般還必須到建筑物的現(xiàn)場區(qū)勘測實(shí)際建筑的尺寸，確認(rèn) CAD 圖紙是否是最新的，并實(shí)地測量一些感興趣的數(shù)據(jù)。一般來說，對于越重要的建筑，模型就建得越詳細(xì)，面片數(shù)也越多；對于越不重要得建筑，模型就建得越簡單，面片數(shù)也就越少 。制作柱子及其他裝飾物后，就可以得到最后的體育館模型，如圖 48所示。得到的模型如圖 45所示。 (a) (b) (c) 圖 44 可編輯樣條線對象屬性 步驟二，轉(zhuǎn)到樣條線層級，選擇外圍主體的樣條線，對其進(jìn)行輪廓操作，這樣可以得到一對樣條線。利用 3D max 的各種建模工具和修改器可以很方便的將模型建造出來。上面的三層到六層是一個(gè)整體，外觀基本相同，每一層得高度大約為 4米。 第一步，先進(jìn)行實(shí)地考察，也可參照效果圖，觀察樓房的結(jié)構(gòu)。這可以通過觀察建筑物的效果圖和到現(xiàn)場觀察來達(dá)到。這樣在編輯的過程中也可以只打開要編輯的層，避免由于各種地物雜亂的放置在相同的層里面。 另外，從 CAD 數(shù)據(jù)下直接導(dǎo)入的地形圖由于應(yīng)用的目的不同，要進(jìn)行圖層的整理：添加新的圖層、合并一些圖層、或是細(xì)化一些對象。所以需要對得到的 CAD 圖紙進(jìn)行整理。梧州學(xué)院位于梧州市市郊的丘陵地帶，地形復(fù)雜且面積 相對 較小。然后，把各區(qū)域場景與總地形相匹配并集成進(jìn)總地形中 ，并對總集成場景進(jìn)行環(huán)境修飾，例如添加天空、白云、樹木、植被等 。 建模流程 如圖 42 所示，建造基礎(chǔ)模型場景庫流程是：首先是獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要 為CAD 圖 紙 。第二，模型必須與原型具有某種程度的相似性。目的和要求不同，模型建造的復(fù)雜度也必然不同。每個(gè)部分可以看 成 是 原型的 一個(gè)子模型。 建模時(shí)， 首 先 應(yīng) 考慮模型的簡要性，然后再逐步細(xì)化，構(gòu)造出一個(gè)精確 的 模型。模型的精確性是指模型要能精確地反映出原型的基本特征以及準(zhǔn)確位置。 對象需要說明的屬性信息不但包括與幾何形狀有關(guān)的信息，例如樓層的高度，還有一些與對象的幾何形狀無關(guān)的如對象的名字、對象的用途等等。 通常情況下，一個(gè)大的場景都是由 許多各種不同的對象構(gòu)成的，每個(gè)具體對象有自己的坐標(biāo)位置。使用專門的建模工具就可以對多邊形添加材質(zhì)、光照、顏色、表面紋理等屬性。 幾何建模是 利用 用計(jì)算機(jī) 產(chǎn)生 出許多各式各樣的多邊形 面片 ， 用 這些面片 拼構(gòu)成所 虛構(gòu)的模擬對象的立方體外形， 以 達(dá)到與真實(shí)物體在外觀上“形似”。地形建模可以將收集到的 資料 如遙感影像 、航拍照片等 處理成 CAD 圖紙 ，然后可以運(yùn)用 CAD 圖紙中的 等高線進(jìn)行 Terrain 生成 CV 曲面。向?qū)W院相關(guān)部門索取資料和自己的就地取材后，得到以下材料： CAD 地形圖； ； 、復(fù)雜地形基本幾何數(shù)據(jù)； ； 、植被基本綠化數(shù)據(jù)； 、樹木、植被、文字等紋理 (可以 用數(shù)碼相機(jī)采集然后用圖像處理軟件進(jìn)行處理 )。通過該系統(tǒng)，用戶不但可以有選擇性地對學(xué)校的景點(diǎn)和場所進(jìn)行走訪和參觀，還可以查詢了解學(xué)校各種不同的具體路線，更重要的是通過該系統(tǒng)可以讓用戶迷路情況下找到想前往目的地 ，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程 如圖 31 所示 。 ，其中包括流水、行車、太陽、天空、霧效等。減少內(nèi)存消耗 的方法在會在 第五 章節(jié)介紹 現(xiàn)階段普遍使用 的四種方法，即可見性判定與消隱 技術(shù) 、 多細(xì)節(jié)層次 (Levels Of Detail)技術(shù) 、實(shí)例技術(shù)和紋理映射 技術(shù) 。主要的包圍盒算法有 ： 軸向包圍盒 ( AABB )、包圍球 ( Sphere)、方向包圍盒 (OBB)、離散方向多面體 (KDop)、固定方向凸包 (FDH)。因此 ， 減少相交測試的對象數(shù)目 ， 提高算法的實(shí)時(shí)性成為碰撞檢測的核心問題 [7]。進(jìn)行精確的碰撞檢測 ， 對于提高虛擬環(huán)境的沉浸感有著至關(guān)重要的作用 ， 而虛擬環(huán)境自身的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性對碰撞檢測提出更高的要求。 一般來說，模型的多邊形引起走樣主要由下面兩種情況。第一種是采用反走樣技術(shù)。問題是，當(dāng)繪制的圖像是處于“運(yùn)動”狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)就會在 該 像素點(diǎn)內(nèi)不斷更替多個(gè)紋理象素，就發(fā)生走樣現(xiàn)象。當(dāng)各屏幕像素中的可見曲面區(qū) 域與紋理象素大小相匹配時(shí)，它們之間形成一對一的映射。因此，抑制走樣問題就成 為 漫游系統(tǒng)的重要內(nèi)容。 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，所謂“走樣現(xiàn)象”指的是， 計(jì)算機(jī) 在 實(shí)時(shí)繪制圖像時(shí)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屏幕某些區(qū)域不斷“閃爍”的現(xiàn)象。 表 21 校園的三個(gè)高度平面 水平高度 包含的校園面積 0 米 體育館、綜合教學(xué)大樓（包括大草坪）、一棟、行政樓、校 門、教室宿舍區(qū) 5 米 A1A4 宿舍區(qū)、 A10 宿舍、實(shí)驗(yàn)樓區(qū)、桃花島部分、舊食堂、籃球場、 綜合樓 10 米 足球場、風(fēng)雨球場、新食堂、 A5A9 宿舍區(qū)、環(huán)山大道 18 米 圖書館 由此，校園的地理環(huán)境就可以確定下來。為此，本系統(tǒng)使用的主要的解決方法有：做簡模、模型場景的優(yōu)化、合理分布模型的密度、刪除看不見的面、用紋理映射技術(shù)表現(xiàn)復(fù)雜造型等 。 計(jì)算機(jī)硬件問題 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的三維校園漫游系統(tǒng)是為校園參觀者或?qū)в握咛峁┑囊环N更為便捷的仿真可視化漫游，主要用于幫助不了解校園的參觀者或?qū)в握咴诓坏綄W(xué)校的情況下能對校園景觀進(jìn)行了解 。 9 第二章 技術(shù)難題及解決方法 在三維場景 的建造過程中，比較大的問題往往出現(xiàn)在場景的制作階段和最后的場景優(yōu)化階段。 作為廣西的 10 幾所本科院校之一 ， 梧州學(xué)院 在其 26 年的建校 歷程中，得到了社會各界的廣泛 認(rèn)可 。 它具有校園對外宣傳的功能 ， 給普通用戶搭建一個(gè)了解校園的良 好平臺 ， 使用戶可以全面直觀地了解校園 ， 對校園的各種景觀建筑的屬性進(jìn)行查詢。信息化時(shí)代的到來，使網(wǎng)絡(luò)虛擬展現(xiàn)有了很大的沖擊性，被廣泛應(yīng)用于房地產(chǎn)、醫(yī)療、教育、軍事航天等領(lǐng)域。CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出 一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，還研制出 在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算8 法；哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術(shù)問題；清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場感的方面進(jìn)行了研究；西安