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摘 要：虚拟校园漫游是校园景观和教学环境在计算机中的虚拟再现，是对大学校园的数字化和虚拟化。本文以南京信息职业技术学院数模教学工厂内部的虚拟漫游设计和制作为例，进行介绍。
关键词：虚拟漫游；数模教学工厂；3DS MAX；VIRTOOLS
1 虚拟校园漫游的概念
随着虚拟现实技术和计算机网络技术的发展，在数字地球和数字城市概念为前提的大背景下，虚拟现实技术已经成为计算机领域研究、开发和应用的热点，它被广泛应用于教育、军事、建筑、医疗、工业设计等各个领域。
虚拟漫游，是虚拟现实技术的重要分支。虚拟校园漫游是校园景观和教学环境在计算机中的虚拟再现，是对大学校园的数字化和虚拟化。数模教学工厂作为南京信息职业技术学院的一个重点实训基地，在校园漫游中处于非常重要的地位。
虚拟校园漫游的制作结合了美术和程序，这就要求美术专业和程序专业的同学组成团队，进行合作。美术制作人员要完成程序制作人员所提出的要求，并在制作过程中加入艺术元素，是整个场景真实、自然、和谐。程序制作人员需要在美术完成后才真正进入工作，整合场景模型和材质贴图，运用实时3D虚拟实境编辑软件VIRTOOLS进行制作，实现场景漫游。任何创作都不可能一帆风顺、一次完成，这个过程需要美术和程序不断沟通，反复修改。整个过程中，以学生为主导，利用所学知识进行设计与制作；教师从旁指导。
2 制作过程解析
2.1 前期策划与准备
（1）收集整理相关素材。主要工作是进行数据和图像的收集处理，为后续工作打好基础。1）地形的规划。由于数模教学工厂的地形平坦，工作区划分明显，因此只需对其长宽比例进行设定。2）收集建模素材。根据三维建模的要求收集素材，通过拍照、摄像等手段采集。3）收集教学仪器信息。除了向教学仪器的使用者请教，基本了解各仪器的功用和操作，还需对教学仪器进行多角度的拍摄，按比例生成真实数据。4）纹理准备。纹理贴图是3DS MAX 里面非常重要的一个环节，对生成逼真的三维场景至关重要。纹理数据对于虚拟世界建设速度、运行效率、逼真效果、沉浸感都有着重要的作用。我们采用数码相机实地拍摄的方法，得到相关物体、地貌的纹理。
（2）进行人员分工。四名同学进行美术制作，包括地形、内部构造、相关仪器的模型及贴图制作，整合场景。一名同学进行程序制作，实现数模教学工厂的自主漫游。
（3）确定制作格式及规范。1）CAD文件要按照原来尺寸1∶1 单位使用米为佳，导入3DS MAX，导入的CAD 图线要根据用途确定位置，并以此作为描图的根本依据。2）3DS MAX统一使用MAX2009版本，内部单位和显示尺寸单位设定为米。3）虚拟引擎对贴图分辨率敏感，严格限制贴图的分辨率；烘焙光影贴图输出成32 位带通道TGA 格式的位图。4）流程中所有模型，贴图，输出文件命名要统一使用字母、数字，不使用中文，且命名长度以8位为限。模型成品和贴图在同一目录存放，不能把贴图分散存放于其他目录。
2.2 美术制作
（1）创建模型。三维模型是整个虚拟校园漫游的基础，模型的好坏直接影响运行效果和场景真实度。本项目我们采用了3DS MAX进行建模，用其建立的模型有很强的仿真立体效果。虚拟应用的模型以精简模型为主，模型表现出主体结构就可以了，配合贴图来完成整体和细节的表现。要在建模精度与实时渲染要求之间取得某种协调，保证模型精度的情况下尽可能的减小场景规模。建模之前，根据场景中每个仪器的空间位置以及模型之间的相互关系，合理的命名与分组，由学生负责人进行整体协调和分配。场景模型不允许出现微小的裂缝或残缺，尽量减少体块堆积的建模方式， 使用SPINE/POLYGON 的工具进行合理布线、挤压，使模型呈单面空壳状态，视野内看不见的面尽量删除，这样也大大减少模型面数和个体数量，便于后期的运行。对于具有多材质属性的单体模型或者由不同材质多个物体组成的单体模型要进行细致的材质ID 划分，内部多材质要分别对应一个材质ID 号，物体的每一个材质ID 也要全部有材质对应。
（2）材质贴图的制作。采用PHOTOSHOP对得到的影像进行处理，处理内容包括：纹理的修正，破损修补，图像分割、拼接等。烘焙是在模型纹理完成，灯光布好之后，通过平铺展开模型表面UV 渲染贴图。其目的是保存纹理上所添加的光照效果，细节纹理等信息来提高贴图的质量，其优势是增强虚拟场景的光影效果，而且能够减少三维引擎的运算量提高程序运行的效率。烘焙能把在非实时环境中渲染完成的灯光材质等效果转换到实时交互的环境中去，即把3DS MAX 光影信息固定在贴图上，然后把烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技术。因此，烘焙前一定要在场景中添加适当的光源，各个角度都渲染满意后方可进行，否则在烘培过程可能会出现黑面，直接影响三维漫游的可视化效果。
（3）模型整合。模型制作完成后不得将所有物体塌陷，需保留制作过程，特别是贴图坐标部分，以方便下一环节制作人员修改。模型制作完成后，必须删除模型中所有的杂线，并将GROUP打散，按建筑结一个大的GROUP，取好相对应的物体名称，并将GROUP的重心移至Z轴零点位置。
2.3 程序整合、实现自主漫游
利用实时3D虚拟实境编辑软件VIRTOOLS进行制作。该漫游平台下的虚拟漫游环境的图形渲染是“实时”的，并且具有很强的人机交互性。VIRTOOLS提供给用户最大的控制权，用户可以任意设置视点，在虚拟场景中可通过鼠标键盘控制视点变换和漫游路径，随意前进、后退、旋转等。
首先要将3DS MAX中的场景导出为VIRTOOLS可执行文件，就需先安装VIRTOOLS-max导出插件。然后执行文件-导出命令，选择保存类型为.nmo，保存的路径与文件名采用英文，否则将文件导入VIRTOOLS后，有时会发生错误。VIRTOOLS允许场景以对象、角色和动画的形式输出。
此外还要进行碰撞检测，这对增强虚拟场景漫游的真实感和逼真感非常重要。当角色在虚拟场景中漫游时，主要是与地形的碰撞检测和与建筑物的碰撞检测。假设三维空间中有N个运动模型，随着位置和姿态的改变，碰撞检测就是判断模型之间是否发生了碰撞，也就是说虚拟角色在三维场景中行走时不会陷到地下或穿墙而过，碰到墙壁上会沿着墙壁继续前进。
3 结语与展望
利用虚拟现实的相关知识和技术，实现对真实校园环境中的三维景观、教学环境的数字化和虚拟化，对高校的资源管理、环境规划和远程访问等都具有重要意义，是未来校园数字信息化的重要发展方向之一。学生参与真实项目的制作，其学习自主性、团队协调能力和专业技能都得到了很大提升。
作者简介： 罗恒，南京信息职业技术学院数码艺术学院教师。
关键词：虚拟漫游；数模教学工厂；3DS MAX；VIRTOOLS
1 虚拟校园漫游的概念
随着虚拟现实技术和计算机网络技术的发展，在数字地球和数字城市概念为前提的大背景下，虚拟现实技术已经成为计算机领域研究、开发和应用的热点，它被广泛应用于教育、军事、建筑、医疗、工业设计等各个领域。
虚拟漫游，是虚拟现实技术的重要分支。虚拟校园漫游是校园景观和教学环境在计算机中的虚拟再现，是对大学校园的数字化和虚拟化。数模教学工厂作为南京信息职业技术学院的一个重点实训基地，在校园漫游中处于非常重要的地位。
虚拟校园漫游的制作结合了美术和程序，这就要求美术专业和程序专业的同学组成团队，进行合作。美术制作人员要完成程序制作人员所提出的要求，并在制作过程中加入艺术元素，是整个场景真实、自然、和谐。程序制作人员需要在美术完成后才真正进入工作，整合场景模型和材质贴图，运用实时3D虚拟实境编辑软件VIRTOOLS进行制作，实现场景漫游。任何创作都不可能一帆风顺、一次完成，这个过程需要美术和程序不断沟通，反复修改。整个过程中，以学生为主导，利用所学知识进行设计与制作；教师从旁指导。
2 制作过程解析
2.1 前期策划与准备
（1）收集整理相关素材。主要工作是进行数据和图像的收集处理，为后续工作打好基础。1）地形的规划。由于数模教学工厂的地形平坦，工作区划分明显，因此只需对其长宽比例进行设定。2）收集建模素材。根据三维建模的要求收集素材，通过拍照、摄像等手段采集。3）收集教学仪器信息。除了向教学仪器的使用者请教，基本了解各仪器的功用和操作，还需对教学仪器进行多角度的拍摄，按比例生成真实数据。4）纹理准备。纹理贴图是3DS MAX 里面非常重要的一个环节，对生成逼真的三维场景至关重要。纹理数据对于虚拟世界建设速度、运行效率、逼真效果、沉浸感都有着重要的作用。我们采用数码相机实地拍摄的方法，得到相关物体、地貌的纹理。
（2）进行人员分工。四名同学进行美术制作，包括地形、内部构造、相关仪器的模型及贴图制作，整合场景。一名同学进行程序制作，实现数模教学工厂的自主漫游。
（3）确定制作格式及规范。1）CAD文件要按照原来尺寸1∶1 单位使用米为佳，导入3DS MAX，导入的CAD 图线要根据用途确定位置，并以此作为描图的根本依据。2）3DS MAX统一使用MAX2009版本，内部单位和显示尺寸单位设定为米。3）虚拟引擎对贴图分辨率敏感，严格限制贴图的分辨率；烘焙光影贴图输出成32 位带通道TGA 格式的位图。4）流程中所有模型，贴图，输出文件命名要统一使用字母、数字，不使用中文，且命名长度以8位为限。模型成品和贴图在同一目录存放，不能把贴图分散存放于其他目录。
2.2 美术制作
（1）创建模型。三维模型是整个虚拟校园漫游的基础，模型的好坏直接影响运行效果和场景真实度。本项目我们采用了3DS MAX进行建模，用其建立的模型有很强的仿真立体效果。虚拟应用的模型以精简模型为主，模型表现出主体结构就可以了，配合贴图来完成整体和细节的表现。要在建模精度与实时渲染要求之间取得某种协调，保证模型精度的情况下尽可能的减小场景规模。建模之前，根据场景中每个仪器的空间位置以及模型之间的相互关系，合理的命名与分组，由学生负责人进行整体协调和分配。场景模型不允许出现微小的裂缝或残缺，尽量减少体块堆积的建模方式， 使用SPINE/POLYGON 的工具进行合理布线、挤压，使模型呈单面空壳状态，视野内看不见的面尽量删除，这样也大大减少模型面数和个体数量，便于后期的运行。对于具有多材质属性的单体模型或者由不同材质多个物体组成的单体模型要进行细致的材质ID 划分，内部多材质要分别对应一个材质ID 号，物体的每一个材质ID 也要全部有材质对应。
（2）材质贴图的制作。采用PHOTOSHOP对得到的影像进行处理，处理内容包括：纹理的修正，破损修补，图像分割、拼接等。烘焙是在模型纹理完成，灯光布好之后，通过平铺展开模型表面UV 渲染贴图。其目的是保存纹理上所添加的光照效果，细节纹理等信息来提高贴图的质量，其优势是增强虚拟场景的光影效果，而且能够减少三维引擎的运算量提高程序运行的效率。烘焙能把在非实时环境中渲染完成的灯光材质等效果转换到实时交互的环境中去，即把3DS MAX 光影信息固定在贴图上，然后把烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技术。因此，烘焙前一定要在场景中添加适当的光源，各个角度都渲染满意后方可进行，否则在烘培过程可能会出现黑面，直接影响三维漫游的可视化效果。
（3）模型整合。模型制作完成后不得将所有物体塌陷，需保留制作过程，特别是贴图坐标部分，以方便下一环节制作人员修改。模型制作完成后，必须删除模型中所有的杂线，并将GROUP打散，按建筑结一个大的GROUP，取好相对应的物体名称，并将GROUP的重心移至Z轴零点位置。
2.3 程序整合、实现自主漫游
利用实时3D虚拟实境编辑软件VIRTOOLS进行制作。该漫游平台下的虚拟漫游环境的图形渲染是“实时”的，并且具有很强的人机交互性。VIRTOOLS提供给用户最大的控制权，用户可以任意设置视点，在虚拟场景中可通过鼠标键盘控制视点变换和漫游路径，随意前进、后退、旋转等。
首先要将3DS MAX中的场景导出为VIRTOOLS可执行文件，就需先安装VIRTOOLS-max导出插件。然后执行文件-导出命令，选择保存类型为.nmo，保存的路径与文件名采用英文，否则将文件导入VIRTOOLS后，有时会发生错误。VIRTOOLS允许场景以对象、角色和动画的形式输出。
此外还要进行碰撞检测，这对增强虚拟场景漫游的真实感和逼真感非常重要。当角色在虚拟场景中漫游时，主要是与地形的碰撞检测和与建筑物的碰撞检测。假设三维空间中有N个运动模型，随着位置和姿态的改变，碰撞检测就是判断模型之间是否发生了碰撞，也就是说虚拟角色在三维场景中行走时不会陷到地下或穿墙而过，碰到墙壁上会沿着墙壁继续前进。
3 结语与展望
利用虚拟现实的相关知识和技术，实现对真实校园环境中的三维景观、教学环境的数字化和虚拟化，对高校的资源管理、环境规划和远程访问等都具有重要意义，是未来校园数字信息化的重要发展方向之一。学生参与真实项目的制作，其学习自主性、团队协调能力和专业技能都得到了很大提升。
作者简介： 罗恒，南京信息职业技术学院数码艺术学院教师。