基于点云、三维模型的交互式虚拟博物馆漫游系统设计

基于点云、三维模型的交互式虚拟博物馆漫游系统设计
陈邦泽;杨晓波;郭霖蓉;曹海龙
【摘要】运用三维激光扫描技术获得博物馆内部点云,并在此基础上用3ds Max 建立博物馆三维模型、进行材质贴图、灯光、摄像机和烘焙等工作,随后将模型导入VRP实现交互式虚拟博物馆系统的开发.馆藏文物用手持式非接触三维激光扫描仪进行扫描并加工处理后得到真实的三维数字文物模型.为保证效率和效果,利用LOD算法对建立的复杂模型进行简化.所设计的虚拟漫游场景,用户不仅可身临其境从多个视角观察整个场景,并可通过键盘、鼠标和距离触发观赏博物馆中的文物,实现了虚拟场景的人机交互控制.系统交互性良好,沉浸感强,可多角度、多种方式、多人称自主漫游博物馆并可近距离观察研究馆藏文物.%In this paper,the 3D laser scanning technology is used to obtain the interior point cloud of museum.And on this basis,3dS Max is used to establish a 3-dimensional model of the museum to complete texture mapping,baking and so
on.Then the model is imported into VRP to develop an interactive virtual museum system.Cultural relics are collected and scaned by using hand-held non-contact 3d laser scanner,and then processed.The true 3-dimensional digital cultural relic model is then established.In order to ensure the efficiency and effectiveness,the LOD algorithm is used to simplify the model.In virtual roaming scene designed by us,user can observe personally on the scene from multiple perspectives,can also watch the cultural relics through the keyboard,mouse and distance
trigger.Artificially interactive computer control of virtual scene is realized.System interaction is good,holds strong sense of immersion,multi
angle,multi way,multi person autonomous roaming Museum,collection of cultural relics can be observed at close range.
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2017(036)005
【总页数】5页(P84-87,173)
【关键词】虚拟现实平台;三维模型;细节分层;虚拟现实;交互
【作者】陈邦泽;杨晓波;郭霖蓉;曹海龙
【作者单位】西藏民族大学教育学院,陕西咸阳712082;西藏民族大学西藏光信息处理与可视化技术重点实验室,陕西咸阳712082;西藏民族大学信息工程学院,陕西咸阳712082;西藏民族大学西藏光信息处理与可视化技术重点实验室,陕西咸阳712082;西藏民族大学信息工程学院,陕西咸阳712082;西藏民族大学西藏光信息处理与可视化技术重点实验室,陕西咸阳712082;西藏民族大学信息工程学院,陕西咸阳712082
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
虚拟现实(Virtual Reality)是一种利用计算机等高科技技术生成的虚拟仿真系统，用户借助一些设备与之交互，从而产生身临其境的视、听、触觉等的感受和体验。

这种系统可是一个真实的现实世界的虚拟展示，也可是一个构想的虚幻世界。

虚拟现实平台(Virtual Reality Platform， VRP)是由中视典公司独立开发的一款虚拟现实软件。

交互式虚拟博物馆漫游系统的构建分为馆体的构建、馆内设施的构建、馆内文物的
三维数字重建和交互式虚拟漫游等。

馆体的构建是通过三维激光扫描技术获得博物馆内部的点云，并在点云的基础上通过3ds Max进行建模。

3ds Max不仅具有强大的建模和材质贴图功能[1]，而且还能完美地与VR_Platform进行兼容，这些使得交互式虚拟漫游系统得以实现。

为实现博物馆虚拟现实系统的逼真效果，首先通过三维激光扫描仪对博物馆内部进行扫描得到博物馆的真实尺寸点云数据，同时对博物馆内部细节进行拍摄高精度照片，以建立真实模型所需的材质贴图库。

馆内文物的三维数字重建也是通过三维激光扫描技术获得。

在点云数据的基础上利用3ds Max进行馆体三维模型的建立。

模型制作完成后将3D模型导入VRP平台，进行界面设计和脚本设置，从而实现交互漫游的目的。

系统设计流程见图1。

三维激光扫描技术能够快速、无接触、主动地、高密度、高精度、快速而有效地获取激光点云( Points Cloud)，基于激光点云的重建技术在文物保护、古迹还原、建筑监测、虚拟漫游、数字化城市等诸多领域被广泛应用。

三维激光扫描仪对目标建筑物进行全面的立体扫描，从扫描仪内部射出的高频率激光束射到建筑物上获得建筑物表面上的点的空间位置坐标，通过多站点测量得到一系列点云，各站之间必须有一定的重叠区域，然后通过软件对多站点的点云进行配准，从而得到建筑物全部的完整的空间信息。

本文利用Trimble TX5三维激光扫描仪对本校博物馆的内部进行了扫描。

经过配准拼接删除噪点之后得到博物馆的内部完整点云，见图2。

3.1 在3ds Max 中建立实体模型
由于场景较大，在建立模型时可将博物馆分为几个部分分别建模，然后再将这些模型合并拼接起来。

实际制作中将博物馆分为展厅、走廊、楼梯三部分分别建模，最后这三部分模型合并到同一个3ds Max文件，并按照点云显示的位置将它们摆放拼接，如此完成整个场景的模型构建。

(1) 馆体的构建。

将博物馆的内部点云通过其他软件进行格式转换之后导入3ds
Max，以点云为参照勾勒出博物馆的俯视轮廓，并将轮廓线挤出得到墙体，并将
其封口得到房顶。

所建模型见图3。

(2) 馆内设施的构建。

以走廊和楼梯部分的构建为例。

走廊两侧是木制的吊顶，将走廊转换为可编辑多边形，在线层级选中走廊顶部两个长边进行连线分割成多个方格，选中相间隔的多边形分别进行挤出，完成吊顶的制作。

楼梯和扶手的制作，首先画出一节楼梯台阶的侧面，参照点云进行挤出，并将其转换为可编辑多边形，复制出合适数量的台阶；然后在顶视图用线画出扶手轮廓，在其它视图调整扶手高度，将其设置为“可渲染”样条线，调整半径与点云数据大小匹配。

楼梯和扶手部分见图4。

3.2 馆内文物的三维数字重建
文物的三维数字重建采用非接触式三维扫描仪来进行，使用的是Artec Eva 3D便携式三维扫描仪，Eva不需要对物体贴标记，不需要电磁跟踪，也不需要校准。

在获取完整三维数据的同时，获得逼真的表面纹理，扫描系统自动完成纹理映射操作[2-4]。

扫描处理后的馆藏文物三维模型之一如图5所示。

按照博物馆中文物的实
际摆放位置，把得到的馆藏文物三维模型导入展厅中并调整好它们的位置。

3.3 简化三维模型
为了同时兼顾效果和速度，对于大型场景在建立模型的时候要严格控制模型的数量和面数，另外为了在VRP 提高虚拟现实系统的实效性，导入其中的模型不能设计
得太复杂[5-7]。

在将3ds Max中的模型导出到VRP中时可根据导出时显示的信
息对模型进行及时调整，可以将底层的面和重叠的面删除、尽量减少模型的分段数、合并同类模型文件等方法对模型反复进行优化调整[8-9]。

另外，还可采用细节分
层(Level of Details，LOD)技术优化虚拟现实场景[10-12]。

LOD是Clark 在1976 年首次提出的，主要是为虚拟现实系统中的模型建立多层次细节模型，在不同情况下选择相应的层次，当物体处于较远位置时可选用较粗的层次模型显示，相
反离视线较近时则选用较精细层次模型显示，从而达到实时简化模型但又保持良好的视觉效果的目的。

3.4 材质贴图
要制作出精美的模型还要为模型添加上材质帖图，只有添加了材质贴图的模型才会更加逼真自然。

3ds Max具有强大的材质贴图功能，不仅可通过图片为模型加上贴图，3ds Max中还有程序贴图，通过算法生成贴图。

在采集数据时要对博物馆内部细节进行精细拍照，并用PS等图像处理软件对照片进行加工处理，调整其色彩、光线、透明度等符合场景真实性[13]。

添加了材质贴图的对象为了方便修改调整材质需要为其添加UVW贴图修改器。

为了同时兼顾效果和速度，对于特别复杂的对象可以建立粗模型，细节部分通过贴图来体现，如此建立的模型既保证了效果又提高了系统的运行速度。

3.5 灯光的布置
光线是画面视觉信息与视觉造型的基础，没有光便无法体现对象的形状、质感和颜色。

虚拟现实系统中的灯光可以模拟现实生活中不同光源类型的物体，通过为场景打灯光可以增强场景的真实感。

3ds Max自带各种灯光另外还支持Vray灯光，VRP也同时支持这两种灯光。

在整个博物馆场景的灯光布局中，走廊的灯光以目标聚光灯为主要光源，并对灯光位置、数量和参数进行适当调整以达到预期效果；展厅的玻璃展柜过目标聚光灯做出射灯效果，以便在墙上展现出细腻的射影效果，再在厅内添加适当数量的泛光灯来配合以达到最佳效果。

3.6 刚体动画的制作
本系统要对文物进行虚拟展示，所以需要设置多个刚体动画。

选中一个文物对象，点击自动关键点，在0 帧设置关键帧，然后在其他位置不断设置关键帧，对文物对象进行旋转、移动等操作，将刚体动画进行保存，设置ABC 组并以VRP_文物名命名[14]。

3.7 烘焙贴图
烘焙主要目的优化场景提高系统的运行效果，烘焙灯光贴图后场景中的灯光即使被删除，场景也还会有强烈的光照和阴影效果。

由于要将3ds Max中建立的博物馆模型导入VRP中，烘焙时需要注意：① VRP只支持Complete Map和Lightinh Map这两种烘焙方式的贴图；② 烘焙的贴图大小应根据对象实际大小进行调整尺寸；③ 烘焙后的贴图不能重名。

将3ds Max中建立的博物馆模型导入VRP中，并进行相应设置。

(1) VRP中场景的优化。

烘焙后导入到VRP中的博物馆场景还需要对模型位置、大小、重叠等进行相应调整，如果有模型破损等情况还需要回到3ds Max中进行修改。

另外在VRP中还可以对场景中的材质、纹理和阴影效果进行调节。

比如
3ds Max中玻璃材质在VRP中无法显示透明效果，就要对玻璃进行单独修改，使其具有透明、反射和折射等真实效果。

如有必要可将一些贴图在PS中重新进行修改、调整，以达到更逼真的效果。

(2) 交互界面设置。

交互界面的主要功能是制作导航图、功能按钮、菜单，当用户鼠标移近按钮并单击时会触发相应的脚本事件，如选择相机、音乐开关、博物馆知识的文本介绍、动画播放等。

VRP界面设置分为初级界面和高级界面。

(3) 碰撞检测。

VRP具有高效快捷精确的碰撞检测算法，为场景中的虚拟模型开启碰撞检测可以避免人物角色穿墙而过等现象，以实现更加真实的仿真环境。

因此在虚拟博物馆漫游系统中，对于场景中的建筑墙面、桌子、摄像机、玻璃等各类设施都开启碰撞检测。

(4) 漫游系统。

VRP中的漫游方式主要有沿固定路径的漫游和自主式漫游两种。

固定式漫游就是在场景中沿一条固定路径进行漫游，相对较为单一；自主式漫游用户可以在场景中自主漫游，自由度较高，可多角度观看，用户体验更加充分。

在场景中创建骨骼动画，从角色库中选择人物模型添加到场景中，对骨骼角色进行缩放调
整到合适大小并移动到合适的位置，并在动作库中为骨骼角色添加站立、行走、交谈等需要的动作，创建相机跟踪虚拟角色进行漫游。

可以添加的相机有角色跟踪相机、行走相机和角色控制相机，以此来实现多种方式的虚拟漫游。

(5) 添加交互脚本。

① 为虚拟角色绑定相机设置角色移动速度、添加重力等参数，并为虚拟角色动作名称进行修改以便添加脚本。

② 为按钮修改名称并添加脚本，如音乐的播放、相机的选择、角色动作、动画播放等。

③ 双击展厅中的文物，在视窗右侧点击动作按钮，开启“距离触发”，设置触发距离，选择触发物体为虚拟角色，单击“进入时触发动作脚本”，弹出脚本编辑器，然后选择“插入语句”，找到动画命令最后点击播放刚体动画，并编写脚本。

这样就完成了文物动画距离触发的命令。

系统为文物进行了自动虚拟展示的设计。

根据系统交互需要，利用VRP 对文物模型进行了距离触发设置，脚本如下: 角色靠近时动作触发: 播放刚体动画，vrp_文物名，2，0，1; 角色离开时动作触发: 停止播放刚体动画。

(6) 编译独立执行Exe文件。

在VRP中预览虚拟场景的效果达到预期效果后便可输出exe文件。

exe文件可独立运行不依赖于VRP环境，当然也可把交互式虚拟漫游系统发布到网上。

最终效果如图6和图7所示。

交互式博物馆虚拟漫游系统真正实现了人与虚拟场景交互，让用户有了身临其境、沉浸其中的真切的感受。

用户只需轻轻点击鼠标，便可进行鸟瞰、俯视和第一、第三人称自主漫游等多种游览方式，全方位展示博物馆的内部空间结构以及近距离观察馆藏文物；利用虚拟现实系统，人们足不出户便可以游览博物馆，获得与真实的体会；彻底打破空间、时间的限制，可以反复观看馆中的宝贵文物，既不会对文物有损伤，还可做更深一步研究。

这项工作为探索西藏文化数字化保护积累了宝贵经验，有一定的实际意义。

Tel.:136****6609;E-mail:****************
【相关文献】
[1] 贺金鑫,赵庆英,韩秀梅，等.火山喷发地质过程的虚拟实验教学[J].实验室研究与探索，
2016,35(1):65-67.
[2] 张珮琛.计算机辅助设计(CAD)在文物修复中的运用[J]. 文物保护与考古科学,2005,17(2):36-38.
[3] 李涤尘,邱志惠,宁军涛.文物计算机辅助修复方法探讨[J]. 文物保护与考古科学,2005,17(3):12-16.
[4] 孙虎成.三维激光扫描技术在博物馆中的应用与实现[J]. 河南科技，2012(10):54-54.
[5] 黄婳.基于3ds Max与VRP 镂空植物效果制作[J]．现代计算机，2014(5) : 38-41．
[6] 马浩,马静波.虚拟现实VRP 深度交互实例精解[M]．北京:印刷工业出版社，2012: 132-137．[7] 王富伟.基于3dsmax 和VRP—Builder 平台的数字校园虚拟漫游系统的设计与实现[J].中国科技信息，2009(24) : 95-96．
[8] 陈莉,赵一鸣.基于VRP 的研究性虚拟实验系统设计与实现[J]．中国教育信息化，2014(7) : 68-71．
[9] 王正盛,陈征．VRP10 /3ds Max 虚拟现实制作技能实训教程[M]．北京: 科学出版社，2010: 12-18.
[10] 郝筱松.虚拟现实中三维模型简化技术[D].西安：西安电子科技大学,2007．
[11] 杨崇源,张继贤,林宗坚．虚拟地形场景绘制中的LOD 实时算法[J].测绘学报,2001,30(2) : 133-139．
[12] 臧新锐.虚拟环境中大范围三维地形模型简化方法研究与实现[J].遥感信息,2007(1) : 81-82．
[13] 唐小惠.基于3dsMax和VRP的虚拟校园技术研究[J].农业网络信息,2015(7)：46-50.
[14] 马思群,李莎莎,杨巍，等.基于3Ds Max及VRP 的高速列车VR 系统设计[J].计算机仿
真,2013,30(1) :1-4.。