【正文】 .... 26 實例 (Instance)技術(shù) ........................................... 27 紋理映射 (Texture mapping)技術(shù) ................................ 27 貼圖烘焙 ..................................................... 31 IV 第六章 三維引擎制作 ................................................. 33 模型的導(dǎo)出與導(dǎo)入 ............................................. 33 場景處理 .......................................... 33 制作導(dǎo)航圖 ................................................... 33 界面設(shè)計 ..................................................... 34 特效制作 ..................................................... 36 引擎實現(xiàn) ..................................................... 37 編譯輸出 ..................................................... 39 結(jié)束語 .............................................................. 40 參考文獻 ............................................................ 41 致 謝 .............................................................. 42 1 前言 進入 21 世紀以來，以信息技術(shù)為代表的科技革命迅猛發(fā)展，信息和知識已成為當(dāng)今社會發(fā)展的動力和經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。 三維校園漫游系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)開發(fā)的三維校園視覺仿真漫游系統(tǒng)。文中還著重闡述了紋理映射技術(shù)，分析了各種情況下的紋理映射技術(shù)。 在傳統(tǒng)的 表現(xiàn)方法 中，如果用戶想換個角度或是換個高度來觀察對象，那就會帶來很多的麻煩，有時也是難以實現(xiàn)的。 本文論述了校園漫游系統(tǒng)開發(fā)的目標和實現(xiàn)的功能，并重點介紹 系統(tǒng)分析與設(shè)計、三維建模、紋理映射和地圖引擎制作的全過程。 第 四 章介紹場景三維模型的建造，文中對幾何建模、建模的要求、建模的原則進行概要的敘述，并以體育館為例子對建模的流程和過程進行詳細的描述。該技術(shù)集成計算機圖形 (CG)技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。這些 特性 使用戶 能夠真正進入一個由計算機 系統(tǒng)產(chǎn)生 的交互式三維虛擬環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動，進行交流 。 理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中 。而輸出設(shè)備是由 VR 系統(tǒng)把虛擬環(huán)境綜合產(chǎn)生的各種感官信息輸出給用戶，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的逼真感。今后還可構(gòu)建 出 “虛擬器官”，它可以對各種刺激做出反應(yīng)， 且 具有生長功能，可模擬實際人體器官的生理、病理 、康復(fù) 過程。從最初的文字 MUD 游戲，到二維游戲、三維游戲，再到網(wǎng)絡(luò)三維游戲，游戲在保持其實時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加 強。目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。從 90 年代初起，美國率先將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個方面：虛擬戰(zhàn)場環(huán)境；進行單兵模擬訓(xùn)練；實施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)；進行指揮員訓(xùn)練。九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把 VR 列入 研究項目。信息化時代的到來，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。 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 認可 。 計算機硬件問題 本項目設(shè)計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行了解 。 表 21 校園的三個高度平面 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、實驗樓區(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。因此，抑制走樣問題就成 為 漫游系統(tǒng)的重要內(nèi)容。問題是，當(dāng)繪制的圖像是處于“運動”狀態(tài)時，計算機就會在 該 像素點內(nèi)不斷更替多個紋理象素，就發(fā)生走樣現(xiàn)象。 一般來說，模型的多邊形引起走樣主要由下面兩種情況。因此 ， 減少相交測試的對象數(shù)目 ， 提高算法的實時性成為碰撞檢測的核心問題 [7]。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) 、 多細節(jié)層次 (Levels Of Detail)技術(shù) 、實例技術(shù)和紋理映射 技術(shù) 。通過該系統(tǒng)，用戶不但可以有選擇性地對學(xué)校的景點和場所進行走訪和參觀，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 ，整個系統(tǒng)的運行流程 如圖 31 所示 。地形建?？梢詫⑹占降?資料 如遙感影像 、航拍照片等 處理成 CAD 圖紙 ，然后可以運用 CAD 圖紙中的 等高線進行 Terrain 生成 CV 曲面。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。 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。 建模時， 首 先 應(yīng) 考慮模型的簡要性，然后再逐步細化，構(gòu)造出一個精確 的 模型。目的和要求不同，模型建造的復(fù)雜度也必然不同。 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 。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。 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，要進行圖層的整理：添加新的圖層、合并一些圖層、或是細化一些對象。這可以通過觀察建筑物的效果圖和到現(xiàn)場觀察來達到。上面的三層到六層是一個整體，外觀基本相同，每一層得高度大約為 4米。 (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，對其進行輪廓操作，這樣可以得到一對樣條線。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。一般還必須到建筑物的現(xiàn)場區(qū)勘測實際建筑的尺寸，確認 CAD 圖紙是否是最新的，并實地測量一些感興趣的數(shù)據(jù)。因為他的高度較高 ， 是一個很醒目的建筑，所以建模過程一定要細致。經(jīng)過對校園道路的仔細觀測研究 ， 發(fā)現(xiàn)這條路大體有三部分組成。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。 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。 半25 球面 方法 是 用球形工具制作出一個半球，翻轉(zhuǎn) （ Flip） 法線后給其賦予一張?zhí)炜召N圖就可以得到一個效果 很好 的天空盒 ； 天空盒是由六張無逢貼圖實現(xiàn)的一個盒子模型體 ， 它是由六個面構(gòu)成一個天空盒 ， 貼上云彩和山水圖片 ， 就可以實現(xiàn)一個矩形面的天空 。 第一，樹種要多，不能老是一種樹，免得單調(diào)。 非常常見的，它的種類有很多。計算機在生成三維場景時的計算量很大，三維圖形生成和顯示的實時性就成為產(chǎn)生現(xiàn)實感覺的首要條件。所以要對 模型數(shù)據(jù) 進行檢索 ，當(dāng) 檢索出一部分 時 ，該部分經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換和透視投影產(chǎn)生屏幕上可 顯示的 圖像 。 所以 在繪制時，如果一個物體離視點比較遠，或者 該 物體比較小，就可以用較粗 略 的 LOD 模型 來 繪制。采用內(nèi)存實例的主要目標是節(jié)省內(nèi)存，從這個意義上來講，內(nèi)存占用少，顯示速度會加快，但同時由于物體的幾何位置要通過幾何變換得到，又會影響速度。另外，采用紋理映射技術(shù)還可以使遠方的周圍環(huán)境 (如高山、大海、森林等景物 )簡化為一幅紋理圖像。 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)實場景中應(yīng)用的最多。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。它的優(yōu)點是速度快，在平地觀測視覺效果好。 (b)渲染前 (b)渲染后 圖 54 交叉面技術(shù) 在現(xiàn)實世界中，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。 將物體的 光照信息變成貼圖，不需要 CPU 再去費時的計算而只 算普通的貼圖 ， 這就 加快了 CPU 的運算速度 。比如項目要求表現(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。貼圖烘焙后的效果如圖 56所示。 下面主要介紹貼圖烘 焙的步驟： 第一步 ： 對整個場景設(shè)置 target direct light（模擬太陽）燈光和 skylight（模擬自然光）燈光來模擬實際的場景光線。 (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 把這個烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術(shù)。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擔(dān) 。這樣，在植物生長場景中進行虛擬 漫游時，所有的 BillBoard 都朝向視點位置 （如圖 53所示） [11]。透明紋理的應(yīng)用，大致可以歸納為兩類。因此 ，每一幅參與映射的紋理都有自己的一個映射的坐標地址，并用文件的形式保存起來。對于這些 只是用于 環(huán)境裝飾 的物體 ，并不是 要重點展示的 ，如果都用實體表示，所帶來的資源耗費將是無法接受的。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。另外，當(dāng)物體投影在屏幕上所覆蓋的區(qū)域比較小的時候，沒有必要用該物體細節(jié)描述非常復(fù)雜的模型去描述它。 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。因為校園里的環(huán)境比較素凈典雅，所以一般都是將燈設(shè)置為淡白色 。灌木也盡量避免一條線擺放，除非是在大馬路的邊上。另外，場景中還 可 適當(dāng) 地 放 入椅子、路燈等，增加 場景的真實感。為了美觀起見，在模型中的綠化往往比實際更多、更好。這一步的主要工作時向馬路添加進 路燈 、 垃圾桶、宣傳標語 、行人 等物體。校園道路路面情況都很簡單，所以只要在引入的路面 上 賦予 簡單的紋理。道路是很重要的建筑之一 ， 校園道路路面寬度 6米，路的旁邊是人行道，綠地等，連接著建筑。 在實際建模之前，要先收集對象的各種數(shù)據(jù)，并到實地去勘測，確認數(shù)據(jù)是否準確可靠。建筑模型的精確性主要從 建筑物設(shè)計的 CAD 圖紙來體現(xiàn)。 圖 46 體育館外圍主體模型 接下來制作體育館的樓頂，用線條工具（ Line）在前視圖畫出一條直線，切換到頂點層級，講所有頂點轉(zhuǎn)換為 Bezier 角點，拖動控制手柄得到如圖 47 的曲線。導(dǎo)入的 CAD 底圖為 *.dwg 格式，在 3D max 中的可以看到是由帶有可編輯樣條線修改器（ Spline Editing）的樣條21 線組成的。 第二步，查看樓房設(shè)計的 CAD 圖，知道樓房的尺寸， 例如樓房長方體的長、寬、高。在校園立體模型中 ， 最重要的應(yīng)該是建筑物，其次是校園道路 、 綠地 、 等等。通過圖紙上的文字標注或符號來判斷出東、西、南、北方向，并且還需要明確 CAD 圖紙中的每一部分屬于那個建筑或者景觀。收集 模型 屬性 信息來建造模型信息 庫，支持用戶在三維場景中查詢模型對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，并支持模型的 單體 顯示。在城市仿真建模中，這就要求對沒有準確數(shù)據(jù)的物體不能杜撰數(shù)據(jù)，而是要通過一些方法估計出大體符合實際的數(shù)據(jù)信息。第三步是綜合模型，子模型確立以后，可以根據(jù)系統(tǒng)概略18 模型的結(jié)構(gòu)把子模型綜合為原型的總體精確模型。第二，模型要有簡要性。坐標位置建立場景中各個模型間的拓撲關(guān)系。但由于對計算機存儲 和計算開銷的綜合考慮，一般都采用點、直線或多邊形圖形表示。 系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖 32所示： 15 圖 32 系統(tǒng)總體設(shè)計框架 三維校園漫游引擎作為該系統(tǒng)的核心部分，它主要實現(xiàn)的目標是：實現(xiàn)將 3ds Max 建立的模型導(dǎo)入引擎，把所有模型組合成一個校園整體，導(dǎo)入音樂，加載天空、地形以及環(huán)境小