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1、 存档编号 North China University of Water Resources and Electric Power毕业设计题目基于Web的虚拟现实研究与实现以华北水利水电大学为例学 院资源与环境学院专 业地理信息系统姓 名宋贺林学 号201101010指导教师姚志宏完成时间2015.05独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明
2、确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计作者签名： 指导导师签名： 签字日期： 签字日期：毕业设计版权使用授权书本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用毕业设计的规定。特授权华北水利水电大学可以将毕业设计的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计原件或复印件和电子文档（涉密的成果在解密后应遵守此规定）。毕业设计作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 本论文研究意义11.2 国内外虚拟现实研究及应用现
3、状11.3 研究内容21.4 论文结构2第2章 数据收集与整理32.1 数据处理工具概述32.1.1 Photoshop概述32.1.2 AutoCAD概述32.1.3 3dMax概述32.2 三维场景数据结构32.3 数据收集与整理42.4 平面图CAD数据处理52.5 纹理贴图处理6第3章 虚拟校园漫游系统总体设计93.1虚拟漫游系统设计要求93.2系统架构流程图93.3功能模块10第4章 三维模型的建立114.1 建模要求114.2 建筑物三维模型114.2.1 建筑模型的分类114.2.2 模型建模步骤124.3 地形建模144.3.1 平面地形144.3.2 曲面地形164.4 校园
4、环境小品建设174.4.1 植物模型处理174.4.2 植物模型种植18第5章 三维场景的集成215.1 模型导入Unity3D215.2 场景贴图和灯光烘焙215.3 天空盒235.4 粒子系统235.5 显示指针时钟25第6章 虚拟场景功能实现27 6.1 Unity3D三维引擎介绍27 6.2 功能实现27 6.2.1 切片动态加载27 6.2.2 属性信息查询与定位32 6.2.3 添加标注32 6.2.4 小地图导航33 6.2.5 室内全景浏览35 6.2.6 场景飞行与漫游35 6.3 Web文件生成与服务器配置38 6.3.1 Unity与HTML的交互38 6.3.2 Web
5、文件的生成39 6.3.3 IIS服务器配置39第7章 结论与展望427.1 结论427.2 展望42参考文献43致谢44附录（一）英文翻译（原文）45附录（二）英文翻译（中文）51附录（三）任务书60附录（四）开题报告62附录（五）主要代码64华北水利水电大学毕业设计基于Web的虚拟现实研究与实现以华北水利水电大学为例摘要虚拟现实是近年来出现的高新技术,是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，向使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，无限制地观察三度空间内的事物。目前广泛应用于数字城市、地产漫游、室内设计、地质灾害等很多方面。本文以华北水利水电大学为研究对象，以收
6、集的校园场景数据和基本属性信息为基础，基于Unity3D三维引擎，采用C#编程语言结合Web前端完成三维虚拟校园系统的开发。主要研究结果为：(1) 使用3DMax软件建立了三维模型，并在Unity3D三维引擎环境下对基础模型、植物模型、灯光、天空盒、雨雪粒子系统进行集成烘焙。实现了Unity3D批量生产植物模型的技术，通过模型预设实现对批量模型的管理。(2) 基于四叉树的动态加载切片和存储瓦片的金字塔模型，对三维场景坐标和二维GUI坐标的转换实现小地图导航。将系统发布到Web端，可以通过浏览器进行浏览。(3) 构建了三维校园信息管理系统，包括系统体系结构、数据库、数据存储等。实现了三维场景路径
7、漫游、动态添加标注、添加雨雪特效、小地图导航、室内全景浏览等功能。本文所设计的三维虚拟校园系统可以实现校园文化的宣传，让浏览者对学院有着身临其境的认识和体验，通过后续的建设，可以实现教学、科研、管理等方面的功能，为数字校园的建设提供一个很好的平台。关键字：虚拟现实；三维建模；漫游系统；Unity3D中图分类号：P209Research and Implementation of Web-based Virtual Reality TechnologyA Case Study of North China University of Water Resources and Electric Po
8、werABSTRACTVirtualrealityisanewtechnologyinrecentyears.Itcreatesavirtualworldabout3Dspacebycomputersimulations,offersSensorysimulationwhichmakespeopleimmersivetotheworldandallowspeopleobservethenoveltyunlimitedlyinthree-dimensionalspace.Now,thetechnologyiswidelyappliedtoDigitalCity,Realestateroaming
9、,interiordesign,geologicaldisasterandotherresearches.ThispapertakesNorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPowerasaresearchsubjectand is basedoncampusdataandAttributeDatatosucessuflyaccomplish3DmodelingofthecampususingUnity3Dengine,C#languageandwebdevelopment.Mainresearchcontentsofthisarticle
10、andtheresultsareasfollows:(1) It established 3D model by 3DMax software and adopted Integration of baking to b-ase models ,plant models ,lighting , Skybox, rain and snow particle in Unity3D engine .It ach-ieves volume production of plant models and management of them by Mould Tooling Design.(2) This
11、 paper studied the dynamic load on memory chips and tiles pyramid model by quadtree.Through the three-dimensional and two-dimensional GUI scene coordinates conversion achieved a small map navigation.The system posted to the Web side, you can browse through the browser.(3) This paper constructed a th
12、ree-dimensional campus information management system, included database and data storage.The system realized 3D scene location roaming, rain and snow effects, small map navigation and an indoor panorama viewer.Three-dimensional virtual campus system designed in this paper can achieve its campus cult
13、ure，It allows the viewer has the feeling of being on the school.Through the subsequent construction, we can achieve the teaching, research, management and other aspects of the function, provides an excellent platform for building digital campus.Keywords:virtual reality;3D modeling;navigation system;
14、Unity3D第1章 绪论真实幻觉(Virtual Reality，简称VR，又称作幻真、灵境)是近年来出现的高新技术，也称人工环境或灵境技术。虚拟现实利用电脑模拟产生的一个三维空间虚拟世界，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样，可以及时、无限制地观察三度空间内的事物。虚拟现实是能够创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是人工接口技术、计算机图形学、传感应技术、多媒体技术、人工智能以及高度并行的实时计算技术和人的行为学等学科的总和，是多媒体技术发展的更高境界，是未来计算机的技术的发展方向。虚拟现实技术有三个主要特征：交互性、沉浸感和想象。虚拟世界因其能提供更真实的交
15、流和现场参与感，越来越多地受到教育研究者的关注。如今，虚拟世界已延伸至大学校园和课堂。互联网上已有成百上千所高校的3D虚拟校园投入实际应用。1.1 本论文研究意义华北水利水电大学（简称“华水”）坐落于黄河之滨的河南省省会郑州市，是水利部与河南省人民政府共建，以河南省管理为主的高校。学校具有博士学位授予权，是河南省重点建设骨干高校、全国首批硕士学位授予高校、中西部高校基础能力建设工程高校、教育部第二批“卓越工程师教育培养计划”高校。虚拟校园漫游系统的出现，将能够增强对学校感官认识，辅助一些日常生活和教学，对师生的帮助非常大。本次虚拟校园系统构建了校内主要建筑、规划景观等校园风光，一方面加强了校园
16、形象建设，有利于宣传校园文化；另一方面，通过后续的建设，可以实现教学、科研、管理等方面的功能，为数字校园的建设提供很好的平台。1.2 国内外虚拟现实研究及应用现状目前，许多的国外大学及科研机构都在从事虚拟场景漫游的研究。在这方面走在世界前沿的是美国加州大学，它们都拥有世界一流的漫游技术研究室，研究室里配有许多虚拟现实技术的设备，包括功能强大的图形工作站、头盔显示器、步行器、数据手套等。日本学者Jea-Jin Kim发表论文“虚拟现实机器人的模拟视觉任务”。主要研究了如何模拟真实场景到机器人视觉。通过红绿偏转实现立体的视觉效果，研究双目镜头和眼球运动实现视角的移动、旋转等变换。我国的虚拟现实技术
17、一直在发展过程中，清华大学、浙江大学、武汉大学、中国科技大学、浙大、西南交通大学等许多大学和科研院所都已开展虚拟场景漫游技术的研究，在三维图形算法、视景技术、建模方法等方面都取得了重要成果。中国科技大学运用VR技术，开发了几何光学设计实验平台，它是全国第一套基于VR的教学软件。它用计算机制作的虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器。清华大学罗元博士发表论文“城市道路交通流智能化模拟虚拟现实系统研究”。该文系统的研究了如何利用虚拟现实技术模拟城市道路交通流，模拟车辆在虚拟环境中的运动，提出了基于目的地相互位置判断的车辆路径算法。并且在北京市海淀区五道口地区进行了实际验证
18、和应用。1.3 研究内容通过AutoCAD软件进行平面图矢量化、利用Photoshop对贴图进行处理、使用3dmax建立三维模型，Unity3D进行场景集成烘焙和系统开发。最终生成web文件，放到网上。1.4 论文结构第一章 绪论。对论文做整体的介绍，包含课题的提出机研究意义、国内外研究现状，以及本文的研究工作和创新性。第二章 虚拟校园漫游系统总体设计。本章主要阐述系统设计要求、系统架构设计和各功能模块的实现效果。第三章 数据收集与整理。本章主要阐述系统需要收集的数据类型、数据处理方法。包括AutoCAD平面图处理、地形处理、贴图纹理处理等。第四章 三维模型的建立。本章阐述了建模的要求，然后对
19、三种建模方式进行介绍和选择。分别介绍墙体、屋顶、建筑物、地形的建模方法和如何进行纹理贴图。介绍了树木的建模方法和种植方法。第五章 三维场景的集成。本章主要介绍如何将模型导入到Unity3D引擎中。通过Unity3D添加灯光、天空盒、粒子系统、动态时钟等，对场景进行烘焙处理。第六章 虚拟场景功能实现。本章主要从算法的角度重点的讲述了三维虚拟校园互动三维场景系统的设计与实现。第七章 结论与展望。对所做工作进行总结，指出其中不足，展望下一步研究方向。第2章 数据收集与整理2.1 数据处理工具概述收集各类数据是构建系统的第一步。收集合理足够的数据可为后期制作提供较大的便利；数据的处理是为了进一步符合制
20、作需要，两者在漫游系统构建中占据较高的地位。2.1.1 Photoshop概述Photoshop是Adobe公司推出的图像处理软件。可以利用显卡的图形处理能力加速对高清格式视频的编解码和播放。Photoshop是应用领域涉及图像、图形、文字、视频、出版图像制作、广告创意，图像输入与输出与一体的图形图像处理软件，深受广大平面设计人员和电脑美术爱好者的喜爱。2.1.2 AutoCAD概述AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是Autodesk公司于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，一般用于二维绘图、设计文档、详细绘制和基本三维设计。AutoCAD拥有良好的用户
21、界面，可以利用交互菜单或命令行方式进行各种操作。非计算机专业人员也能根据它的多文档设计环境很快地学会使用。在不断实践过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。2.1.3 3dMax概述3DSMAX全称3D StudioMAX，是由Autodesk公司开发的三维建模、渲染、动画制作软件，是PC机上全球使用人数最多的三维设计软件之一。广泛应于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、
22、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。2.2 三维场景数据结构这次研究的虚拟校园漫游系统是以华北水利水电大学校园为基础设计的。华北水利水电大学（简称“华水”）坐落于黄河之滨的河南省省会郑州市，是水利部与河南省人民政府共建，以河南省管理为主的高校。学校具有博士学位授予权，是河南省重点建设骨干高校、全国首批硕士学位授予高校、中西部高校基础能力建设工程高校、教育部第二批“卓越工程师教育培养计划”高校、河南省唯一具有硕士研究生单独招考资格的高校和唯一承担国家“少数民族高层次骨干人才计划”高校。主要地物包括教学院系、行政管理、生活服务等区域，另外还有道路设施和花草树木等外观景物。采集的校园实际场景包括地形
23、，建筑物，外观景物，整个场景的数据库结构如图2-1所示。图2-1 场景数据结构图2.3 数据收集与整理数据的收集基本是收集与学院相关的基本资料，包括华北水利水电大学平面图，其中包涵了道路、运动场、主体建筑物分布等信息。由于龙子湖校区还处于建设当中，很多建筑物并没有实际建成，所以需要收集校区沙盘模型。根据沙盘模型完成该部分模型的制作。（1）场景数据收集和整理的场景数据包括：1）华北水利水电大学平面图，包括了道路、运动场、主体建筑物分布等信息；2）华北水利水电大学平面CAD图。3）校园地形信息。校区有一块人工湖，需要获取人工湖区域的等高线。4）校园沙盘模型。由于该校区还处于建设阶段，部分建筑物还没
24、有建设完成。该部分建筑需要结合校园沙盘模型和校区规划图进行建模。如图2-2所示。图2-2 校园沙盘模型5）纹理贴图。主要用于建筑物贴图、地形贴图和植物贴图。此部分用数码相机在校园里进行实景拍摄。为了后续处理方便，尽可能的拍摄正视图。在拍摄玻璃等材质的时候，要注意反光及倒影。窗户、门、栏杆、花草树木等校园元素大多相同或类似，拍摄时拍摄同一类型的即可，采集的原始图片仍需要进一步的处理。6）室内全景图片。通过数码相机获取室内特定区域的全景图片。（2）属性数据属性信息包括主体建筑物的位置信息、各院系的基本介绍、各院系门户网站信息、标注信息等。属性信息的获取途径是在学校的门户网站，通过XML存储于系统中
25、，最终发布到Web端，可以供管理员对信息进行更改查询。2.4 平面图CAD数据处理学院平面图较为复杂，中间既涵盖现有建筑布置等，还保留了原校建筑信息。这需要从中析出现在建筑的平面位置，以及道路、绿化等，以方便后期模型整合。（1）数据分离根据华北水利水电大学平面图，通过AutoCAD软件单独对图形的建筑物、道路、绿化等地物进行矢量化，以便后期模型整合。分离出的公共实验楼和水利学院楼分别如图2-3和图2-4所示。图2-3 公共实验楼图2-4 水利学院楼 （2）道路和植被的处理道路和植被是通过3dMax软件对闭合样条线进行“挤出”操作完成的。这就要求通过AutoCAD在进行数据分离时，单块儿植被的轮
26、廓线必须闭合并且线段必须连续。（3）人工湖区域地形的处理人工湖区域地形存在高低起伏，需要通过等高线进行拉伸。为了保证起伏地形与平面地形的无缝结合，绘制的等高线的最外层线必须与地形的边界完全重合。2.5 纹理贴图处理贴图纹理的好坏，直接决定了所建模型的真实感、系统运行的稳定性流畅性和用户体验是否良好。这就需要对拍摄的建筑物照片进行大量的处理。在保证素材显示质量的同时，尽量缩小图片分辨率，以节省内存；校正前期数据采集中存在的拍摄角度倾斜问题；美化处理拍摄时的曝光度和对遮挡的障碍物进行剔除。收集的纹理贴图主要包括建筑物贴图(建筑物墙面、建筑物顶部砖瓦)、植物贴图(各种树木、草地)、地形贴图(硬化路地
27、面、柏油路地面、人工湖水面)和室内全景照片。纹理贴图的处理包括图片的倾斜校正、障碍物遮挡剔除、图片曝光度和分辨率处理、图片通道设置四个方面。（1）图片的倾斜校正收集贴图的方式是通过数码相机在校园内拍摄完成。大多数情况下拍摄照片是站立在地面上拍摄的，由于建筑物比较高，所以需要将相机设置成仰视状态。这样拍摄出来的照片是经过中心投影的，会造成图片内容倾斜形变。需要发生形变的图像进行正面处理后，才能作为纹理贴图使用。通过PhotoShop的“扭曲”功能可以将图片进行倾斜校正处理。首先裁剪出需要进行处理的区域。使用移动工具将图像拖拽图像编辑窗口中。选择扭曲命令，将鼠标移至左上角的控制点上，按住左键拖拽，
28、即可调整图像形状。处理前后的图片如图2-5和图2-6.图2-5 倾斜处理前图2-6 倾斜处理后（2）障碍物遮挡剔除很多建筑物周围会有一些树木或建筑物，这会导致照片中会有障碍物遮挡。通过PhotoShop的“仿制图章工具”可以对图片的某些障碍物进行剔除。处理前后的图片如图2-7和图2-8.图2-7 遮挡处理前图2-8 遮挡处理后（3）图片曝光度和分辨率处理由于拍照用的相机的像素比较高，拍摄出来的图片的分辨率很大。如果直接用于建筑物贴图，总体场景模型就会变得很大。在渲染的过程中会消耗更多的内存资源，系统运行时容易出现卡顿现象，直接影响用户对系统的体验。所以在不显著减低模型精度的前提下尽量缩小照片的
29、分辨率和模型贴图的尺寸，要保证数据的正常传输以及场景运行的流畅。（4）设置图片通道由于树木模型的结构比较复杂，每一棵树都有很多枝干和树叶，每一棵真实的三维树模型都会有几千个三角形面。而校园场景需要建立大量的植物模型，如果所有的树木模型都使用真实的三维模型，则整个校园场景模型将变得非常庞大。系统运行时将占据大量的内存资源，直接影响用户对系统的体验。所以，对于场景中的树木模型，应该以“十字树”模型为主，部分区域可以适当的添加少量的真实树木模型。在构建“十字树”模型时，需要对采集的树木贴图进行通道设置。需要将树木贴图的树木部分保留，调节周围边缘区域的透明度使边缘区域不可见。这里使用的方法是通道抠图。
30、通道抠图是非常高效及常用的抠图方法。大致的过程：用通道抠图主要要抠出较为复杂的部分，其它部分可以用钢笔工具来完成，因为钢笔抠出的边缘要圆滑很多。先进入通道面板，我们选择一个树木与背景对比较大的通道复制一份。然后用调色工具把背景调白，再反相。用黑色画笔擦掉以外的部分即可得到选区，后面只要把选区部分复制到新的图层，再用钢笔勾出树木部分即可。处理前后的图片如图2-9和图2-10. 图2-9 处理前 图2-10 处理后 第3章 虚拟校园漫游系统总体设计3.1虚拟漫游系统设计要求该课题旨在开发校园的虚拟现实系统，让用户能够通过计算机对校园环境进行浏览，对校园信息进行查询。因此，本系统应该满足以下需求：（
31、1）真实性。在进行三维场景漫游时，系统应该尽可能的接近校园原貌，然用户能够从各个角度浏览校园，产生比较真实的视觉效果，达到身临其境的感觉。（2）交互性。在进行三维场景漫游时，用户可以通过鼠标键盘的等外接设备控制场景的上下左右移动和旋转等操作。能够进行自主浏览。（3）稳定性。用户进行操作时，要保证系统能够稳定流畅的运行。（4）可移植性。系统应具备良好的扩展性和可移植性，以便支持多种操作平台。（5）友好性。系统应该具有良好的友好性，界面友好简单。能够让各个层次水平的人对系统进行操作。3.2系统架构流程图为了保证系统能够满足上述要求，能够稳定流畅的运行。在采集数据时，需要采集猪狗的可用的数据。严格筛
32、选数据处理、模型处理工具。对场景进行烘焙渲染，保证系统的美观真实性。系统建设主要流程如图3-1所示：图3-1 系统建设流程3.3功能模块在设计系统功能模块时，参考了哈尔滨工业大学、清华大学等虚拟校园实际案例，选取里面可以实现的功能。在此基础上，添加了虚拟现实中常用的功能。最终，结合自身能力水平，设计出了如图3-2所示的系统功能模块图。图3-2 统功能模块（1） 粒子系统通过粒子系统可以添加烟，火，水滴，落叶等效果。利用粒子系统添加雨、雪等模拟天气情况。可以自由切换晴天、雨天、下雪天等。（2） 场景漫游实现场景第三人称漫游，用户可以通过键盘控制场景中人物的的移动。（3） 场景飞行相比于第三人称漫
33、游，场景飞行更加灵活。左右和上下移动控制摄像机。（4） 信息查询将建筑物的基本属性信息和代表的院系信息录入到XML中进行管理。当点击某一建筑物时，可以弹出对应信息框。（5） 查询定位将比较有特点的区域的是三维坐标记录下来，在三维场景中，选择某一区域的名称时，当前摄像机可以自动移动到该点。（6） 添加标注当点击“添加标注”时，各个建筑物的名称将通过标注的形式显示出来。（7） 小地图导航在系统的右下角添加小地图，使用较小的点标记主角当前在地图中的位置。（8） 室内全景将室内有全景地图的地方用Box标记出来。通过天空盒的形式展示对应的全景地图。第4章 三维模型的建立三维模型是整个虚拟校园系统的重要部
34、分，将直接决定系统最终的效果和用户体验。主要通过3dMax、AutoCAD和PhotoShop软件建立校园三维模型。AutoCAD主要用于完成建筑物轮廓线、规则地形的边界线、不规则地形的等高线等；PhotoShop软件用于处理模型的贴图纹理；整个三维模型的建立主要通过3dMax软件，借助于“挤出”、“布尔”等工具高效的建立精确的三维模型。建立三维模型时，模型的精确程度决定了系统的整体真实感。精确程度比较高的模型的观赏性会比较好，但同时会占用较高的内存资源，采用高精度模型是不被计算机硬件允许的。精确程度低的模型占用较少的内存，并且模型的建立过程简单，但是观赏性差，达不到宣传校园风景的作用。所以，
35、对于大场景的模型建模，需要采取折中的方法。对棱角分明，轮廓比较明显的建筑物。可以直接贴图；对于轮廓层次很明显的区域需要精细建模。4.1 建模要求（1）按照项目的制作要求，模型的制作一律以“米”为单位。在特殊的情况下可以用“毫米”或“厘米”为单位。（2）绘制校园总体的CAD底图，绘制完成后不能对图形进行任何移动。进而确定每一个建筑物的相对坐标。创建三维模型位置必须以CAD基础地形图文件保持一致。（3）模型不能存在共面和相距太近的面。当两个目标共面时，将小面模型的共面面片删除。模型中面片之间的最小间距大于场景中最大尺寸的二千分之一。不然会造成重叠面在场景中闪烁的情况。（4）删除重合线、重叠面，病焊
36、接相机或重合的点，以及冗余的点、线、面等，保证模型无裂缝。（5）贴图和模型要素的命名不能出现中文，命名长度不能超过八位，命名要满足一定的规则，保证不会出现重名显现。4.2 建筑物三维模型4.2.1 建筑模型的分类按照建立模型的精细程度，可以将模型分为三种。（1）粗略模型，通过数码相机拍摄整个墙面，通过3dMax对建筑物CAD轮廓线进行挤出。然后将拍摄的墙面作为挤出面的贴图。这种方法建立的模型的三角形面片比较少，模型的建立比较简单快速。但是对于贴图处理比较费时费力，并且对于不规则墙体对建筑物的立体感表现力不好。从照片拍摄的角度观察时效果还可以，但是从反方向观察时失真非常严重。（2）精细模型，使用
37、面片对建筑物的每一个面进行模拟，对每一个面赋予单独的纹理贴图。通过这种方式建立的模型的精度非常高，真实感非常强，阴影和凸凹感比较明显。但是，由于校园内建筑物结构都比较复杂，建立的模型的三角形面片数量非常大，一般都会达到数万。在渲染时会消耗大量的内存，在进行漫游时极易出现卡顿现象，严重影响系统总体运行效率和用户体验。（3）混合模型，这种类型的模型综合了粗略模型和精细模型的特点。对棱角分明，轮廓比较明显的建筑物。可以直接贴图；对于轮廓层次很明显的区域需要精细建模。将以上两种方式进行综合后，比较平整的面直接利用贴图代替，对于凹凸现象明显的区域进行精细建模。最终得到了即保证模型真实感又不占用太对内存的
38、模型。该系统对以上三种模型均有不同程度的使用。4.2.2 模型建模步骤对建筑物建模时，需要根据平面图确定建筑物底轮廓线，以轮廓线为基础建模。收集建筑物的楼高、楼层数、屋顶高等基本信息。（1）墙体建模墙体的建模需要通过CAD绘制墙体的轮廓线。导入到3dMax中，对线框进行对应高度的“挤出”。最后调节屋顶的高度到合适位置。结果如图4-1所示。图4-1 墙体模型（2）屋顶建模屋顶的建模需要通过CAD绘制屋顶的线框结构。导入到3dMax中，对线框结构进行高度为0的“挤出”。最后调节屋顶的高度到合适位置。CAD结构和生成的屋顶模型分别如图4-2和图4-3所示。图4-2 CAD线框结构图4-3 屋顶模型（
39、3）房屋细节精细建模房屋细节的建模是采用的多边形建模。需要依靠建筑物的真实模型，对多边形进行调整。建立的多边形的具体参数需要依据实物进行估计。多边形建模是最传统和经典的建模方式，常用的两个命令是可编辑网格和可编辑多边形。其中涉及的技术主要是推拉表面构建基本模型，最后增加平滑网格修改器，进行表面的平滑和提高精度。这种技法大量使用点、线、面的编辑操作，对空间控制能力要求比较高。适合创建复杂的模型。建筑物白模如图4-4所示。图4-4 建筑物白模（4）赋予贴图纹理处于系统内存和美观的考虑，该场景中模型大多通过UVM展开的方式进行贴图处理。UVW展开是对贴图的调整，使得贴图效果更好，更美观。UVW展开主
40、要是针对复杂模型的贴图。处理的基本步骤是：首先制作贴图图集。将需要用到的贴图按照一定的布局整理到一张图片上面。如图4-5所示。右键点击物体把物体转换为“可编辑多边形”，在“修改器列表”里添加“uvw展开”，在“uvw展开”里面选择“面”，在“面”的模式下，选中一个你需要调整的物体的面，拾取贴图，完成后，渲染如图4-6所示。图4-5 贴图图集图4-6 整体渲染效果图图4-7 局部渲染效果图 4.3 地形建模为了真实的将校园场景展示出来，需要收集校园内地形高程信息。华北水利水电大学龙子湖校区内有两块人工湖区域和普通的平面地形。总体的地形不是在平面的，有高低起伏。不同地区和地物类型的高程不一致，存在
41、一定的高度差。对于人工湖区域的具体高程信息需要从学校的规划图纸中获得。其他地区的高程值可以依据台阶、楼梯等信息进行估计。平面地形的建模相对比较简单，因为不考虑高程问题，只需要收集到各块区域的地物类型和属性信息。曲面地形的建立相对麻烦，需要收集地物的高程信息，根据高程绘制等高线。4.3.1 平面地形平面地形主要包含主要包括硬化路、草地、道路边沿等内容，建模的方法基本一样。（1）获取校园平面栅格图获取的校园规划平面图与校园的真实地形基本一致。通过该平面图可以确定各种地物类型边界信息、校园规划信息、地物之间相对位置关系。如图4-8所示。图4-8 校园平面图图4-9 图层分层（2）利用CAD对平面图进
42、行矢量化。以华北水利水电大学龙子湖校区平面图为底图，利用AutoCAD进行矢量化。在矢量化时要注意对不同的地物类型进行分图层管理，大致可以分为道路边界、绿地、道路、硬化路四个图层。需要对每一个图层进行单独矢量化。图层分层如图4-9所示。在进行矢量化时，线段的节点数越少，在进行“挤出”时生成的三角形面片就会越少。所以，出于内存的考虑，在进行矢量化时，应尽量减少节点的个数，尽量避免使用样条线，因为样条线的节点个数非常多。必要时可以采取以直代曲（用直线代替曲线）。对轮廓线进行矢量化时，轮廓线必须闭合，两端节点必须焊接到一起。否则，在进行挤出时，会沿着轮廓线纵向挤出，而不会生成闭合的平面。需要进行矢量
43、化的内容有：道路边界矢量化；绿化地矢量化；道路边沿轮廓矢量化；硬化路边界矢量化。建筑物和道路的CAD图如图4-10和图4-11所示。 图4-10 食堂CAD结构图4-11 道路CAD结构（3）对矢量化的图形进行挤出操作。对矢量化完成的道路边界、绿化地、道路边沿轮廓、硬化路边界进行“挤出”操作。对道路边界、绿化地、硬化路边界进行“挤出”时，可以设置挤出高度为0，这样就会生成一个单一的平面。对道路边沿进行挤出时，可以设置一定的挤出高度。因为道路的边缘相比于道路有一定的高度。道路结构如图4-12所示。图4-11 道路结构图 （4）调整多边形的UVW值。由于生成的地形平面是不规则平面，所以无法对各地块
44、进行直接贴图。需要调整各地块的UVW值。在选取贴图素材时，应取地物的最小重复单元，这样可以贴图的尺寸最小。设置面片在U和V方向的重复次数调整地形的显示效果。渲染效果如图4-12。图4-12 渲染效果图4.3.2 曲面地形获取校园地形区域的平面图，包含了地形区域的等高线信息。然后通过AutoCAD软件对等高线进行矢量化；获得每一条等高线的高程值；将每一条等高线根据高程调整到合适的位置处；最后通过3dmax软件的“地形”工具，将获取的等高线生成地形。地形等高线和最终地形图如图4-13和图4-14所示。图4-13 地形等高线图4-14 地形 4.4 校园环境小品建设校园环境小品指校园室外环境。建设内
45、容主要指树木的种植。还包括一少部分的公共设施，如大小操场、广告牌、小花园、路灯等。校园内的景观设计是校园环境的重要组成部分，校园绿化效果的好坏将直接影响校园的整体观赏性。在构建虚拟校园时，需要将校园内的绿化景观制作到三维场景中。在制作过程中，首先需要收集校园内的植物类型都有哪些、校园绿地的分布情况等信息。4.4.1 植物模型处理该系统使用的植物模型一共有两种，十字交叉模型和面片树。（1）十字交叉模型十字交叉模型是用2个面片十字交叉，在2面片赋予树的贴图。然后打开透明通道，被PS扣掉的地方就会变得透明，这样渲染出来的树就有立体效果了。树木贴图的图形最好对称，并且树木的需要位于图片的正中间。通过手
46、动编写shader或者选用Unity3d提供的“Transform”渲染方式设置图片的Alpha通道。树木的两面都能显示图像，并且可以产生阴影和接受阴影。每一个十字模型占用4个三角形面片，相比于占用上千个面片的真实树叶模型，十字交叉模型能够极大限度的节省系统内存。除了俯视外，从任何角度观察十字交叉模型的效果都非常真实。所以，该系统中的树木模型几乎全部都使用十字交叉模型。（2）面片树面片树是用少量的面片去模拟较大的树枝，用树枝和树干去组建成一棵树。面片使用情况居中于十字交叉树和真实树叶模型。但是观赏的真实性高于面片树，和真实树叶模型相当。无论从各个角度观察，效果都非常好。该系统为了显示柳树的精细枝条，对部分柳树采用了面片树方式。即保证了场景的总体观赏效