三维数字校园的实现方法研究

夏小棠

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430081）

三维数字校园的实现方法研究

夏小棠

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430081）

三维数字校园系统的设计方法主要是通过数据收集、模型建立和系统设计三个步骤完成三维数字校园的实现。每个步骤都提供了不同的方法，这些方法既可以独立使用，也可以一起使用。本文便针对三维数字校园的实现方法展开几点论述。

三维数字校园；实现方法

一、三维数字校园

1.建模平台。

三维建模的方法主要有：

①直接利用传统GIS中的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模，各建筑物表面可加上相应的纹理，但这种方法只限于平顶建筑物的三维建模。②使用3D 软件，如AutoCAD、3DMAX可直接做出逼真的三维模型，特别是对于那些不规则的建筑物（如路灯、凉亭、塔型建筑物等）效果较好。③利用数字摄影测量技术进行三维建模，但采用这种方法过程较复杂，成本高，逼真度不好。

2.开发平台。

①以Unity3D为虚拟现实开发平台。Unity是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。②VR-Platform（简称VRP）三维互动仿真平台。深圳中视典数字科技有限公司独立开发的一款三维虚拟现实平台。

二、三维校园的实现

1.数据收集。三维模型所涉及的数据包括数字化地图数据、三维模型尺寸数据、纹理数据。

数字化地图数据可以使用KML语言建模。KML（匙孔标记语言）是在Google earth中表示地理信息的一种基于XML语法的标签式语言，它能够描述多种具有地理信息的原始要素，如点、线、多边形、几何体。使用KML的元素能通过定义几何体中的各个点的地理坐标和海拔高度，从而生成模型。还能通过校园总平面图、建筑图纸及全校航拍图来获得数字化地图数据。

三维模型尺寸数据能通过激光扫描技术获取，该技术可通过在空中以较大的倾斜度用激光扫描城市，快速获得城市建筑物和地形的三维点云数据； 通过特定的软件，快速建立城市地面模型，根据所获得的建筑物的特征点快速构建三维建筑物, 如果同时获得影像，还可以解决建筑物的纹理问题，大大提高构建三维建筑物的速度和精细度。但该技术目前存在模拟精细度不高、侧面纹理难以全面获取及应用领域窄、成本高等缺点。也能通过建筑图纸获得建筑尺寸。

纹理数据来自实地拍摄照片和纹理数据库。纹理对于增加虚拟世界的真实感有至关重要的作用，可以弥补细节的不足。

2.模型建立。

在数据收集便能通过建模平台进行初步三维模型建立。

使用KML的「Polygon」元素及其子元素能通过定义几何体中的各个点的地理坐标和海拔高度，从而生成地形模型。KML的「href」元素能调用网络路径下的图片文件，可为通过KML定义的模型添加纹理图片。

建筑建模一般通过三维建模软件进行建模。比如SketchUp，3D Max等。

SketchUp软件建模的方法是，首先按建筑物的二维底图在SketchUp中勾勒出底面，再通过激光扫描技术获取的建筑尺寸数据获取建筑高度，将面沿竖直方向按建筑物的高度向上拉伸，从而得到最粗略等级的建筑物模型，然后结合激光扫描技术的数据在此基础上进行细化编辑。

3DMax软件建模相比于SketchUp软件建模精细度上更加优秀，但是工作量也相对的有增加。将校园平面图通过AutoCAD转化为dwg格式的电子平面底图，将得到的底图导入3D Max中进行三维建模，同时做好模型整合与场景优化处理。然后再添加校园绿化。

模型建立后，可以相应的软件中进行纹理贴图。使用Photoshop处理实地拍摄的照片，把照片制作成贴图进入SketchUp或3D Max中对模型进行纹理映射，为了解决场景运行效率，可以对贴图进行不同等级的细分，为引擎平台提供不同的选择。

之后能通过三维建模软件将地形模型和校园各个建筑模型进行整合并且优化后可以进行导出。

3.系统设计。

（1）Unity3d平台。Unity3D平台虽然是一个专业的游戏引擎，但是在建筑可视化、实时三维动画等互动内容领域同样有着广阔的应用开发前景，同时也具备着独有的核心优势——跨平台，无客户端，交互性，强大脚本，高速渲染（能支撑比较精细的贴图），大型场景支持（能支撑庞大的校园范围），在线控制（能提供实时更新模型）等。

但是Unity3D引擎对模型的要求有严格的限制。三维数字模型所包含的基本内容，如场景尺寸、单位，模型归类命名，纹理坐标、纹理尺寸等必须符合制作规范。（因此3D Max的模型更符合Unity3D的需求。）

把通过3D Max构建好的数字校园模型导出成.Fbx格式，然后再导入到Unity3D平台中，根据平台提供的交互行为模块进行交互设置。主要交互方式有：自主漫游方式下的摄像机控制、路径选择下的摄像机控制、碰撞检测、上楼爬坡功能、环境灯光、环境天气气氛渲染等。除此之外还能根据不同的功能要求进行程序脚本的编写。还能进行UI设计来丰富交互体验。

（2）VR-Platform平台。VR-Platform（VRP）是中视典数字科技研发的虚拟现实软件平台。

将SketchUp或3D Max处理后的数据导入VRP软件中，编辑场景材质，优化场景贴图；然后创建行走相机和飞行相机，设计漫游路线，以第一人称的视角来游览整个虚拟（VR）场景。考虑到一些「穿墙而过」这类违背现实的情况，以及实现上楼和爬坡等功能，需要设置重力效应和碰撞检测。为环境添加场景特效。同样可以进行UI设计，实现根据用户的意愿来全方位、多视角、多方式的浏览校园场景，实现查询定位、信息查询等交互性操作。

本文阐述了三维数字校园系统的设计方法与实现手段。通过数据收集、模型建立和系统设计三个步骤完成三维数字校园的实现。每个步骤提供了不同的方法，这些方法既可以独立使用，也可以一起使用提高效率。最后制作的三维数字校园平台能够表现极具真实感和沉浸感展示校园场景和大量属性信息，让用户产生身临其境的震撼。

[1]李闯 朱静.基于Google SketchUp的虚拟校园三维建模.《吉林建筑工程学院学报》 2012.05.

[2]舒中义.基于Unity3d 技术的三维数字校园系统研究.《科协论坛》，2012(12).

[3]李芳,肖洪,杨波,周亮,刘宇鹏.三维数字校园的设计与实现.《系统仿真技术》,2010(1).

TP393

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1671-864X（2015）12-0196-01