毕业设计（论文）三维校园虚拟现实平台的设计与实现

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1、南京邮电大学毕 业 论 文题 目三维校园虚拟现实平台的设计与实现专 业地理信息系统学生姓名班级学号指导教师指导单位地理与生物信息学院 日期：2010年3月15日至 2010年6月18日摘 要虚拟现实，或虚拟实境（Virtual Reality），简称VR技术，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示

2、技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。随着现代科技与信息的发展，这项技术逐渐成为人们关注的热点之一。本文基于南京邮电大学的仙林校区教学区及其主要生活区域，利用CAD、3Ds Max以及VRP软件，建立了其校园虚拟现实平台，完成了校园的可视、漫游等功能的实现。首先，对于虚拟现实有一个概念性的介绍，然后围绕着南京邮电大学的虚拟演示及三维互动这个课题，讲述了三维建模技术、渲染技术、烘培技术和人机交互技术。介绍了其中所涉及的相关软件，以及其中所涉及到的技术。对于课题的完成过程作了比较详尽的描述，包括其中注意的细节，遇到的困难以及解决方法。其次，通过南京邮电

3、大学校园场景的模型建立、渲染、烘焙、交互等技术的结合，构造建立出了一个较为生动的三维校园。人们可以通过方向键盘在运行界面中进行校园漫游，展示了南京邮电大学的校园风貌，让更多的人了解南京邮电大学。这是地理信息系统在虚拟现实技术中的一个典型应用。最后，对于此项课题进行总结和相关后续发展的论述，例如网络平台的发布，相关技术的现实应用等，结合本专业的知识论述了此项技术在各个领域的应用。关键词：虚拟现实，3Ds Max，VRP，建模，渲染，烘焙ABSTRACTVirtual reality (VR) is a term that applies to computer-simulated environ

4、ments that can simulate places in the real world as well as in imaginary worlds. Most current virtual reality environments are primarily visual experiences, displayed either on a computer screen or through special stereoscopic displays, but some simulations include additional sensory information, su

5、ch as sound through speakers or headphones. Some advanced systems now include tactile information, generally known as force feedback, in medical and gaming applications. With the development of knowledge economy, information technology and modernization of national defense, virtual reality technique

6、 has become one of the hot issues currently.Based on the Nanjing University of Posts and Telecommunications Xianlin campus teaching areas and the main living area, this paper takes use of the software such as CAD, 3Ds Max, VRP to build the campus virtual reality platforms, realize visual campus, roa

7、ming and other functions.First of all, the concept of virtual reality technology is introduced firstly. Nanjing University of Posts and Telecommunications is taken as the test virtual space, the 3D modeling technology, rendering, bake and virtual wandering skills have been discussed respectively. Th

8、en the paper introduces which involves software, and in which the technology involved. It completes the process for the subject made a more detailed description, including the attention to details the difficulties encountered and the solutions.Furthermore, with the adoption of kinds of technology su

9、ch as modeling, rending, baking, a vivid 3D campus of Nanjing University of Posts and Telecommunications has been set up. People can ramble in the virtual campus atmosphere with the help of the control keyboard or the mouse, and the mien of Nanjing University of Posts and Telecommunications is revea

10、led. This successful case can be looked as a typical application system of virtual reality technology.Finally, the subjects were reviewed and discussed the development of related follow-up, such as network platform release, the relevant technology, practical applications, combined with the professio

11、nal knowledge on this technology in various fields.Key words: Virtual Reality; 3Ds Max; VRP; modeling; rendering; bake.目 录第一章 绪论11.1选题背景11.1.1虚拟现实概述11.1.2虚拟现实的应用11.2虚拟校园概况21.2.1虚拟现实校园的发展21.2.2虚拟现实校园平台技术21.3论文框架4第二章 校园建模技术的分析与对比52.1常见建模技术52.1.1 MultiGen Creator建模52.1.2 Maya建模62.1.3 3Ds Max建模62.2校园建模相

12、关技术72.2.1模型和材质的建立与编辑72.2.2渲染技术82.2.3烘焙技术112.2.4漫游技术11第三章 校园模型的建立133.1前期处理133.1.1 前期处理的原因133.1.2 CAD图样编辑133.2将CAD导入3Ds Max153.3 3Ds Max建模163.3.1 多边形细致建模163.3.2 纹理贴图建模203.3.3地面的建造223.3.4校园环境23第四章 校园场景的渲染烘焙244.1灯光处理244.1.1定向投射类灯光244.1.2日光投射254.1.3环境效果264.2渲染处理274.3烘焙处理28第五章 校园场景虚拟漫游的实现295.1 前期工作295.2模型

13、的导入29第六章 结论与展望326.1校园虚拟漫游平台的实现326.2疑问与解答326.2.1大量的数据326.2.2 树木的建立326.3虚拟现实的未来发展34结束语35致 谢36参考文献37南京邮电大学2010届本科生毕业设计（论文）- 1 -第一章 绪论1.1选题背景1.1.1虚拟现实概述虚拟现实（Virtual Reality，简称VR；又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。VR是一项综合集成技术，

14、涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉（虚拟现实的3“I”特性：immersion-interaction-imagination，即沉浸交互构想），使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。虚拟现实技术的产生最早可追溯到上个世纪初，1929年，Edwin Link设计

15、了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机中飞行的感觉。Link飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中的一个。40年代初，在美国以 Edwin Link命名的公司与 Admiral DeFlorez公司一起，为了减少训练飞机驾驶员的时间和经费，正式开始了飞行模拟器的设计和研制工作。以后虚拟现实技术经历了漫长的发展道路，一直到上个世纪九十年代才得到飞速的发展。1.1.2虚拟现实的应用虚拟现实的技术在国内外广泛的应用，以及深入的发展。当今VR技术已发展为几大方向：虚拟战场仿真、虚拟城市规划、虚拟装配、三维可视化地理信息系统、增强现实技术等。成为一项综合性极强的技术，广泛应用于设计规划，建模仿真，教育训练，

16、医学，建筑业，艺术与生活娱乐方面。随着电子计算机科学的兴起及现代意义上的地理信息系统的问世，将虚拟现实的实现推向了更为真实以及可参考性和实际意义方面。而今以虚拟技术和GIS技术为代表的真三维技术的出现从根本上打破了人类在地理空间信息表达和处理方面的限制，虚拟现实技术的开发和应用已经成为地理信息系统领域研究的热点。国家测绘局着手办理的一些项目，加快虚拟现实以及数字中国地理空间框架建设。逐步在网络上形成了以便民形式的三维城市导向性质图集（图1.1）。同时推动数字省区、数字区域建设，从而形成完整的、功能齐全的数字中国网络，实现互联互通、资源共享。便利人们生活的同时，也向外界展示了城市、亦或是某一地区

17、的风采。图1.1 网络中常见的南京邮电大学三牌楼校区3D视图Fig 1.1 The view in 3D scene of NUPT Sanpailou Campus in the network本文着重于虚拟现实的校园数字化平台。在数字化城市平台的基础上，将虚拟现实的着重点落于大学校园的范围之内。实现校园的虚拟漫游，在虚拟校园构建的同时，向外界展示了南京邮电大学的风采。1.2虚拟校园概况1.2.1虚拟现实校园的发展虚拟校园漫游系统作为校园数字化工程的一部分，是指利用高性能计算机软硬件去创建具有良好交互能力、能使参与者具有沉浸感、有助于启发参与者构思的信息环境。借助这样一个基于真实空间或假象空

18、间的实时仿真虚拟空间，不仅可以全面展示校园建筑物的外观、周边环境，还可以以任意视角观察建筑物的内部布局结构和内部设施，使参观者足不出户就可以进入虚拟的校园，尽情领略校园的美好风光。目前各高校在许多领域都进行了相关的课题研究，对科学技术研究具有很大的促进作用，如：清华大学在临场感的研究颇具特色。香港中文大学在人机交互界面的设计以及服务器的处理。此外，北京航天航空大学、西北工业大学、天津大学等均在虚拟校园方面有了较为显著的实现成果。随着网络教育的深入，人们已经不满足于对校园环境的浏览，基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园呼之欲出，人们需要一个完整的虚拟校园体系。1.2.2虚拟现实校园平台技

19、术常见的三维场景建模方法优缺点的分析：（1）利用传统GIS中二维线划数据及其相应的高程属性进行三维建模，各建筑物表面还可加上相应的纹理，此方法的建模方式可以大大节省实现三维可视化的时间，而且便于管理和开发地理信息。但一般GIS只有二维拉伸功能，称为2.5维，仅展现了平面信息，其高度只是作为属性信息关联于其中，未实现真正意义上的三维效果。采用这种方法只局限于平顶建筑物的三维重建，而对于那些拱顶、圆顶的建筑物则不能满足要求，难以胜任逼真三维场景的建立。（2）Multigen Creator虚拟现实应用软件环境，是专门为的虚拟场景实时漫游设计的建模工具，有良好的用户交互界面，而且它建立的模型较小，不

20、会影响虚拟环境的实时性，但并不能满足精细模型的创建需求，而且它不具备空间分析的功能，不利于建立高精度的数字校园基础地理信息数据库和基础设施信息库。（3）利用数字航空遥感立体像对为基础建立三维模型，该方法建模速度快自动化程度高，但是由于受飞行高度、续航能力、姿态控制、全天候作业能力以及大范围的动态监测能力较差等因素的限制，并且航空像片遥感像片的影像缺乏建筑物侧面的几何数据和纹理信息。（4）激光扫描重建物体精确的几何模型。航空激光扫描系统和地面激光扫描为我们快速自动重建模型提供了更快捷的方法。航空激光扫描如用LIDAR获得的DSM数据和IKONOS影像以及地面摄取的纹理进行数字城市的建模；地面扫描

21、系统如Leica的Cyrax，测量距离为100米，量测精度达2毫米，其速度可达每秒1000个点。但是无论航空还是地面扫描系统，其价格均十分昂贵。实际上三维模型的建立是和相应的数据源相辅相成的，一直以来原模型数据的获取难以实现快速、精确高效的现实，严重制约着三维GIS的进一步发展和广泛使用。以上，一个完整的虚拟校园模型可以用流程图表的形式清晰的表现出来（图1.2）。图1.2 虚拟校园三维构建的流程Fig 1.2 The process of three-dimensional building virtual campus在这里有必要说明的是，基于以上流程的建模方式费用低廉、可操控型高、纹理表达

22、真实；缺点是需时长，需要较高能力人员，且在对已知物体建模时缺乏精度，且需要额外的测量工作,其中建模数据量较大难以满足实时渲染对数据量的要求是此项方案技术限制的瓶颈，因此基于此方法的三维模型必须要进行优化处理、消除冗余数据才能满足虚拟漫游系统要求。1.3论文框架本文研究以南京邮电大学仙林校区为对象，借助AutoCAD、Photoshop、3ds max建模软件和VRP虚拟仿真软件开发桌面型虚拟校园漫游系统。共计六章，具体结构如下：第一章 绪论本章简要的介绍了研究背景，虚拟现实的相关发展，一些成品效果以及研究趋势，总结了本文的主要内容流程。第二章 校园建模技术的分析与对比本章首先对各种建模技术总体

23、介绍，其次对建模过程中的相关软件和细节进行对比和分析，采纳出最终方案。第三章 校园模型的建立本章对于校园建模的方式给出了多边形细致建模和纹理贴图建模两种方式的具体实现流程，以及分析对比，给出最终的采纳方案。第四章 校园场景的渲染烘焙本章介绍了校园场景渲染和纹理烘焙的多种操作方式，及其分析与比对，选择合适的方案，给出场景的效果图样。第五章 校园虚拟漫游的实现本章对于校园虚拟漫游实现过程中所进行的具体操作，例如，漫游、前进、旋转导航图等功能的实现，给予详细的说明。第六章 结论与展望本章总结了研究的主要成果和结论，过程中遇到的问题和解决方式，并对研究中仍然存在的问题进行了讨论，指出需要进一步深入研究

24、的一些问题。第二章 校园建模技术的分析与对比2.1常见建模技术2.1.1 MultiGen Creator建模MultiGenCreator系列软件是美国MultiGen公司新一代实时仿真建模软件。它在满足实时性的前提下生成面向仿真的，逼真性好的大面积场景。它可为二十五种之多的不同类型的图像发生器提供建模系统及工具，它的OpenFlight格式在实时三维领域成为最流行的图像格式，并成为仿真领域的行业标准。它由以下几部分组成：表2.1 MultiGen Creator建模组成部分Tab.2.1 Model Buildings parts of MultiGen CreatorCreatorPro

25、： MultGen CreatorPro 是一套高逼真度、最佳优化的实时三维建模工具，它能够满足视景仿真、交互式游戏开发、城市仿真以及其他的应用领域。CreatorPro 是唯一将多边形建模、矢量建模和地形生成集成在一个软件包中的手动建模工具，它给我们带来不可思议的高效率和生产力。它能进行矢量编辑和建模、地形表面生成。Terrain Pro：Terrain Pro是一种快速创建大面积地形数据库的工具，它可以使地形精度接近真实世界，并带有高逼真度三维文化特征及图像特征。 Road Pro：RoadPro扩展了TerrainPro的功能，利用高级算法生成路面特征，以满足驾驶仿真的需要。Intero

26、perability Pro：Interoperability Pro提供了用于读、写及生成标准格式数据的工具，主要用于SAF系统、雷达及红外传感器的仿真。Smartscene：SmartScene是将实时3D 技术应用于训练，考察和保持高效的工作能力方面的先驱，它使工作者完全融入虚拟环境过程成为可能。OpenFlight：OpenFlight 为MultiGen数据库的格式，它是一个分层的数据结构。OpenFlight使用几何层次结构和属性来描述三维物体，它采用层次结构对物体进行描述，可以保证对物体顶点、面的控制。MultiGen Creator 是MultiGen-Paradigm公司的业

27、界领先的软件工具集，用于产生高优化,高精度的实时3D内容，用在视景仿真、交互式游戏、城市仿真、和其他的应用。这个集成的和可扩展的工具集提供比其他的建模工具更多的交互式的实时3D建模能力。MultiGen Creator软件包是合算的、交互式的、高度自动化的软件，用它可以高效、实时的3D数据库产生而没有可视质量的损失。2.1.2 Maya建模随着PC机的广泛推广，Alias与Wavefront于1998年6月对PC用户推出了Maya NT版。Maya是Alias|Wavefront （2003年7月更名为Alias）公司的产品，作为三维动画软件的后起之秀，深受业界欢迎和钟爱。Maya集成了Ali

28、as| Wavefront最先进的动画及数字效果技术，它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还结合了最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染和运动匹配技术。Maya在灯光、摄像机、材质等方面的表现也不俗，模拟灯光更加真实，可调参数更突出；特技灯光种类更丰富更具有吸引力。摄像机的功能和参数更加专业，如镜头、焦距、景深等特殊功能是其他软件不具备的。矢量材质可模仿木纹、毛石、水等节省了贴图的制作，同时在折射、反射等效果上更加独特。2.1.3 3Ds Max建模3Ds Max（原名：3D Studio Max），是Autodesk传媒娱乐部开发的全功能的三维计算机图形软件。它运行在Win32和Wi

29、n64平台上。具有基于PC系统的低配置要求；人性化的界面设计，入门简单快捷；强大的角色（Character）动画制作能力；可堆栈的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性等功能。3Ds MAX的几何建模方法主要有多边形（Polygon）建模、非均匀有理B样条曲线建模（NURBS）、细分曲面技术建模（Subdivision Surface）。通常建立一个模型可以分别通过几种方法得到，但有优劣、繁简之分。总体来说，3Ds Max在学习和操作方面跟适合于入门，但是在大场景地理环境和数据量的控制方面略有不足。本课题根据实际需求的分析，决定采用3Ds Max这一种较为浅显易懂，并且教学应用较为广泛的建模技术。

30、2.2校园建模相关技术2.2.1模型和材质的建立与编辑校园场景的创建基础工作是导入按照方案设计的CAD平面图，然后按照CAD平面图建立模型并且赋予材质。俗话说“万丈高楼平地起”，校园建筑模型的搭建也是一样，必须从基础做起。场景中实体3D对象和用于创建它们的对象，称之为几何体。软件中提供的多项基本功能，提供建造符合校园建筑大体形状的几何体。之后为其赋予相应的纹理。其中，关于纹理，即材质的编辑，是3Ds Max中一项重要的步骤。有关本文中有机会应用到的材质基本为：涂料、白色方格砖、水泥、大理石和花岗石、金属、玻璃。尽管在虚拟校园模型中放大的系数有限，个体的细致程度，但是这些材质的编辑处理还是具有很

31、多实际意义的。涂料：涂料是建筑中使用最多的材料之一。远距离观察时，可以认为是均质的材料，也就是说可以不使用其他贴图材质，只用调节色彩和反射光的方式即可。涂料对光线反射有光泽和亚光之分，调节高光形态时须注意，即使亚光涂料，当Specular Level和Glossiness的数值都为0时，渲染后会毫无生机显得过于沉闷。高光部分受环境影响，有环境色的倾向。涂料上的花纹则需要配合Bump贴图制作了。白色方格砖：南邮的建筑楼体大都采用一种边长为30mm30mm的哑光白色方砖。各种砌块，包括各种面砖的表面勾缝是使用Bump贴图来模拟的。勾缝是有严格尺寸的结构，但表现时不一定按其尺寸，但需接近。砖块，砌块

32、，面砖的长宽比需严格按实际制作。在3D有砌块的贴图程序，调配合适可以产生复杂的变化，这个程序有一个特点是可以使砌块表面产生一定的随机的颜色差异。在制作面砖材质时要注意贴图坐标的问题，一般是从转角开始，在不重要的地方结束，当一个单元面积有些大时，需严格按实际尺寸处理，大块砌块也是如此，还要注意勾缝的宽度。由于砖面存在一些小的凹凸，则需使用较小值的Mix混合较小值的Noise和砖缝贴图作为Bump贴图。水泥：水泥是路面常见的材质。其表面有较多细小颗粒，造成光线在其平面上的漫反射效果。物体的表面比较粗糙，但是颜色比较单一，高光值极小，不会在物体表面形成高亮点，但是表面可能有凹凸感。在材质编辑器中注意

33、SHADER【明暗方式】：BLINN方式 （如果选用PHONG方式不容易突出表面的粗糙感）。大理石和花岗石、岩石：如同没有两片树叶是完全一样的，每片石材表面是否相同的，最好的办法是使用大尺寸石材图像，再添加合适的勾缝。由于石材表被抛光，存在一定的镜面放射，且多于高光反射，这是需要注意的地方。同时，3Ds Max也可以加载一些相关的石块编辑器，岩石生成器是一个小巧简单的工具，能够帮助用户在很短时间内创建出一块岩石，并且该岩石自动被赋予了材质。Vue 5 Esprit自动随机生成各种不同形态的岩石，在创建好岩石之后还可以使用材质面板对岩石的材质进行任意的修改。金属：金属的具体情况有些复杂，在渲染时

34、可以分为抛光的和亚光的。根据不同的渲染方式，有不同的贴图方法玻璃：玻璃的表现有一些类似金属。现实中的金属没有颜色，渲染的玻璃却要根据场景上色，简单的办法是用Raytracer贴图。建筑中存在有大量的镀膜玻璃，基本特点是当室外光线亮时，玻璃表面基本是反射表面环境，这是作镜面玻璃处理即可，当室内光线亮时，这时玻璃的透明度变高，一般是在夜景中，玻璃幕墙中存在各种框架支撑，让玻璃的存在更具真实性，但注意调节透明度时考虑与支撑框架的整体效果。在使用灯光时要注意Ray Trace光源和影子。木材：木材表面的颜色和花纹一样没有重复的，对木材处理不一样，表面效果也不一样，这也会因为木材种类不一效果不一，大概有

35、疏松密实之分；处理有抛光，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现模糊的镜面反射。木材的纹理就像砖墙的勾缝一样，应该注意，特别是在能同时看到大角度的两个面时，这种情况可以考虑使用3D自带的三维木纹贴图，由于只存在两种颜色过渡。最好是再在子贴图使用其他形式贴图，以丰富其变化。在近距离观察时，可以适当的按照木纹做一些凹凸效果，软化其给人硬硬的感觉。2.2.2渲染技术随着光能传递渲染技术的不断进步，越来越多的光能传递渲染技术被应用到商业效果图的制作中。以前最大的瓶颈就是渲染计算速度，但随着时间的推移，一方面计算机硬件运算速度在不断提升，另一方面，相关的软件开发也在不断优化

36、。针对3Ds Max软件，已经涌现出一大批优秀的光能传递渲染插件，包括V-Ray、Brazil、finalRender等最为著名。按照渲染手段可以分为三类：一类为MAX自带Scanline线性渲染器，它是目前市场上应用最为广泛的渲染器。其优势计算速度快，缺点是没有物理光照，渲染质量也一般，如果想出效果需用系统模拟光能传递方法。二类是第三方开发的渲染器：Insight、Brazil、Vray、Finalrender和MentalRay。它们是属于全局光渲染。优点是传递模拟简单，缺点为速度慢。三类使用物理传递技术，如LightScape。优点渲染品质真实，可以达到照片级水平，缺点为速度慢。渲染插件

37、的好与坏是相对的，需要看哪种最适合工作需求。现在很火的渲染器VRay使用率比较高，而有些公司则使用MAX自带的MR渲染器。有的插件上手程度有局限，不是一个初次接触3Ds Max可以完成的了的。所以在渲染插件的选择中，需要适度的考虑。本次校园模型场景使用了3Ds Max自带的默认渲染器Scanline渲染。在这里，值得提一点，只有渲染出质量良好的效果图，才能烘培出好的贴图，最终做出好的作品。由于模型建的比较简单，并且纹理都是贴图，所以此场景渲染的主要工作是给场景打上灯光，显示出真实的效果。2.2.2.1灯光设置在3Ds Max中，灯光的设置可以说是至关重要，它直接关系到最后作品的效果，同时也是一

38、个难点。主灯光可以放置在场景中的任何地方，但实际应用中有几个经常放置主灯光的位置，而且每个位置都有其渲染物体的独特方式，下面来分别介绍：1、 FRONT（前向）照明：在摄象机旁边设置主灯光会得到前向照明，实际的灯光位置可能比摄象机的位置要高一些并且偏向一些。前向照明产生的是平面型图象和扁平的阴影，由于灯光均匀照射在物体上并且离摄象机很近，所以得到的是一个二维图形，前向照明会最小化对象的纹理和体积，使用前向照明不需要进行灯光建模。2、 BACK（后向）照明：将主灯光放置在对象的后上方或正上方，强烈的高亮会勾勒出对象的轮廓，BACK照明产生的对比度能创建出体积和深度，在视觉上将前景从背景中分离出来

39、。同时经过背后照明的对象有一个大的、黑色的阴影区域，区域中又有一个小的、强烈的高亮，强烈的背光有时用于产生精神上的表现效果，随着发生过滤和漫射网的使用，物体周围的明亮效果更强了，这种技术因为其对形态的提取而常用来产生神秘和戏剧性的效果。3、 SIDE（侧向）照明：侧向照明是将主灯光沿对象侧面成90度放置，包括左侧放置和右侧放置，侧向照明强调的是对象的纹理和对象的形态，在侧向照明中，对象的某一侧被完全照射，而另一侧处于黑暗中。侧向照明属于高对比度的硬照明，最适合于宽脸或圆脸，因为光线使脸的宽度变小并不显示脸的圆形轮廓，主要用于产生内心的表现和影响，侧向照明也会导致相应变形，因为脸部不是严格对称的

40、。4、 REMBRANDT照明：REMBRANDT照明是将主灯光放置在摄象机的侧面，让主灯光照射物体，也叫3/4照明、1/4照明或 45度照明。在REMBRANDT照明中，主灯光的位置通常位于人物的侧上方45度的位置，并按一定的角度对着物体，因此又叫高侧位照明，当主灯光位于侧上方时，REMBRANDT照明模拟的是早上或下午后期的太阳位置，主灯光在这种位置是绘画和摄影中常用的典型位置，被照射后的物体呈三维形状并可以完全显现轮廓。5、 BROAD（加宽）照明：加宽照明是REMBRANDT照明的变体，起变化包括位置的变化和照射出比3/4脸部更宽的区域，主灯光以和摄象机同样的方向照射物体，加宽照明通常

41、用于窄脸形拉长和加宽，加宽照明不适合于圆脸和宽脸，因为灯光位置使脸部扩大。6、 SHORT（短缩）照明：短缩照明是与BROAD 照明相对的照明方法，在这种照明中主灯光的位置是从较远处照射3/4脸部区域的侧面，因为照射的是脸部的一个狭窄的区域，所以叫SHORT照明，因为短缩照明通过宽的侧面添加阴影，使脸部看起来尖瘦，所以短缩照明最适合于圆脸或宽脸型。7、 TOP（顶部）照明：在顶部照明中，主灯光位于对象的上方，也可以放置在侧上方，但是光的方向要通过顶部。顶部照明类似于中午的太阳，顶部照明会在对象上形成深度阴影，同时被照射的侧面很光滑，他不能用于圆脸对象，因为顶部照明会使对象的脸部加宽。8、 UN

42、DER或DOWN（下部）照明：是将主灯光放置在对象的下方，下部照明一般向上指向物体以照明物体的下部区域，产生一种奇异的神秘的隐恶的感觉。9、 KICKER照明：KICKER照明有两种主灯光放置位置，一种位于物体的上方，一种位于物体的后面，当这两个主灯光照到物体的侧面时，物体的脸部处于阴影之中，然后该阴影区域在被反射光照亮，KICKER照明用于创建物体的高度轮廓。10、 RIM照明：RIM照明设置主灯光于物体的后面并稍稍偏离物体一段距离以创建一种光线轻拂物体表面的特殊效果，主灯光来自物体的后面，创建的是一个显示物体轮廓的亮边，同时相对的处于阴影之中，RIM照明通常将灯光放置在和物体相同的高度，并

43、且设置其具有更强的亮度，RIM照明用于强调对象的形状和轮廓的场合。在3Ds Max的创建工具栏中可以选择的标准灯光种类有：目标聚光灯、自由聚光灯、目标平行光、自由平行光、泛光灯、天光、mr区域泛光灯、mr区域聚光灯。标准灯光属于传统的模拟类灯光，标准灯光共有5种类型，分别是泛光灯、聚光灯、平行光灯、天光灯和MR灯光：1、泛光灯泛光灯可以从一个无限小的点均匀地向所有方向发射光，就像是一个裸露的灯泡所放出的光线。泛光灯的主要作用是用于模拟灯泡、台灯等点光源物体的发光效果，也常被当作辅助光来照明场景。2、聚光灯聚光灯是一种具有方向性和范围性的灯光，聚光灯可以产生圆锥形和矩形两种照射区域，照射区域以外

44、的范围不会受到灯光的影响。聚光灯又分为目标聚光灯和自由聚光灯两种类型。目标聚光灯拥有一个起始点和一个目标点，起始点表明灯光在场景中所处的位置，而且标点则指向希望得到照明的物体。3、平行光平行光灯与聚光灯一样具有方向性和范围性，不同的是平行光灯会始终沿着一个方向投射平行的光线，因此它的照射区域是呈圆形，而不是锥形。平行光灯的原理就像太阳光，会从相同的角度照射范围以内的所有物体，而不受物体位置的影响。当光线投射阴影时，投影的方向都是相同的，而且都是改物体形状的正交投影。4、天光天光是一种用于模拟日光照射效果的灯光，它可以从四面八方同时对物体投射光线。天光比较适合使用在开放的室外场景照明。因为天光没

45、有基于物理属性的参数设置，所以可以用在所有不基于无理数值的场景中。需要说明的是，天光灯只有与光能传递渲染器配合才能得到理想的照明效果。5、MR灯光MR灯光可以模拟各种面积光源的照明效果，因为默认渲染器不支持MR灯光的Mental Ray阴影贴图，而且也无法渲染出面积光的效果。因此，MR灯光需要同Mental Ray渲染器配合使用才能发挥它的所有功能。MR灯光具有双重作用，除了照明场景和投射阴影外，它还可以控制全局光和焦散的光子贴图强度。2.2.3烘焙技术烘培技术，可以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。通过烘培，物体导入到驱动平台以后就会产生阴影、明暗的效果，整个

46、场景看起来会更加真实，立体。烘培的过程与计算机的性能密切相关，因此烘培的时候，应该选择配置较好的计算机以提高工作效率。另外烘培的速度与场景的大小也有关系。所以烘培前需要对场景进行分块，然后烘培，这样会大大提高烘培的速度。影响烘培质量的有几个因素：其一，物体的UV平铺。烘培选项Automatic Unwrap MappingUV能自动将物体的UV进行平铺。自动的成批量的平铺是它带给我们最大的好处，但其效果往往不好，多边形面细密的物体在被自动平铺时会产生很多非常小的簇，渲染时受精度影响会忽略掉过小的簇，结果出现了很多黑斑黑块。解决它的方法一是适当提高Threshold Angle值，可以在一定程度

47、上减少零散的簇，二是使用其它的UV平铺方法或工具，比如手工对簇进行调节，效果也会好很多。不过手工调节确实是一件耗费时间和精力的事情，对于速度和质量的平衡只有在实际工作中去把握了。其二，选择烘培以后贴图的模式。经常使用的模式分为两种：Completemap和Lightingmap。其中Lightingmap 支持双层贴图，除了原图形以外还有一层专门保存光照效果的图层。Completemap只用一层贴图的保存图片和光照效果。对于没有使用贴图的物体，最好不要使用Lightingmap贴图。其三，纹理的大小。Render to texture默认的纹理大小是256256，但它并不完全适用于场景中所有的

48、物体，最简单的解决办法就是选择Use AutoMatic Map Size。2.2.4漫游技术虚拟漫游技术是虚拟现实（VR）技术的重要分支，在建筑、旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业发展很快。由于有可贵的3I特性沉浸感、交互性和构想性，使得沿用固定漫游路径等手段的其他漫游技术和系统无法与之相比。虚拟漫游系统是虚拟现实技术在建筑设计、房地产开发工程、结构和工业设计市场的应用,它的开发和应用前景非常好。虚拟现实漫游系统不仪仪提供了实时、交互性的三维场景,还提供了传统表现方式无法比拟的、崭新的信息交流界面。本文中采用的是真实建筑场景的虚拟漫游，这种虚拟漫游的最大特点是：被漫游的对象是已客观真实存在

49、着的，只不过漫游形式是异地虚拟的而已，同时，漫游对象制作是基于对象的真实数据。在校园漫游过程中，可以通过鼠标和键盘操作来实时更改视点位置和观察方向以实现对场景环境漫游的交互控制，也可以预先设定好漫游路径，实现自动路径漫游。2.2.4.1虚拟漫游技术软件平台VR-Platform是由中视典数字科技独立开发的具有完全自主知识产权的一款三维虚拟现实平台软件，可广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。这一款国产的三维互动平台。虽然现在还不是很完善，但它有很多自己的优点，操作简单，功能相对强大。不需要任何编程操作。并且可以与Max无缝集成。VRP不具有建模能力，

50、Max是VRP的建模工具，VRP是Max功能的延伸，是Max的展示平台。VRP的Max插件导出模块支持Max的各种渲染器，包括ScanLine、Radiosity、LightTracer、以及第三方的FinalRender、VRay。只要是按一定规范制作的Max场景，都能导出至VRP中去。导出方便快捷，只需要按一下按钮，即可导出场景并预览。导出时自动处理各种网格和材质，如不支持则给出提示。支持max的骨骼动画和摄像机动画。对建模没有过多的限制，没有如物体重名、名称过长、中文字符等问题。支持Max中的所有单位格式。VRP-产品体系有一个表状的简介如下（图2.1）：图2.1 VRP-产品体系Fig

51、 2.1 VRP-product system其中可以看出，在不同需求和产品平台的情况下，该系列软件均有不同的分工作业，以满足用户的需求。实现虚拟现实效果。第三章 校园模型的建立3.1前期处理3.1.1 前期处理的原因建筑的建模过程大都以CAD图形为基础进行定位。CAD图形应该在保证清晰的前提下尽量简洁，以减少导入3Ds Max的过程中不必要的时间浪费。因而在导入DWG文件前需要在AutoCAD将图形文件进行“简化”。对于一张原始的南京邮电大学早期设计图，有许多需要处理的地方。于是在模型建立工作之前，需在在AutoCAD软件中进行一些图样编辑之类的前期处理工作。由于是早期的设计图纸（图3.1）

52、，所以可见图纸中的房屋建筑与实际建筑有一定的差异，并且基于本课题的要求，无需如此多的建筑群体。同时部分的道路，例如在教学区和生活区的连接之处的几条小道并没有显示在底图上，这是需要我们进行处理的。图3.1 校园CAD图Fig 3.1 CAD drawings of campus 另外，为了便于之后的建模操作，以及控制模型数据的大小和其运行时间，可以考虑将各个图层分离开来进行编辑。例如，分为道路图层，教学建筑层，还有复杂的楼体编辑（例如南一食堂，既有圆形也有长方形的建筑体），之后将整理好的平面图分别保存为单独的文件。3.1.2 CAD图样编辑首先，可见早期设计图中所示的房屋建筑与实际建筑有一定的差

53、异，并且基于本课题的要求，无需如此多的建筑群体。在CAD软件中选中那些多余的白色建筑层线条，按“Delete”键进行删除。其次，可以根据需求进行图层的分离，并且保存。我在此保存了道路，教学楼区，南一食堂三个建筑图层（图3.2）。在道路图层需要注意的是，由于教学区至南一食堂区域的几条道路均没有画出，所以需要重新绘制。开启视图窗口下侧的捕捉工具，点击右键进行对象捕捉设置，设置捕捉对象为“端点”和“交点”，点击左侧工具栏的“多段线”将路段汇出，注意线条封闭。图3.2 CAD中的建筑图层Fig 3.2 Building layer in CAD关于道路，还有一个需要编辑的地方，道路的封闭。原始图中可以

54、明显看出不少道路的末端均为敞开式，不适合进行挤出操作。为了作图的美观，尽量保持原来的模样，末端的圆角处可以采用CAD软件左侧工具条中的“圆弧”创建，注意需要打开捕捉开关，以便于保证线条的封闭。会遇到线条的多余，在此可以采用软件右侧的“修剪”按钮，将多余的边消除。但是有的线条是一个完整的图形，直接的删除可能会造成线条的缺失，因此，也可以采用软件右侧的“打断于点”按钮，将其在交点处拆分为2条线段。之后选中多余线条，直接选择删除即可。修剪好的道路图层如图所示（图3.3）。图3.3 编辑过的CAD道路图层Fig 3.3 Edited road layer CAD同样类似的操作也可用于建筑体的图层修改中

55、。3.2将CAD导入3Ds Max下面我们将在3Ds Max中导入简化后的CAD文件。操作步骤如下：1、设置系统单位。启动软件3Ds Max软件，新建一个场景文件。选择菜单栏中的【自定义】|【单位设置】对话框，将“显示单位比例”设置为“通用单位”。然后单击【系统单位设置】按钮，在弹出的【系统单位设置】对话框中，将“系统单位比例”设置为“毫米”如图（图3.4）所示。图3.4 设置系统单位Fig 3.4 Set the system unit2、导入简化后的CAD文件。保存文件后，选择菜单栏中的【文件】|【导入】命令，弹出【选择要导入的文件】对话框，在文件类型下拉列表中选择文件类型为AutoCAD

56、 Drawing(*.DWG、*.DXF)，选择制作好的CAD文件。3、参数设置。为了保证导入图形的质量，在导入时弹出的【导入选项】对话框中，勾选“焊接”，“焊接阈值”设置为一个合理的值，本课题的场景范围较大，选择一个较大的数值没有太大的影响，在这里设置为20。之后点击确定键。导入便完成。如下图所示（图3.5）：图3.5 导入选项设置Fig 3.5 Import option3.3 3Ds Max建模在这个步骤中，我采取了两种房屋模型建立的方式，在此分别介绍：3.3.1 多边形细致建模三维空间中的物体是以面片构成的，而这些面片都是附着在网格线上的，网格线的两端又分别连接在节点上，这些节点、网格

57、线、面片都是该物体的植物体，如果要针对这些子物体层级进行编辑，就必须为原物体添加编辑修改命令，比如【编辑网格】、【编辑多边形】等，造型功能最强的是【编辑多边形】修改命令。此种方法，是根据3Ds Max建模的各种工具条细致的在几何体本身中表现出建筑物的形状和部分纹理。方法步骤如下：1、根据CAD底图，定位教学楼的位置，根据前视图建立一个长方体。在右端编辑框中，将宽度分段设置为2。选中物体，单击右键，选择“转换为可编辑多边形”。进入修改命令面板，按快捷键“4”，选择“面级别”，选择一侧的方体的所有面，按【Delete】键将其删除。单击【修改器列表】右侧的下拉按钮，在弹出的下拉列表中选择“对称”修改

58、器，设置为y轴对称。再单击使其变成，对模型进行编辑。2、按快捷键“2”，进入“边级别”编辑，选择一圈边，单击【连接】右侧的按钮，设置风险段数。同理，可以将楼体分层，形成网格状，便于进行挤出操作。建造出大致楼体形状（图3.6）。图3.6 楼体的大体形状和分层Fig 3.6 The general body shape and stratification of the building3、楼体整体的材质赋予。南京邮电大学的教学楼整体以白色方格砖铺成。在楼体近处拍摄墙面的照片，在3Ds Max中输入快捷键“M”弹出【材质编辑器】对话框，选择【贴图】|【漫反射贴图】，点击将材质赋予几何体。4、在某些

59、墙壁的镂空处，选中一圈边，设置分为3段，制造9*9的方格，全部选中，点击【编辑边界】|【切角】，调节数值达到需要的效果。按快捷键“4”，选择“面级别”，选中方格中间的面片，按删除按钮，则可以达到镂空的效果（图3.7）。图3.7 墙壁的镂空效果Fig 3.7 Hollow wall effect5、楼体顶端的蓝色柱状栏杆造型，实际上只需要对于同等大小的长方体进行编辑即可：将长方体切分为两层两列，选择线条，点击【编辑边界】|【切角】，调节数值达到需要的效果，将对于面片删除，即可。效果如图所示（图3.8）。图3.8 栏杆的镂空效果Fig 3.8 The hollow effect of railin

60、gs6、在窗户部分可以对于窗户所在的那个平面进行材质的赋予。输入快捷键“M”弹出【材质编辑器】对话框，【Blinn基本参数】中的不透明度调节为50，制造暗色玻璃的半透明效果。点击，将材质赋予平面（图3.9）。图3.9 玻璃材质编辑界面Fig 3.9 Glass material editing interface7、窗框的建立。窗框选择长方体，利用克隆的功能，制造9条长方体，搭建成窗框模样，赋予蓝色金属材质，贴合于窗户的位置即可。8、台阶的建立。台阶的建立在3Ds Max的创建菜单里可以直接找到，仅需要在创建好的楼梯参数中设置合适的层高层数等参数即可。于是，一个教学楼的模型便建立而成。由于院校

61、的教学楼大都采用镜像对齐的方式建造，所以仅需将所建的楼体和窗框、楼体等几何体“成组”，然后克隆复制，翻转移动到相应位置，教学区的大体建筑群便形成，效果如图所示。图3.10 教学楼群的效果Fig 3.10 The effect of all teaching buildings同理可以应用于图书馆和宿舍楼、南二食堂的建筑模型构建。一些效果图： 图3.11 图书馆模型Fig 3.11 Library model这样，一个非常形象化的校园建筑群已经可以展现在我们眼前，可以清晰的看出房屋的构造，墙体的纹理等一些细节并且贴合实际的部分。但是，这样的一种模型建筑也有其非常大的劣势。每一个细小的几何体都由多

62、个面、线、点组成。这样复杂的楼体，在为了表现更多的细节的基础上，增添了大量的数据面，造成了之后渲染时间的无限延长。并且，在最后一步的漫游实现中，由于软件版本的限制，不支持如此大量的数据（上限8万个平面，细致建筑的面达到83万之多），在这种情况下，为了实现课题的要求，必须寻找其他的方式对于模型的构建进行简化。3.3.2 纹理贴图建模此方式建模的步骤变得简化很多。基本是构建简单建筑物轮廓，然后采用拍照的方式采取建筑物纹理，利用材质编辑器进行纹理的赋予。具体步骤如下：1、导入建筑图层的CAD文件，打开“顶视图”，在新建几何体中选择“线”。2、打开捕捉工具，选择“节点”捕捉。利用捕捉到的点细致的描绘出

63、建筑物的底部轮廓。一圈之后再弹出的对话框中确定线条的封闭。3、在主菜单栏中选择【修改器】|【网格编辑】，单击【挤出】。在【数量】中输入挤出的数量，在此我们根据不同的楼体输入相对的数值即可，按下确认键。楼体的大体形状即被构成。（图3.12）图3.12 教学区建筑Fig 3.12 Teaching building areas4、选中楼体，打开【材质编辑器】，赋予建筑的照片纹理，点击确认。5、点击右边的【修改器列表】|【UVW贴图】，在参数中可以选择多种贴图方式，如平面、柱形、球形、收缩包裹、长方体、面和XYZ到UVW，在此，我们教学楼采用“长方体贴图”，而圆楼则采用“柱形贴图”。贴图效果（图3.

64、13）。图3.13 教学区建筑（贴赋纹理）Fig 3.13 Teaching building areas (Textured)6、可见屋顶的部分也被贴上纹理，感觉非常的不真实。这里可以采用一个小的操作，即在此画线，挤出很少的数量，制造一个“屋顶”，赋予屋顶的纹理。需要注意的是，这里的样条线创建时候需要勾选【自动栅格】，为了使挤出的平面贴合在房屋模型的顶端。（图3.14）图3.14 教学区建筑（完成）Fig 3.14 Teaching building areas (Finished)7、在这样的建筑中，南一食堂（即上图中右上角的复杂建筑）的构造既包含了圆柱体，外围也由长方体围绕，结构较为复杂。仅采用简单的样条线拉升可能