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2012 届本科毕业设计

项目名称：交互式 3D 虚拟校园漫游系统的设计与实现

设计人员：王维花专业：计算机科学与技术（数字媒体技术方向）班级： 2008 级 3 班指导老师：王安志

交互式 3D 虚拟校园漫游系统的设计与实现

班级： 2008 级 3 班学生：王维花学号： 2008090335

指导老师：王安志老师

研究意义

随着“数字中国”、“数字城市”等概念的提出和逐步实现，虚拟校园的设计与实现已成为当前大学研究的热点之一。教育部也在一系列相关文件中，多次涉及到虚拟校园，从中阐明了虚拟校园的地位和作用。国内很多高校如天津大学、浙江大学、上海交通大学等已经建立起虚拟校园漫游系统并投入运行了。 虚拟校园实现了对校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，支持学校的教学资源管理、环境规划、学校发展和远程访问。它提供给师生一个三维可视化的、有声有色的综合互动交流环境。创造了一个具有沉浸感、交互性的虚拟三维世界。可以使浏览者全面了解校园的布局和信息，体验身临其境的感受。对大学的对外宣传、招生就业等具有非常重要的作用。

研究内容 本课题是以虚拟现实的三个基本特征：沉浸感、交互性、构想性为中心来实现对四川文理学院新校区虚拟校园漫游系统的设计与研究。具体研究的内容主要包括以下几个方面：（ 1 ）对校园场景及对象建模的研究① 分析与对比了三维建模技术的优点及缺点，并选择合适本系统开发的建模技术。② 通过收集到的信息，对学校的场景进行建模，并讨论校园中建筑、树木等的建模方法及实现过程。其中重点研究了图书馆一楼的建模及窗户的建模方法。③ 对于纹理贴图的处理，材质的制作及烘焙技术的研究。

（ 2 ）校园特效及交互的研究① 对导入 Quest3D 的模型进行调节，对出现的问题进行分析与解决。为了增强整个场景的生动性。对光、声、视频等特效进行研究。② 通过 3rd Person Walkthrough Camera（第三人称行像机）使用户能自由的游览学校场景。与此同时还要对学校的经典路径进行设置，以达到一个引导的作用。为了保证漫游过程的真实性，本系统还要对漫游过程中的碰撞检测技术进行研究。③ 对自动开关门的实现。

准备工作

1. 前期资料搜集（包括参考论文、对学校建筑对象及场景进行照相并对照片进行处理、在网上收集有关学校的信息资料、收集视频及背景音乐等）。2. 系统开发工具的比较与选择（下载有关 3dmax 及Quest3D 教程进行学习）。3. 需求分析（主要包含硬件资源需求、功能需求、性能需求的分析、安全性的分析）。4. 系统设计（包含系统设计流程、功能模块设计等）。

设计过程一、建筑模型制作

因没有图纸等精确数据作为依据，所以只能按照数码相片的取材估算出建筑物的每层楼的大概高度。然后建立出组成建筑物的多边形组合。建筑物的主体主要是一个长方体，然后将其转化为可编辑多边形。再经过点、线、面以及元素的编辑 ( 如剪切、拉伸、挤出等 ) ，得到所需的精简模型。对于楼梯，窗户等细节部分将用贴图来表现。完成了单个模型的建立后再根据校园规划图将它们按正确的比例合并在一起。下图为建立的部分模型图。在制作模型时还要严格按照Quest3D 的建模要求和原则。

二 . UVW 展开及纹理绘制 给制作好的模型添加UVW 展开，并使用自动展平来展 UV ，展开后要对其进行整理，重新组合，既便于在 Photoshop 中对贴图进行绘制。也可降低后面烘焙渲染的负担。下图为贴好贴图的模型。

三、灯光布局及烘焙渲染

1. 对场景设置好灯光，使整个场景看起来更有层次感。。采用一个目标平行光作为主光源，以多个目标聚光灯作为辅助光源。 2. 烘焙的时候可以烘焙 COMPLETE MAP 也可以烘焙 LIGHT MAP 。COMPLETE MAP 烘焙出来的就是所有通道的贴图其中包括 LIGHT

MAP 。它记录了所有的信息，包括纹理，光影，颜色等信息。而 LIGHT

MAP 只记录了光影信息。然而 COMPLETE MAP 在后期 VR 软件中不好调节，又加上会出现黑边现象，所以选择烘焙 LIGHT MAP 。在3DSMAX 中渲染得到的效果图如下所示：

四、模型的处理和交互功能的实现1. 使用 Quest3D file exporter(*.CGR)插件将场景导出再分层导入Quest3D 中。

2. 实例化技术是计算机图形学里为节省计算机的运行负担而采用的一种算法。当构造多个相同形状和相同属性的模型时，如果采用正常的拷贝手段，每增加一个物体模型，多边形的数量就增加一倍，而采用实例化技术，可以在增加同类物体数量时不增加多边形数量。下面要讲到的 Nature Painting 也是为在场景中渲染大量三维物体而设计的。由于使用了硬件优化 Nature Painting 的渲染速度是非常快的，特别是特定的静态元素。动态对象应该总是使用 For Loop 渲染。下图为用实例化建模技术建立的乒乓球台模型的效果图及程序。

  

3. 对于植物的添加主要采用 Nature Painting 系统来进行种植其程序及效果如下图所示：

4.第三人称漫游设计主要是在角色的后面放上一个摄像机，这样摄像机就能随着角色一起漫游。其中要注意的是要设置好碰撞检测，要不然摄像机会因受重力作用不断往下掉。其程序图如下所示：

5. 为了引领浏览者观赏校园场景，因而设置了一个固定路径动画。此操作的实现主要是用到了一个计数器和逻辑控制程序，然后再在动画面板中进行动画设置。其程序图如下所示。

6. 在本设计中主要做了两种门的交互，一种为自动的开关门，它主要的思路是获取角色与门之间的距离，当角色靠近门时门自动打开，远离时门自动关上。另一种是利用鼠标来进行开关门。其程序图如下：

如上图所标示的那样A 部分是自动的开关门程序， B 部分为利用鼠标来进行门的开关控制。首先谈一谈自动门的实现所需要的主要的Channel 。要实现此功能首先要设置好门的旋转坐标轴的位置，这样才能使门朝着正确的旋转轴旋转。而坐标轴的位置是在 3DMax

中就已经设置好了的。图中 1 是 ValueOperator（值算子），它的功能是提供一个值域，即相机所在的位置和门之间的距离。它的属性框中有一个 get

distance （ vector ， vector ）可供选择。图中 4 是 ExpressionValue（表达式），它有一个子模块 A,A

就是相机与门之间的距离。表达式 A<2表示当相机与门之间的距离小于 2 米时，返回值为 1 。此时门自动打开。反之，返回值为 0 ，门自动关上。

  

7.背景音乐的插入主要运用到得通道模块是 Sound File channel 与Sound Command channel 。程序模块如下图所示：

8. 多媒体影片的实现主要运用到的模块是 Media Texture 及逻辑控制部分。其程序如图所示：

对系统进行演示

总结体会：

完成整个设计与毕业论文共花了大概两个多月的时间，此设计是我上大学以来第一次独立完成的一个较大的项目。在此次设计中在大学里学到的知识基本上都用到了，比如：平面设计、虚拟现实技术、 3D 动画设计等。在做设计的时候也遇到了不少问题。有些问题也许要花上一天的时间你才能发现问题的所在。有时候确实感到很烦。但当你通过网络或者同学及老师的帮助然后将问题解决了之后，心里还是挺高兴的。挺有成就感的。通过这次的毕业设计也让自己收获了不少东西。

收获：

1.把大学四年来所学的知识与实践相结合起来。运用到自己的作品中。2.增强了自己的自学能力及意志力。3. 对 3D MAX 等软件运用得更加熟练。4. 通过论文的写作使自己在写作上更加严谨，思考问题更加全面。

不足：

1.由于是一个人完成一个项目，再加上自己的能力有限，因此整个设计做得还不够完善，功能不全面。 2. 前期的准备工作做得不够好，如：在对建筑的拍摄中没考虑到天气及拍摄角度等问题。给后面对贴图的处理带来了很多麻烦。图片在不断地缩放中失真较大导致贴在模型上的贴图较模糊。对复杂地形的建模不够真实。

致谢 本论文是在指导老师王安志老师的精心指导下完成的。正是指导老师悉心指导和关心下才使我能够顺利的完成学业，顺利完成论文。所以我要衷心的感谢王老师对我们的帮助及上课期间传授给我们的知识，这为我的课题研究打下了坚实的基础。四年的求学生涯，学到的不仅是知识，更多的是做人的态度，为人处事的道理。所以我要感谢大学期间教过及帮助过我的所有老师，还有和我一起度过四年大学生活的同学们。最后衷心的感谢论文评论委员会的老师们在百忙中对我的论文给予指正。

最后请各位评论委员会的老师们对我的论文给予批评指正。