梁金峰+陈小霞+++李华新

摘要：基于虚拟现实技术对湖南省衡阳市石鼓书院的湖湘文化景区进行了虚拟再现。通过使用3ds MAX和Zbrush软件以及Unity3D游戏开发引擎，建设具有漫游和交互功能的景区虚拟旅游系统，其中重点对石鼓书院的禹碑亭长廊、石鼓书院大门、李忠公祠、武侯祠、大观楼和合江亭进行了详细的三维建模和Unity3D建筑可视化交互设计。

关键词：虚拟现实；湖湘文化景区；3ds Max；Zbrush；

中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：16727800（2017）004008603

1虚拟景区与旅游

虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR）也称灵境技术或人工环境，是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，这种系统生成各种虚拟环境，作用于用户的视觉、听觉、触觉，使用户产生身临其境的感觉，沉浸其中[1] 。虚拟现实技术的应用领域相当广泛，目前主要应用于旅游、娱乐、教育、艺术以及军工等方面。 虚拟景区与虚拟旅游是在现实旅游景观造型的基础上，通过模拟仿真来构建一个能使用户产生沉浸感，并具有交互性的虚拟环境[2]。我国虚拟旅游景区表现形式有3种，分别是二维虚拟旅游景区、三维虚拟旅游景区和 360°全景漫游虚拟旅游景区。与旅游发达国家相比，我国虚拟景区起步较晚，虽然发展速度较快，但整体水平不高，交互性不强，吸引力不够。目前国内虚拟旅游系统由于在景点还原表现形式上的缺陷，导致旅游系统交互性不强，用户只能被动接受景点图片，无法主动对景区进行深入的交互和探索，导致旅游系统对用户的吸引力大打折扣。

2虚拟旅游系统设计思路 地处衡阳的石鼓书院是湖湘文化的重要发源地，本文以石鼓书院为蓝本，设计开发一个虚拟旅游系统，实现传播湖湘文化的目的。 所谓虚拟旅游系统就是用户与虚拟旅游景区的交互平台，除了构建虚拟景区环境外，还需要一个角色在虚拟环境中被用户控制，通过鼠键控制人物视角，遍历整个旅游景区。本例以3ds MAX软件构建三维虚拟旅游景区，再加以Unity3D等游戏引擎在电脑中再现现实世界。湖湘文化虚拟旅游系统三维模型设计与实现过程如图1所示。湖湘文化虚拟旅游系统的实现包括虚拟旅游环境的开发和虚拟交互平台设计。虚拟旅游环境开发包括模型和三维场景构建；漫游平台设计包括三维图形显示和输入命令控制。

3虚拟旅游系统模型构建

3.1系统模型构建

3.1.1现场数据资料采集 为了能准确直观地进行景区建模设计，需要到石鼓书院景区进行实地考察，并对景区重点建筑进行测量，得到场景建筑与建筑之间的距离，建筑的长宽高数据，然后根据采集数据和地图以一定比例进行缩放，形成一个固定的比例尺，使模型各部分比例缩放相同，模型更逼真。同时对石鼓书院景区建筑细节进行拍照，利用3ds MAX中的网格进行建模以增加模型的精确度。3.1.2地形模型建造 虚拟旅游区场景最基本模型是地形，地形的比例直接影响各建筑之间的位置，所以地形模型与现实地形比例应与建筑模型比例尽可能一致，这样才能把地形对建筑的影响控制到最小，从而达到更逼真的效果。 本例中利用百度地图的准确性，把石鼓书院整个平面图导入3ds MAX中，将整个地形勾勒出来，然后确定各建筑的位置，再根据各建筑所处地形，在3ds MAX中采用多边形拉伸、挤压、衰减等命令完成地形模型的构建。地形包括平坦地形如道路、台阶等，凹凸不规则的自然景观地形可采用层叠法得到。3.1.3植物模型建造 植物属于自然景观，是虚拟旅游区景观中不可或缺的部分，在现实景区中扮演着重要角色，能多样化点缀人文景观，衬托出生机勃勃的景象。 由于植物在景区中分布广泛，场景范围较大，而且植物多样化，考虑到实时漫游需求，在虚拟场景中应减少真正的植物模型，以植物贴图办法来显示效果。同时为减少工作量和资源消耗，在自然景观中拟采用相同的植物模型，采用层叠法达到效果。 在 3ds MAX中使用多边形挤出工具做出树干，然后用若干平面交叉在一起形成树叶，得到一个植物模型，在虚拟场景中同类树可共用一个模型，以节约系统资源。3.1.4水体模型建造 石鼓书院位于湘江和蒸水河的交汇处，水体为动态水体，需要表现出波纹、涟漪以及倒影等效果，在3ds MAX中运用噪波衰减配合关键帧实现波纹运动，产生水面涟漪的效果，在Unity3D中直接创建，再根据需求分别进行渲染3.1.5建筑模型建造 石鼓书院是个古人文景区，建筑皆为古建筑，雕梁绣柱、殿堂楼阁、高台厚榭、朱甍碧瓦，一些细节如建筑檐角、雕纹等很难在虚拟系统中刻画还原。 石鼓书院旅游区建筑平面图采用 AutoCAD完成，然后导入到 3ds MAX 中建模。阁楼内部结构复杂，采用粗略建模。根据阁楼对称特点，得到阁楼内部基本结构，然后根据采集的景区照片分别对建筑的屋顶、外侧门窗、四周屋檐采用精细建模、次精细建模方式。外侧面大部分采用精细建模，再在Unity3D中整合。建模过程中模型面数要尽可能精简，以保证系统流畅运行。3.1.6人物雕像模型建造 人文景区大多有许多雕像，石鼓书院也不例外，像石鼓书院的石鼓、大观楼前的先贤孔子都是雕像，在3ds MAX中建模需要花很多时间。本例运用ZBrush 软件，采用雕刻方法刻画人物雕像，得到次模型后再导入3ds MAX中对雕像细节进行调整，使其与现实更逼真。

3.2系统模型优化

由于虚拟旅游系统资源有限，为了能夠在有限资源下使程序运行流畅，在模型建完后需要对模型进行优化。在3ds MAX中，模型的面数对系统流畅程度影响最大，模型的面数越多，系统消耗资源就越大，从而导致游戏流畅度降低，所以模型优化工作之一就是减少模型的面数[3]。 减少面数并不是对模型面数随意减少，只有那些直接添加材质而没有贴图并且看不到的面才能优化，否则会导致模型或贴图变形而影响模型外观。 因为没有参照物，初步建立的模型一般存在数据量大、比例不协调等问题。比例协调物体的建模效果能增加三维场景的真实感，这需要在建模时注意协调模型间的比例，并适当降低模型的面数。场景三维模型初步建成后，在3ds MAX环境中除去冗余的多边形，同时调整贴图模式，减少Vary灯光使用等，通过这些措施优化模型，以达到提高系统运行速度的目的。

4材质及贴图制作与优化

材质及贴图是三维建模完成后在物体着色方面最引人注目、也是最拟真的方法，能使整个虚拟旅游系统真实感更加强烈，本例贴图和材质制作过程包括现场照片采集、处理图片、贴图渲染。 石鼓书院属于古式阁楼建筑，大部分是木质结构，材质相似，而且建筑的部件都是单一材质，无需UVW贴图。为了减少工作量和系统资源消耗，模型大部分多边形直接赋予材质球即可。本例先采集建筑物材质照片，然后通过3ds MAX软件进行材质模拟，得到接近最真实的材质后导出材质球，最后在模型完成后直接赋予材质。小部分使用贴图方式，如门上的对联、石碑上的碑文等。 对三维模型赋予材质和贴图后，需要对模型赋予塌陷命令，将模型转化为可编辑多边形，目的是减少建模过程中出现多余的命令，降低内存和CPU的占用率，提高电脑运行速度。对模型使用塌陷后会把所有附加在三维模型上的修改器、材质贴图等固定在模型上，此步骤在模型完成建模与材质赋予之后进行，否则塌陷后模型将不能进行修改。

5引擎设计与实现

模型设计完成后，将其导入Unity3D中实现交互功能。Unity3D是由Unity Technologies开发的可创建互动内容的多平台综合游戏开发工具[4]，如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型创建。

5.1模型导入准备工作

由于Unity3D与3ds MAX两个软件的开发商不同，模型不能直接从3ds MAX导入到Unity3D中，需要在3ds MAX中进行一些设置，使模型在导入Unity3D后不会出现错误。 在软件3ds MAX导出模型前，需先在3ds MAX中将系统默认单位设置进行修改。3ds MAX中，默认的单位是毫米（mm），而在Unity3D中默认的单位是米（m），两者相差百倍，如果不进行相应处理，会出现unity中模型非常小的情况。 另外在三维模型导出前，必须在 3ds MAX 中把模型的方向轴 y 轴设置为向上。因为在3ds MAX中，模型的z轴是向上的，而Unity3D中是y轴向上。导出模型前必须确认所有多边形整合好且方向轴Y向上，如果部分多边形方向轴y轴没有向上，则这个多边形在Unity3D中将会与模型脱离，形成模型散架。 在3ds MAX中处理完后，将模型以.maxl文件格式导出，然后导入到Unity 3D软件中形成虚拟旅游系统场景。

5.2功能实现

虚拟旅游系统包括人机交互、碰撞检测等功能。人机交互功能是实现漫游的重点，本文使用第一人称控制角色遍历虚拟场景，从而实现人机交互。碰撞检测是控制角色与模型间的物理反应，在Unity3D中，对物体分别添加相应的碰撞器，设置障碍物，当角色遇到障碍物时，不会出现穿插、陷落等bug现象。模拟物体遇到障碍物时的物理反应，如当角色遇到墙壁时不能继续前进等。 添加碰撞器后，需要对模型添加场景光照（Lightmapping），以增强场景立体感，使场景看起来更加真实。在Unity3D中，先选定模型然后在Inspector视图勾选Static复选框，使得模型标记为Static，Unity3D会默认这些物体为不移动的静态物体，然后这些标记为Static的模型会受到场景灯光的影响。接下来修改灯光参数，如光源方向、Bounces 数值、Resolution数值等，最后生成Lightmaps。 Unity3D自带人物插件，下载安装即可，只需要修改一些参数即可控制角色动作，如前进、跑步、跳跃等，用户可通过鼠键来控制角色漫游，实现人机交互。

6结语

本虚拟旅游系统借助3ds MAX建模还原虚拟场景，结合Unity3D的虚拟现实交互技术，设计制作了石鼓书院虚拟旅游系统，使景区具有更强的展示效果和视觉表现力，促进公众关注和了解湖湘文化，实现便捷的互动旅游。

参考文献：[1]张占龙， 罗辞， 何为，等. 虚拟现实技术概述[J]. 計算机仿真， 2005， 22（3）：13.

[2]蔡翊. 基于Unity3d的金丝峡地质公园虚拟旅游系统的研究与实现[D]. 西安：西安科技大学， 2012.

[3]程萍， 宋春华. 基于Unity3D引擎的3D漫游系统[J]. 成都纺织高等专科学校学报， 2014， 31（4）：2428.

[4]梁少刚. 基于位置服务的三维虚拟校园系统的设计与实现[D]. 重庆：重庆邮电大学， 2015.

（责任编辑：杜能钢）