【文章內(nèi)容簡介】 滿足虛擬漫游系統(tǒng)要求。 論文框架 本文研究以南京郵電大學(xué)仙林校區(qū)為對象，借助 AutoCAD、 Photoshop、 3ds max 建模軟件和 VRP 虛擬仿真軟件開發(fā)桌面型虛擬校園漫游系統(tǒng)。共計(jì)六章，具體結(jié)構(gòu)如下： 第一章 緒論 本章簡要的介紹了研究背景，虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)發(fā)展，一些成品效果以及研究趨勢，總結(jié)了本 文 的主要內(nèi)容流程。 第二章 校園建模技術(shù)的分析與對比 本章首先對各種建模 技術(shù) 總體 介紹， 其次對 建模過程中 的相關(guān)軟件和細(xì)節(jié)進(jìn)行對比和分析，采納出最終方案。 第三章 校園模型的建立 本章對于 校園建模的方式給出了 多邊形細(xì)致建模 和紋理貼圖建模 兩種方式的具體實(shí)現(xiàn) 流程 ， 以及分析對比， 給出 最終的采納方案。 第四章 校園場景的渲染 烘焙 本章介紹了 校園場景渲染 和紋理烘焙 的 多種 操作 方式， 及 其 分析 與 比對， 選擇合適的方案， 給出場景的效果圖樣。 第五章 校園 虛擬漫游的實(shí)現(xiàn) 本章對于 校園虛擬漫游實(shí)現(xiàn)過程中所進(jìn)行的具體操作 ，例如，漫游、前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航圖等功能的實(shí)現(xiàn)， 給予詳細(xì)的說明。 第六章 結(jié)論與展望 本章總 結(jié)了研究的主要成果和結(jié)論 ，過程中遇到的問題和解決方式 ，并對研究中仍然存在的問題進(jìn)行了討論，指出 需要進(jìn)一步深入研究的一些問題。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 校園建模技術(shù)的分析與對比 常見建模技術(shù) MultiGen Creator 建模 MultiGenCreator 系列軟件是美國 MultiGen 公司新一代實(shí)時仿真建模軟件 。 它在滿足實(shí)時性的前提下生成面向仿真的 ， 逼真性好的大面積場景。它可為二十五種之多的不同類型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的 OpenFlight 格式在實(shí)時三維領(lǐng)域成為最流行的圖像格式，并成為 仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它由以下幾部分組成： 表 MultiGen Creator 建模組成部分 Model Building’s parts of MultiGen Creator CreatorPro： MultGen CreatorPro 是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實(shí)時三維建模工具，它能夠滿足視景仿真、交互式游戲開發(fā)、城市仿真以及其他的應(yīng)用領(lǐng)域。 CreatorPro 是唯一將多邊形建模、矢量建模和地形生成集成在一個軟件包中的手動建模工具，它給我們帶來不可思議的高效率和生產(chǎn)力。它能進(jìn)行矢量編輯和建模、地形表面生成。 Terrain Pro： Terrain Pro 是一種快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫的工具，它可以使地形精度接近真實(shí)世界，并帶有高逼真度三維文化特征及圖像特征。 Road Pro： RoadPro 擴(kuò)展了 TerrainPro的功能，利用高級算法生成路面特征，以滿足駕駛仿真的需要。 Interoperability Pro： Interoperability Pro 提供了用于讀、寫及生成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)的工具，主要用于 SAF 系統(tǒng)、雷達(dá)及紅外傳感器的仿真。 Smartscene： SmartScene 是將實(shí)時 3D 技術(shù)應(yīng)用于訓(xùn)練，考察和保持高效的工作能力方面的先驅(qū)，它使工作者完全融入虛擬環(huán)境過程成為可能。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 OpenFlight： OpenFlight 為 MultiGen數(shù)據(jù)庫的格式，它是一個分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 OpenFlight 使用幾何層次結(jié)構(gòu)和屬性來描述三維物體，它采用層次結(jié)構(gòu)對物體進(jìn)行描述，可以保證對物體頂點(diǎn)、面的控制。 MultiGen Creator 是 MultiGenParadigm 公司的業(yè)界領(lǐng)先的軟件工具集，用于產(chǎn)生高優(yōu)化 ,高精度的實(shí)時 3D 內(nèi)容 ， 用在視景仿真、交互式游戲、城市仿真、和其他的應(yīng)用。這個集成的和可擴(kuò)展的工具集提供比其他的建模工具更多的交互式的實(shí)時 3D 建模能力 。MultiGen Creator 軟件包是合算的、交互式的、高度自動化的軟件，用它可以高效、實(shí)時的3D 數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生而沒有可視質(zhì)量的損失。 Maya 建模 隨著 PC 機(jī)的廣泛推廣， Alias 與 Wavefront 于 1998 年 6 月對 PC 用戶推出了 Maya NT版。 Maya 是 Alias|Wavefront （ 2021 年 7 月更名為 Alias） 公司的產(chǎn)品，作為三維動畫軟件的后起之秀，深受業(yè)界歡迎和鐘愛。 Maya 集成了 Alias| Wavefront 最先進(jìn)的動畫及數(shù)字效果技術(shù)，它不僅包括一般三維和視覺效果制作的功能，而且還結(jié)合了最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染和運(yùn)動匹配技術(shù)。 Maya 在燈光、攝像機(jī)、材質(zhì)等方面的表現(xiàn)也不俗，模擬燈光更加真實(shí)，可調(diào)參數(shù)更突出；特技燈光種類更豐富更具有吸引力。攝像機(jī)的功能和參數(shù)更加專業(yè)，如 鏡頭、焦距、景深等特殊功能是其他軟件不具備的。矢量材質(zhì)可模仿木紋、毛石、水等節(jié)省了貼圖的制作，同時在折射、反射等效果上更加獨(dú)特。 3Ds Max 建模 3Ds Max（原名： 3D Studio Max），是 Autodesk 傳媒娛樂部開發(fā)的全功能的三維計(jì)算機(jī)圖形軟件。它運(yùn)行在 Win32 和 Win64 平臺上。具有基于 PC 系統(tǒng)的低配置要求；人性化的界面設(shè)計(jì)，入門簡單快捷；強(qiáng)大的角色（ Character）動畫制作能力；可堆棧的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性等功能。 3Ds MAX 的幾何建模方法主要有多邊 形 （ Polygon） 建模、非均勻有理 B 樣條曲線建模 （ NURBS） 、細(xì)分曲面技術(shù)建模 （ Subdivision Surface） 。通常建立一個模型可以分別通過幾種方法得到，但有優(yōu)劣、繁簡之分。 總體來說， 3Ds Max 在學(xué)習(xí)和操作方面跟適合于入門，但是在大場景地理環(huán)境和數(shù)據(jù)量的控制方面略有不足。 本課題根據(jù)實(shí)際需求的分析，決定采用 3Ds Max 這一種較為淺顯易懂，并且教學(xué)應(yīng)用較為廣泛的建模技術(shù)。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 校園建模相關(guān)技術(shù) 模型和材質(zhì)的建立與編輯 校園場景的創(chuàng)建基礎(chǔ)工作是導(dǎo)入按照方案設(shè)計(jì)的 CAD 平面圖，然 后按照 CAD 平面圖建立模型并且賦予材質(zhì)。俗話說 “ 萬丈高樓平地起 ” ，校園建筑模型的搭建也是一樣，必須從基礎(chǔ)做起。 場景中實(shí)體 3D 對象和用于創(chuàng)建它們的對象，稱之為幾何體。軟件中提供的多項(xiàng)基本功能，提供建造符合校園建筑大體形狀的幾何體。之后為其賦予相應(yīng)的紋理。 其中，關(guān)于紋理，即材質(zhì)的編輯，是 3Ds Max 中一項(xiàng)重要的步驟。有關(guān)本 文 中有機(jī)會應(yīng)用到的材質(zhì)基本為：涂料、白色方格磚、水泥、大理石和花崗石、金屬、玻璃。盡管在虛擬校園模型中放大的系數(shù)有限，個體的細(xì)致程度，但是這些材質(zhì)的編輯處理還是具有很多實(shí)際意義的。 涂料 ： 涂料是建筑中使用最多的材料之一。遠(yuǎn)距離觀察時，可以認(rèn)為是均質(zhì)的材料，也就是說可以不使用其他貼圖材質(zhì)，只用調(diào)節(jié)色彩和反射光的方式即可。涂料對光線反射有光澤和亞光之分，調(diào)節(jié)高光形態(tài)時須注意，即使亞光涂料，當(dāng) Specular Level 和 Glossiness的數(shù)值都為 0 時，渲染后會毫無生機(jī)顯得過于沉悶。高光部分受環(huán)境影響，有環(huán)境色的傾向。涂料上的花紋則需要配合 Bump 貼圖制作了。 白色方格磚： 南郵的建筑樓體大都采用一種邊長為 30mm30mm 的啞光白色方磚。各種砌塊，包括各種面磚的表面勾縫是使用 Bump 貼圖來模 擬的。勾縫是有嚴(yán)格尺寸的結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)時不一定按其尺寸，但需接近。磚塊，砌塊，面磚的長寬比需嚴(yán)格按實(shí)際制作。在3D 有砌塊的貼圖程序，調(diào)配合適可以產(chǎn)生復(fù)雜的變化，這個程序有一個特點(diǎn)是可以使砌塊表面產(chǎn)生一定的隨機(jī)的顏色差異。在制作面磚材質(zhì)時要注意貼圖坐標(biāo)的問題，一般是從轉(zhuǎn)角開始，在不重要的地方結(jié)束，當(dāng)一個單元面積有些大時，需嚴(yán)格按實(shí)際尺寸處理，大塊砌塊也是如此，還要注意勾縫的寬度。由于磚面存在一些小的凹凸，則需使用較小值的Mix 混合較小值的 Noise 和磚縫貼圖作為 Bump 貼圖。 水泥： 水泥是路面常見的材質(zhì)。其表面 有較多細(xì)小顆粒，造成光線在其平面上的漫反射效果。物體的表面比較粗糙，但是顏色比較單一，高光值極小，不會在物體表面形成高亮點(diǎn)，但是表面可能有凹凸感。在材質(zhì)編輯器中注意 SHADER【 明暗方式 】： BLINN 方式 （ 如果選用 PHONG 方式不容易突出表面的粗糙感 ） 。 大理石和花崗石、巖石： 如同沒有兩片樹葉是完全一樣的，每片石材表面是否相同的，最好的辦法是使用大尺寸石材圖像，再添加合適的勾縫。由于石材表被拋光，存在一定的鏡面放射，且多于高光反射，這是需要注意的地方。同時， 3Ds Max 也可以加載一些相關(guān)的石塊編輯器，巖 石生成器是一個小巧簡單的工具，能夠幫助用戶在很短時間內(nèi)創(chuàng)建出一塊巖石，并且該巖石自動被賦予了材質(zhì)。 Vue 5 Esprit 自動隨機(jī)生成各種不同形態(tài)的巖石，在創(chuàng)建好巖石之后還可以使用材質(zhì)面板對巖石的材質(zhì)進(jìn)行任意的修改。 金屬： 金屬的具體情況有些復(fù)雜，在渲染時可以分為拋光的和亞光的。根據(jù)不同的渲南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 染方式，有不同的貼圖方法 玻璃： 玻璃的表現(xiàn)有一些類似金屬?，F(xiàn)實(shí)中的金屬沒有顏色，渲染的玻璃卻要根據(jù)場景上色，簡單的辦法是用 Raytracer 貼圖。建筑中存在有大量的鍍膜玻璃，基本特點(diǎn)是當(dāng)室外光線亮?xí)r，玻璃表面基本是反射表 面環(huán)境，這是作鏡面玻璃處理即可，當(dāng)室內(nèi)光線亮?xí)r，這時玻璃的透明度變高，一般是在夜景中，玻璃幕墻中存在各種框架支撐，讓玻璃的存在更具真實(shí)性，但注意調(diào)節(jié)透明度時考慮與支撐框架的整體效果。在使用燈光時要注意 Ray Trace 光源和影子。 木材： 木材表面的顏色和花紋一樣沒有重復(fù)的，對木材處理不一樣，表面效果也不一樣，這也會因?yàn)槟静姆N類不一效果不一，大概有疏松密實(shí)之分；處理有拋光，上清漆等。疏松未上漆的木材表面基本不存在高光，而上清漆可以使表面出現(xiàn)模糊的鏡面反射。木材的紋理就像磚墻的勾縫一樣，應(yīng)該注意，特別是在能同時 看到大角度的兩個面時，這種情況可以考慮使用 3D 自帶的三維木紋貼圖，由于只存在兩種顏色過渡。最好是再在子貼圖使用其他形式貼圖，以豐富其變化。在近距離觀察時，可以適當(dāng)?shù)陌凑漳炯y做一些凹凸效果，軟化其給人硬硬的感覺。 渲染技術(shù) 隨著光能傳遞渲染技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的光能傳遞渲染技術(shù)被應(yīng)用到商業(yè)效果圖的制作中。以前最大的瓶頸就是渲染計(jì)算速度，但隨著時間的推移，一方面計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)算速度在不斷提升，另一方面，相關(guān)的軟件開發(fā)也在不斷優(yōu)化。針對 3Ds Max 軟件，已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的光能傳遞渲染插件，包括 VRay、 Brazil、 finalRender 等最為著名。按照渲染手段可以分為三類：一類為 MAX 自帶 Scanline 線性渲染器，它是目前市場上應(yīng)用最為廣泛的渲染器。其優(yōu)勢計(jì)算速度快，缺點(diǎn)是沒有物理光照，渲染質(zhì)量也一般，如果想出效果需用系統(tǒng)模擬光能傳遞方法。二類是第三方開發(fā)的渲染器： Insight、 Brazil、 Vray、Finalrender 和 MentalRay。它們是屬于全局光渲染。優(yōu)點(diǎn)是傳遞模擬簡單，缺點(diǎn)為速度慢。三類使用物理傳遞技術(shù)，如 LightScape。優(yōu)點(diǎn)渲染品質(zhì)真實(shí)，可以達(dá)到照片級水平，缺點(diǎn)為 速度慢。 渲染插件的好與壞是相對的，需要看哪種最適合工作需求?，F(xiàn)在很火的渲染器 VRay使用率比較高，而有些公司則使用 MAX 自帶的 MR 渲染器。有的插件上手程度有局限，不是一個初次接觸 3Ds Max 可以完成的了的。所以在渲染插件的選擇中，需要適度的考慮。 本次校園模型場景使用了 3Ds Max 自帶的默認(rèn)渲染器 Scanline 渲染。在這里，值得提一點(diǎn)，只有渲染出質(zhì)量良好的效果圖，才能烘培出好的貼圖，最終做出好的作品。由于模型建的比較簡單，并且紋理都是貼圖，所以此場景渲染的主要工作是給場景打上燈光，顯示出真實(shí)的效果。 燈光設(shè)置 在 3Ds Max 中，燈光的設(shè)置可以說是至關(guān)重要，它直接關(guān)系到最后作品的效果，同時也是一個難點(diǎn)。主燈光可以放置在場景中的任何地方，但實(shí)際應(yīng)用中有幾個經(jīng)常放置主燈南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 光的位置，而且每個位置都有其渲染物體的獨(dú)特方式，下面來分別介紹： FRONT（前向）照明： 在攝象機(jī)旁邊設(shè)置主燈光會得到前向照明，實(shí)際的燈光位置可能比攝象機(jī)的位置要高一些并且偏向一些。前向照明產(chǎn)生的是平面型圖象和扁平的陰影，由于燈光均勻照射在物體上并且離攝象機(jī)很近，所以得到的是一個二維圖形，前向照明會最小化對象的紋理和體積，使用前向照明不需要進(jìn)行燈光建模。 BACK（后向）照明： 將主燈光放置在對象的后上方或正上方，強(qiáng)烈的高亮?xí)蠢粘鰧ο蟮妮喞?BACK 照明產(chǎn)生的對比度能創(chuàng)建出體積和深度，在視覺上將前景從背景中分離出來。同時經(jīng)過背后照明的對象有一個大的、黑色的陰影區(qū)域，區(qū)域中又有一個小的、強(qiáng)烈的高亮，強(qiáng)烈的背光有時用于產(chǎn)生精神上的表現(xiàn)效果，隨著發(fā)生過濾和漫射網(wǎng)的使用，物體周圍的明亮效果更強(qiáng)了，這種技術(shù)因?yàn)槠鋵π螒B(tài)的提取而常用來產(chǎn)生神秘和戲劇性的效果。 SID