贴图与渲染技术在虚拟校园漫游中的应用与研究

楚雄师范学院 易家敏 王俊洁

0 引言

虚拟现实(Virtual Reality，简写为VR)技术又称灵境技术，是近期正在逐步兴起的高新的科学技术，它利用计算机模拟产生虚拟场景，是一种可以产生虚拟现实环境的计算机仿真技术[1]。虚拟现实技术在国内外迅速崛起并快速发展。现在,国内不少高校也已经开始虚拟现实技术的研究工作，虚拟校园游览模式的研究和运用是其中的一个方面[2-4]。虚拟现实有以下四个特征：多媒体信息感知感、沉浸感、交互性、自主性。随着科学技术的发展，虚拟现实在科学可视化、战场、医学、仪器、银行、企业、高校、计算机等方面得到广泛的应用。

三维虚拟校园漫游系统[5]的基本框架分为素材收集、对素材进行处理、建立校园模型、构建三维虚拟校园和虚拟漫游交互的实现。虚拟校园漫游系统在宣传校园文化、辅助校园规划、树立校园良好形象等方面具有重大作用。

从现实出发，我们提出了制作虚拟校园漫游系统的要求。此课题是基于3D软件MAYA对校园漫游系统进行了贴图与渲染。三维场景中的材质与纹理贴图主要是用于描述对象表面的物质状态，构造真实世界中自然物质表面的视觉表象[6]；渲染是利用计算机的计算能力，将三维场景呈现为图像的过程，是影片画面风格与质量的基本保证[7]。经过一系列的设计与制作，最终形成一个交互性较好、效果逼真的校园漫游系统，从而达到提高了学校的知名度、美誉度以及宣传力度的目标。

1 虚拟校园开发流程

本项目采用MAYA作为虚拟场景的建模工具，该工具有建模速度快、精度高、功能全面等特点。采用游戏引擎UE4来完成漫游平台的控制。系统开发流程如图1所示。

2 模型的贴图

2.1 贴图技术的简介

MAYA贴图就是贴在模型表面的一层皮，目的是为了更好的塑造角色。精致的三维模型为系统提供了一个良好的开端，合适的贴图会使模型更加逼真，所以精致的模型和优秀的贴图的结合能形成一个好的系统模型。

2.2 贴图的制作要求

为了降低系统后期运行所占用的内存空间，Maya建模成功后，还需要将模型的面数减少。模型都是需要渲染的，在面数很低的情况下表现模型的真实感，贴图起到了重要的作用。所以，系统对模型的贴图要求是很高的。

图1 虚拟校园开发流程图

3D引擎的性能决定了贴图的大小，贴图越大表现的内容就越详细，反之相反。例如：当贴图较大时，物体表面的许多细节都能表现出来;当贴图较小时，物体表面会显得模糊。一张好的贴图要求，既要表现到位又要节省内存空间，即选择一个好的3D引擎是做好贴图的必要准备。

在系统的虚拟场景中，需要用到大量的贴图，这些贴图素材来源主要是由数码相机拍摄的画面。由于相机性能问题会使拍摄后的照片产生模糊，需要经过专业软件处理才能贴到模型上，一般用Photoshop来绘制贴图。Photoshop绘制贴图的具体工作主要是：绘制简单贴图、对照片进行编辑、制作带透明通道的图像文件。绘制好的贴图保存为带透明通道的tag或png格式，最后将绘制好的贴图导入Maya中进行纹理贴图。贴图尺寸一般都是2的倍数，其目的是将贴图更有效地读入内存。

2.3 贴图的绘制

绘制贴图时，要先将三维模型转换为二维形式，然后在模型的二维形式上，调整纹理贴图。材质贴图包括建筑物贴图与室内模型贴图。建筑物贴图主要是门、窗、地板、墙壁等；室内模型贴图主要是对室内的各个模型进行贴图。

2．3．1 UV的投射与编辑

UV是贴图坐标，它决定贴图的每一部分分别贴在模型的哪个位置。例如：创建一个球，给它随便指定一个材质、颜色进行贴图。因为没有编辑UV，贴图在模型上是随机分布的。要让贴图有规律的分布在模型的固定部位上，则需要展开UV。一般来说，都是对多边形物体进行展UV。曲面的UV一般都是隐藏不定的。UV展开主要分两步：第一步将UV投射出来；第二步对UV进行编辑。

在Maya中，用棋盘格形式来展现UV，棋盘格的颜色均匀，容易区分模型的不规则部分。展开UV时，我们会使用一些技巧使复杂的模型UV简单化。

在Maya内部自带了一些编辑UV的方法，平面物体的平面投影、圆柱特征的圆柱形投影、球形特征的球形映射、其次是自动映射。因为系统模型不是规则形状，所以主要运用自动映射来编辑UV，少数复杂的模型使用插件。

2．3．2 绘制纹理

本系统的模型主要是用多边形来建模的，模型面数在前期经过处理后，已经达到面数相对较少的基本要求。因为模型面数相对较少，所以绘制纹理要靠我们自主手绘。绘制纹理可以改善模型细节的不足之处，即对纹理的要求比较严格。特殊材质贴图是经过数码拍摄获得素材，将素材导入Photoshop进行编辑。（如图2所示）在Photoshop中将图形的大小、亮度、透明度、对比度等进行处理，按照UV的纹理标准生成初步的图像数据。为了得到更精致的纹理贴图，还要将初步图像平滑去噪，然后提取图像的重要特征，利用不同建筑物墙面的不同灰度值对图像进行分割，形成墙面的色彩特征矢量图。

图2 photoshop中绘制贴图的情形

2．3．3 导入贴图

要将外部的贴图导入Maya，可以使用文件节点方式。将绘制好的贴图导入UV中，调整模型的摆放部分。将模型放在合适的位置，以得到合适的纹理贴图。

3 材质渲染

3.1 材质渲染的简介

渲染也叫做着色，它在Maya是最后一道工序，很大程度上决定了最后做出来的成品的效果和质量。在Maya中渲染与着色功能相似，但还是存在区别。着色在Maya的作用是辅助观察。而渲染可以显示阴影效果、贴图纹理效果以及简单的灯光效果。

3.2 初识渲染

渲染是将做好的模型渲染成图或动画的作品，此作品记录场景中的光照关系阴影及材质信息，与在视窗中见到效果截然不同。

在渲染设置中，Maya自带了各种渲染器。这些渲染器分别是:Maya软件、Maya硬件、Maya软件2.0、mentalray、Maya向量。这些渲染器各自有特点，Maya软件和Maya硬件的主要区别是渲染使用的部位不同。Mentalray是Maya内置的一款插件。硬件粒子用硬件渲染器，软件粒子用软件渲染器。

在渲染设置中，要对文件名、图片格式、帧动画扩展名、可渲染摄像机、图像大小等进行常规参数的设置。这些常规的参数设置，对渲染结果具有重要意义。

3.3 渲染过程

在Maya中，动画是以动态序列图片的形式来输出的，可以将输出后的动态序列图片导入UE4中，生成视频动画。在渲染动画的过程中，需要创建摄影机。摄影机进入视角后，设置开始处的关键帧；旋转摄影机，得到理想的视角后，在结束帧处设置关键帧。观察透视图中摄影机随时间变化的情况，若已达到理想的效果，即输出序列。

现实中的物体存在阴影，为了使模型更加逼真。还得为模型添加灯光，并调整灯光。系统场景模型添加的是平行灯光，平行灯光在所有灯光中是最容易调节的。场景中创建两盏平行光，主光占主要亮度，辅光辅助主光亮度，产生阴影颜色。主光增加光线跟踪是生成阴影的必要条件。渲染器的光线跟踪，对于阴影效果来说是必不可少的。阴影的两个条件：一是灯光的光线跟踪；二是渲染器的光线跟踪。

4 技术效果

虚拟校园漫游系统的模型，经过贴图达到逼真的效果。例如：校园宿舍的墙面上有细小的花纹，我们用贴图将它表现出来。将材质赋予贴图后，在场景中贴图不一定显示出来，还得渲染才能将模型的材质贴图展现出来。渲染为模型添加了灯光、阴影，即渲染使模型更加逼真。

贴图前后模型具有很大的区别，贴图前模型表面只是一种简单的材质，贴图后模型表面是绘制的纹理贴图，这种贴图将模型的凹凸表现的很细致。（如图3所示）

图3 模型贴图在渲染下的最终效果

5 结语

本文通过对虚拟现实技术运用，在Maya软件中，完成了校园模型的贴图与渲染工作，构建了虚拟校园的环境，分析了校园模型的贴图与渲染的特点。用户进入校园官网后，能看到生动逼真的校园景观，该系统将虚拟现实技术应用于校园的展示中，为外界了解校园环境提供了一个全新的技术平台。虚拟校园漫游系统可以为学校的教学、招生、宣传发挥重要的作用，具有实际应用价值。

[1]朱惠娟．基于Unity3D的虚拟漫游系统[J]．计算机系统应用,2012,21(10)∶36-39．

[2]周春艳,邹峥嵘．基于全景图像的虚拟校园[J]．电脑与信息技术,2002,(2)∶34-36．

[3]徐胜华,杨志军．基于Multiage Creator和Vega的“数字校园”演示系统开发[J]．铁路航测,2003,(9)∶23-25．

[4]龚建华,林珲,谭倩．虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验[J]．测绘学报,2002,(2)∶ 39-43．

[5]何书前,桂占吉,高慧鸿．多用户网络虚拟校园漫游系统的构建与研究[J]．现代计算机(专业版),2009(02)∶17-19．

[6]刘晓杰．三维设计中的材质与贴图艺术探议[J]．装饰,2003(07)∶66．

[7]任泉．三维动画制作的产业化渲染流程研究[J]．海南师范大学学报(自然科学版),2009(03)∶268-270．