李满 邓峻权

摘  要：文章以广州工商学院三水校区商业街区域的建筑和自然景观为研究对象，用3ds Max对建筑和自然景观进行针对性的三维建模和场景渲染制作，采用Photoshop图像处理软件制作模型的贴图，最后将建立好的三维模型根据卫星二维平面地图上的位置和大小，进行优化调整和组合，完成一个具有真实感的虚拟三维校园景观沙盘，通过虚拟三维校园景观沙盘的三维可视化，让观察者在虚拟校园中能体验身临其境的感受。

关键词：三维建模技术;沙盘模型;场景动画渲染;虚拟现实技术;虚拟校园

中图分类号：TP391.9;P208      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0089-04

Abstract：This paper taking the buildings and natural landscapes in the commercial street area of Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as the research object，The 3D modeling and scene rendering of architecture and natural landscape are carried out by using 3ds Max，and the mapping of the model is made by Photoshop software. Finally，the 3D model is optimized and combined according to the position and size of the satellite 2D plane map. Complete a virtual three-dimensional campus landscape sand table with realistic feeling. Through the three-dimensional visualization of the virtual three-dimensional campus landscape sand table，let the observer in the virtual campus can experience the experience of immersive.

Keywords：3D modeling technology;sand table model;scene animation rendering;virtual reality technology;virtual campus

0  引  言

虛拟现实技术作为一项多学科交叉的信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支[1]。

搭建虚拟现实系统的需要的相关技术有：虚拟现实三维漫游效果、三维模型建立和模型贴图制作等[2]。实现虚拟现实三维漫游效果可以使用Unity3D引擎，建立虚拟现实三维漫游效果所需三维模型可以使用3ds Max[3]，制作模型贴图可以使用Photoshop。本文以广州工商学院部分校园建筑景观为例探索虚拟现实三维漫游效果中所需的三维模型的设计和应用。

3ds Max软件可以使用多种建模方法进行三维模型制作，根据不同的项目需求选择使用不同的建模方法，主要的建模方法有：标准基本体建模方法、多边形建模方法、NURBS曲线建模方法、面片建模方法、放样建模方法等[4]。本文根据三维漫游效果所需要的模型，用3ds Max制作完成了虚拟校园漫游系统中的部分校园景观沙盘三维模型，并使用Photoshop平面软件制作模型的贴图。

1  整体设计思路

根据对广州工商学院商业街地区的实地考察可知，多边形建模方法适用于三维校园沙盘景观场景模型的建立，具体流程步骤如下，制作流程如图1所示。

2  校园景观沙盘模型的基础数据搜集与处理

数据搜集是三维校园建筑场景建模过程中一个重要环节，搜集到的数据的精确度将影响三维校园建筑的真实程度。一般的数据搜集包括建筑物四周的图片、建筑物的地形尺寸、地形高度等，根据数据搜集的类型大致可分为仪器法和估测法。

2.1  搜集二维平面图

校园的卫星二维平面地图可作为校园建筑模型地形的参考图，并且可以通过地图中的比例尺测量建筑模型的尺寸，本次校园建筑建模中选择使用百度地图的卫星二维平面地图作为地形参考图和尺寸参考图来建立建筑模型[5]。如图2所示为广州工商学院三水校区商业街部分的卫星二维平面地图。

2.2  建筑场景实地照片及测量建筑实体尺寸

建筑物是虚拟三维校园的主体之一。建立建筑场景模型必须要有各个所需建立的建筑物的高度信息，因为工具的有限和图纸的缺少，所以本次模型的建立采用估算法来估算建筑物的尺寸。通过测量建筑物外墙的瓷砖高度和数量可大致估测出建筑物的高度。将建筑物的其他尺寸都估测一遍，为后期的虚拟三维校园建筑建模做好参数准备。

使用手机或相机拍摄采集到的照片可以作为建筑物的外形参考以及贴图的选择与制作，根据实际拍摄到的建筑物照片制作或者选择相似的贴图使用Photoshop进行修改后使用[6]。

2.3  贴图的制作与处理

拍摄采集到的建筑物照片是建筑建模的贴图参考，因此拍摄照片要保证色彩、比例等与真实建筑之间的差距不大，不能出现颜色失真，严重畸变等问题，否则会影响到制作出的贴图，导致显示效果不理想，不同建筑物中相同材质的部分应使用同一种贴图以减少渲染的负荷。

3  模型的建立

三维模型效果的好坏直接影响到用户的使用体验，因此三维模型的建立是非常重要的一个环节，该环节主要使用3ds Max软件和Photoshop软件进行制作。

3.1  建筑场景三维建模

3.1.1  三维建模方法的选择

场景建筑模型建模中有许多建模方法，其中一种方法是单纯使用贴图来模拟显示建筑，即标准基本体建模，这种方法建立模型比较简单，但是建立的模型不能很好地表现出不规则墙体的立体感，在许多视角如俯视上的显示十分不真实，容易失真，并且处理贴图时很繁琐，因此本项目不使用此种方法。另一种方法是每个三维建筑结构都用多边形面去进行模拟建立，即多边形建模，这种方法建立的模型真实度高、阴影真实和立体感好，但是这种建模方法建立的模型一般面数都会比较大，模型应用在Unity3D中制作校园漫游时容易卡顿，所以也不使用这种方法。

结合两种方法的优势，在建模时对于较为平整的面使用贴图显示，对于凹凸较大的精细的细节结构使用多边形面片进行模拟，这样能制作出面数相对少且三维立体效果较好的建筑场景模型。

3.1.2  三维建模的步骤

以广州工商学院国际学术交流中心建筑模型的制作流程为例阐述三维建模的步骤：

（1）根据卫星二维平面地图作为校园建筑模型地形的参考图，根据平面地图尺寸比例制作出广州工商学院国际学术交流中心的地面部分。

（2）使用多边形建模方法制作出场景建筑模型的大致主体结构，制作出门口、围栏、窗户、楼顶等建筑模型次级结构，然后将这些结构根据地图放置到相应的位置上并调整好比例和角度。

（3）优化该三维模型。对具有相同材质的多个模型进行组合，统一赋予材质;检查是否有重合顶点并将重合的多个顶点焊接成一个顶点;将不可见的多边形面进行删除;对场景建筑模型的各个结构部件和建筑主体进行组合重新命名，如图3所示，为优化好的，未进行贴图制作的场景建筑模型。

（4）用Photoshop软件制作贴图材质。

（5）制作好贴图材质后将其赋予到相应的多边形面片上，此步骤中，根据建筑模型不同，部件的选择使用UVW展开工具或者UVW贴图工具，并且查看是否存在着多边形面重叠的情况，存在重叠的面片进行调整，建立完成的三维建筑模型如图4所示。

根据上述的操作分别制作出其余建筑模型，并按照卫星二维平面地图上的建筑所在位置摆放好，制作出只有建筑物的三维校园景观沙盘模型的雏形。

3.2  沙盘模型环境的制作

校园环境指的是校园建筑室外的环境，主要包括树木、花草、雕塑、路灯等设施，这些都是校园环境的重要组成部分，这些组成部分可以让三维校园景观沙盘模型的色彩更加丰富、真实感更强。由于校园环境显示效果的需求，采用面数较少的简单模型建立。

3.2.1  树木模型建模

树木模型建模的方法一般有三种：

（1）单面片建模。

（2）面片十字交叉建模。

（3）真实树木建模。

其中真实树木建模所产生的面数过多，模型应用在虚拟校园漫游系统时容易产生卡顿，所以不使用这种方法;而单面片建模建立的树木模型显示效果没有面片十字交叉建模建立的树木模型好，所以选用面片十字交叉建模方法建立树木模型。

面片十字交叉建模方法需要用到两片多边形面片和一幅含有Alpha通道的透明贴图。首先在Photoshop中制作出含有Alpha通道的树木贴图，如图5为树木贴图及其Alpha通道图层。

然后在3ds Max创建两片十字交叉的多边形面片，把树木贴图赋予到两片多边形面片上，注意图片的方向准确，并且树干部分要到达图片的底端，在树木贴图的材质设置中设置好Alpha通道的信息，制作出的面片十字交叉树木模型就能显示出树木部分，而其他空白部分则为透明。

3.3.2  花坛模型建模

建立花坛模型选择使用简单的模型加上贴图显示来制作，首先按照花坛的外轮廓制作出花坛底座，其次用三维基本体制作底座上方的方形灌木丛，接着就是制作生长在方形灌木丛中的景观树，最后用面片模拟不规则长出的叶子。

3.3.3  其他部件模型建模

花坛模型和树木模型建模完成后，继续使用多边形面片建模方法继续建立路灯、地面、路肩等三维模型。

4  校园景观沙盘三维模型的整合集成

将所有建立好的三维模型根据卫星二维平面地图上的位置和大小，优化调整好角度和比例后，按照相应的位置进行摆放，并且根据建筑物或者类型进行组合重新命名，这样校园景观沙盘三维模型就集成完毕了，然后再使用这个校园景观沙盘进行渲染效果图的工作，图6为校园景观沙盘效果图。

5  结  论

本文主要是对虚拟现实系统中需要的建筑模型和绿化景观的建模方法进行研究，并用3ds Max制作完成了虛拟校园漫游系统中的部分校园景观沙盘三维模型，使用Photoshop图像处理软件制作模型的贴图，并把建立好的模型进行了整合，形成完成的景观沙盘，为虚拟校园漫游系统的开发提供了基础模型。

参考文献：

[1] 娄岩.虚拟现实与增强现实技术概论 [M].北京：清华大学出版社，2016.

[2] 贺晓晖.基于Skyline的三维虚拟场景构建方案探讨——以新疆某供水工程水处理厂为例 [J].江苏科技信息，2017（31）：51-53.

[3] 姚孺婧，李林森，张煜鑫.基于3dsMAX实现三维虚拟校园场景建模 [J].安徽工业大学学报（社会科学版），2018，35（2）：58-59.

[4] 李亚威.基于ArcEngine的三维数字校园信息管理系统研究 [D].郑州：华北水利水电大学，2019.

[5] 黄涛.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统的研究和实现 [D].桂林：广西师范大学，2014.

[6] 汪俊峰，王星东，段智永.基于Unity 3D的虚拟校园漫游系统的实现设计分析——以河南工业大学校园设计为例 [J].河南科技，2016（17）：45-47.

作者简介：李满（1966.12—），女，汉族，河南南阳人，副教授，本科，硕士，研究方向：虚拟现实技术、人工智能;邓俊权（1997.10—），男，汉族，广东广州人，本科，学士学位，研究方向：数字媒体技术。