0 引言
虚拟现实技术已在医学、建筑、制造、娱乐、电子竞技、军事等领域获得了广泛的应用。“3D电影”、“3D打印”、“漫游导航”等热点话题正逐渐走进人们的日常生活。构造一个虚拟环境漫游系统，就是利用高性能计算机软硬件创建一个使用户身临其境的、具有沉浸感和良好人机交互能力的软件系统。随着3ds Max 、Virtools等软件功能日益强大，越来越多从事虚拟场景漫游、导航的人员正尝试应用该软件技术实现虚拟场景漫游系统。在欧美等发达国家以及中国台湾地区已经普及到相当规模。在国内，越来越多的开发人员选择使用Virtools平台实现虚拟场景漫游系统[1]。巧妙应用3ds Max贴图技术建立虚拟校园场景，可提高建模效率，减少插件使用，从而降低在 Virtools平台上整合场景资源的难度，提升系统性能。
1 系统总体设计说明
虚拟校园漫游系统应用虚拟现实技术开发实现，它具备虚拟现实技术的特性，满足以下相关要求:
（1）真实感。用户在浏览校园时，要有身临其境的感受才能融入校园，体会到虚拟校园带来的乐趣。
（2）灵活的漫游功能。用户可以选择浏览校园全景全貌，也可以在校园场景中自主漫游。对校园全景全貌的浏览能快速了解学校各种教学设施的地理位置，自主漫游是对校园环境、教学设施的详细了解。
（3）实时的交互性。在校园场景中漫游时，能够通过鼠标或键盘控制漫游的方位和速度，遇到障碍物的碰撞设计是本系统的关键，一个好的碰撞检测系统能给浏览者增加更真实的沉浸感。
本系统需要按照图1的技术路线图来进行开发。
（1）校园数据采集
首先应用Google Earth软件获取我院北校区的电子地图，利用数码相机采集学校建筑、实景图片，再把采集到的数据分类，作为建模素材。
（2）平面图形制作
将获取的电子地图导入AutoCAD软件描绘建筑物、场地、道路等实景轮廓，最终建立校园平面地图。将采集到的建筑物照片应用Photoshop软件加工，作为三维建模的模型纹理、贴图使用。
（3）三维模型制作
在3ds Max软件中导入制作好的校区平面地图，根据建筑物的位置、轮廓绘制三维模型，建筑物的高度可由采集到的照片经过估算得到。
（4）漫游系统实现
在3ds Max软件中建好模型后进行整合；在3ds Max软件中安装插件，将3D模型发布成*.nmo文件；把发布后的文件导入Virtools软件实现虚拟校园场景漫游。
2 校园场景建模关键技术
2.1 校园地图的制作
校园地图的制作在虚拟校园的开发过程中是相当关键的一个环节，校园地图的位置是否准确直接影响到虚拟校园的显示效果，因为虚拟校园的建模是完全基于虚拟校园地图建立的。在绘制校园地图时可以从学校基建处获取相关信息，如果没有可以应用Google Earth获取卫星地图[2]。获取卫星地图时要注意比例的一致性。严格按照卫星地图的位置描绘校园教学设施和道路轮廓等信息。为能精确地绘制校园地图，应把卫星地图导入CAD软件中作为参考来绘制。
2.2 建筑平面框图
通过Photoshop处理好卫星地图后，为得到一个精确的校园地图，将它导入AutoCAD2008作为绘制地图的外部参照文件。应用AutoCAD2008的直线和曲线工具仔细绘制校园的轮廓、教学设施、运动场、道路等轮廓。
2.3 道路、运动场平面框图
在绘制校园地图时应区分校园的各种景物和教学设施，单独创建不同的层来区分不同的景物。例如道路、校园建筑等实景可设置成不同颜色的图层。将所有的实景对象绘制完成后，就得到一张校园地图。其中基础教育学院北校区的平面地图如图2所示。
将校园地图文件导入3ds Max2009软件作为底图参照，绘制出等比例的虚拟校园模型。
2.4 建筑模型
传统三维场景建模方法较为繁琐，需要花费大量的时间和精力。采用基于图像的建模方法，可提高建模效率，使虚拟场景显得更加真实。基于图像建模是指利用图像来恢复出物体的几何模型, 这里的图像包括真实照片、绘制图像、视频图像以及深度图像等。而广义的基于图像建模技术还包括从图像中恢复出物体的视觉外观、光照条件以及运动学特性等多种属性。与基于图像建模技术密切相关的是基于图像的绘制技术，由于基于图像的绘制可以在没有任何三维几何信息或少量几何信息的情况下进行，仅基于若干幅原始图像绘制出三维场景的新视点图像， 因此, 基于图像绘制技术可以实现传统方法尚无法建模的高度复杂场景。但它通常需要对场景做大量的数据采样, 而且无法实现对场景细节的模型编辑。
在3ds Max软件中，基于图像的建模方法可应用贴图技术实现。这种建模方法只需绘制建筑轮廓而不必绘制细节部分，其关键是处理好贴图纹理和光照效果[3-5]。根据场景模型形状和所采集处理后的图片，在贴图时可使用UVW展开贴图（Unwrap UVW）方式。
学生公寓模型相对复杂，即使应用传统的建模方法实现，模型也将占用较多的计算机内存空间，使系统的运行速度大为降低。应用UVW展开贴图的方法只需建立一个模型的框架，通过使用UV展开贴图的方法实现复杂模型的建模。UV展开贴图法能显著降低模型所占用的内存空间，明显提高运行效率，是一种基于图像的建模方法。可按以下贴图技术实现学生公寓建模。
（1）在3ds Max 软件中导入制作好的校园地图，在顶视图找到学生公寓的轮廓，绘制成一个封闭的二维图形，再选择编辑器列表里的Extrude(挤出)命令，挤出的高度由建筑物的高度决定，得到三区学生公寓的三维轮廓。
（2）在3ds Max软件中安装Texporter插件，应用该插件可得到一张UVW展开图。
（3）把采集到的学生公寓真实照片，应用Photoshop软件的剪切、自由变形、旋转等工具进行图片形状、位置等的调节，加工生成学生公寓12个面的图片，对应粘贴到图片中，得到UVW展开图。把该图片作为材质贴图赋予场景中的学生公寓模型，贴图后最终得到学生公寓，如图3所示。学生公寓阳台、窗台、楼层等复杂结构清晰可见。教学楼等建筑设施可按照上述编辑技术实现。
2.5 绿化植物
在虚拟校园场景中，只有教学楼、学生公寓等建筑设施是不够的，要完整地表现一个学校的校容校貌，场景中就应该有树木、花草、道路等虚拟实景物体。而树、草皮这些实景物体比较复杂。如果应用传统建模方法建立树模型，其难度可想而知，即使建立出来也将占用非常多的计算机资源，因此可以应用3ds Max的透明贴图技术在场景中建立树等实景物体。这里介绍树的建立方法。
在一般的虚拟场景动画中可以使用很多的树木插件来制作植物，如Treestorm 、Forest等插件，可以做出逼真度非常高的植物效果[6]。但是考虑到虚拟校园漫游场景的特殊性，要求尽量减少场景中模型的面数，因此，本系统使用“片面拼插贴图法”来制作虚拟校园中的植物。该方法主要适用于单个的、或者细节要求比较多的高大乔木以及点缀的植物，主要依靠面片的插接，然后通过贴图通道来表现树木细节。可按如下贴图技术实现“片面拼插贴图法”。
（1）首先在虚拟校园场景中创建一个面片，长度分段和宽度分段都设为1， 打开材质编辑器，选用空白的材质球，打开“漫反射”贴图通道—“位图”，选用一张贴图，再打开“不透明度”贴图，选用通过Photoshop处理后的贴图。
（2）赋予贴图的面片。在修改命令面板中添加“UV贴图”命令，贴图方式为“柱形”，调整对齐方式为“位图对齐”，这样可以将面片的大小按照所使用贴图的大小进行设置。调整完成后，右键“转化为可编辑多边形”。
（3）关闭“仅影响轴”按钮，再打开“角度捕捉切换”，按住“Shift”键，同时旋转。依次选择“克隆选项”、“实例”、“确定”，校园环境树制作完成。环境树制作完成后根据场景需要可适当添加树木，但不宜过多，树木太大会降低系统运行速度，影响漫游效果。可按此方法制作其他实景物体。
2.6 天空效果
在建立虚拟校园时，天空效果的表现是必须的，主要有以下几种建模方法:
（1）半球物体贴图。在场景中建立半球体，使用法线翻转工具翻转半球体，直接贴一张天空图片即可显示出天空效果。
（2）插件。搜集能生成天空的插件，在3ds Max中安装插件后直接创建天空效果。
（3）通道应用。在3ds Max中设置通道，通过贴图通道导出图片，经Photoshop软件处理，然后在3ds Max通过贴图创建天空效果。
因为在制作好虚拟校园场景后需要把场景导入Virtools软件，为方便在该软件中实现漫游，应使用第一种方法，即“半球物体贴图”法，可按以下编辑技术操作。
（1）在3ds Max中，打开虚拟校园场景文件，在顶视图中建立球体，选择球体右击，把球体转化为可编辑多边形。找到修改器列表的可编辑网格编辑器，展开修改器列表中的加号，选择多边形的“点”对象，在前视图中选择球体的下半部分并删除，场景中剩下一个需要制作天空效果的半球体。
（2）选择半球体，在修改器列表下点击可编辑网格对象，展开加号，点击可编辑网格的“面”对象，使用快捷键“Ctrl+A”全选球体的所有面，使用“翻转”工具翻转半球体所有面的法线。使场景中能直接看到天空效果。回到场景中重新选择半球体，用右键选择“对象属性”，在打开的对话框中选取“背面消隐”复选框。最后点击确定关闭属性对话框。
（3）打开“材质编辑器”，在“漫反射贴图”通道中添加一张天空贴图。在“自发光贴图”通道中，使用“实例”复制拖动“漫反射贴图”到“自发光贴图”通道中，最后单击确定关闭材质编辑器对话框。如需调节天空在场景中的形状，可使用缩放工具，在Z轴或其他方向挤压半球体。天空效果制作完成,虚拟校园部分场景如图4所示。
3 资源整合及导入
在3ds Max中建立好虚拟校园场景后，就可以导入到 Virtools中进行交互式漫游设计。3ds Max文件导入到Virtools中需要安装Max Exporter的导出插件Max Exporter，它是一个专门把在3ds Max中创建的模型、贴图、灯光以及动画导出为Virtools软件支持的插件。安装后可以在3ds Max的安装目录Plugins中检测到是否有“Max2Virtools.dle”文件。
把虚拟校园场景导入Virtools软件中后，有可能在Virtools中的效果会发生一些变化，例如树的面片在3ds Max中是透明的，但在Virtools 中树的面片出现了，会影响显示效果，这时可设置树的透明度，让树不再以面片的形式出现。
4 漫游系统的实现
在Virtools软件中要实现虚拟漫游功能，可以通过使用摄像机来与场景中的物体进行交互。在创建面板上点击摄像机按钮，在场景中创建一个摄像机。为了使虚拟校园有良好的交互效果，本系统引入一个人物角色“Peter”，使这个角色在虚拟校园中能自由漫游。
对角色设置碰撞检测，这是虚拟交互设计中一个非常重要的工作，只有真实的碰撞检测，才能使虚拟交互更加接近真实[7]，为此要对系统设置基本的碰撞检测。正确设置后，角色能与场景中的物体发生碰撞，并不能穿越物体。至此，实现了系统的场景建模、角色建立、交互式虚拟漫游等功能。系统运行界面如图5所示。
5 结论
应用上述3ds Max贴图技术建模可避开繁杂的场景建模过程，减轻了资源整合的难度，使角色在场景中漫游时更加流畅，系统更容易实现。
参考文献
[1] 李洋,王赐胜. 虚拟校园漫游系统的研究和实现[J]. 网络财富, 2010(9):133-134.
[2] 游兰, 彭庆喜.基于Google Maps API的地图解析研究与实现[J].湖北大学学报(自然科学版), 2010,32(2):161-164.
[3] 曾影,张雪松,单莉. 基于3D Max的校园场景可视化的设计与实现[J].湖北大学学报(自然科学版), 2014,36(2):190-194.
[4] 李彦娜. 基于Virtools的虚拟校史公园漫游系统的研究与实现[D]. 成都:四川师范大学, 2011.
[5] 李昌国,张晓林,谭良,等. 基于GIS和VIRTOOLS技术的虚拟校园漫游开发方法的研究[J]. 计算机工程与设计, 2007,28(13):3223-3226.
[6] 李彦娜,詹小川. 基于3ds Max和Virtools的虚拟校史公园漫游系统的研究[J]. 电脑知识与技术, 2011,7(3):1658-1660.
[7] 陀炜,刘佳龙,陈超超,等. 基于Virtools的虚拟校园漫游系统的研究与实现[J]. 计算机与现代化, 2012(12):48-50.