陳芬

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

三維可視化建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

陳芬

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

三維可視化建模技術(shù)是一種新型技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在教育、工業(yè)、科研等多個(gè)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助了計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)特點(diǎn)，將非常生動形象的三維視覺、聽覺及觸覺等生成并展現(xiàn)了出來，用戶能夠在這個(gè)虛擬的世界中進(jìn)行瀏覽與交互，其中的三維可視化建模技術(shù)在此起著重要作用，下面我們將具體分析探討這項(xiàng)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。

三維可視化建模技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；應(yīng)用

1 引言

三維可視化建模技術(shù)的核心是三維真實(shí)可感，三維可視化建模技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在社會的各個(gè)領(lǐng)域中，例如地形建模、物流拆卸過程建模及虛擬校園等等，其根據(jù)不同的實(shí)際情況，會選取不同的建模方法與建模工具，下面我們將分析虛擬現(xiàn)實(shí)中三維可視化建模常用方法及工具，為實(shí)際生活中的建模提供相應(yīng)的依據(jù)與指導(dǎo)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)中三維可視化建模的常用方法

2.1 幾何建模

幾乎所有的物體都能夠看作由一些幾何體建構(gòu)而成，例如人體及建筑模型等等，我們可以將這些作為幾何信息進(jìn)行處理。物體的幾何形狀通常情況下是非常直觀而形象的，因此采用幾何建模比較便利而常用。幾何建模在其過程中分為兩個(gè)方面：體素與結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)將體素作為基礎(chǔ)，重新組合成新的對象。幾何模型構(gòu)建通常使用方式是層次結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹型層次結(jié)構(gòu)作為其基本原理，用樹型結(jié)構(gòu)層次清晰地展示出來，例如對于大樓建模來說，其中的體素就是大廳、樓梯、門、窗等等，它們重新組合構(gòu)成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)[1]，在對建筑物大廳建?；蛘呤切薷臅r(shí)，首先要建門、接著建窗，修改窗，門與大廳就會發(fā)生改變，這生動形象地體現(xiàn)了建模的靈活性及整體性。

2.2 物理建模

物理建?？紤]的是物體的物理屬性，采用物理屬性中的分形技術(shù)及粒子系統(tǒng)來建模。分形技術(shù)能夠?qū)⒕哂邢嗤瑢傩约跋嗨铺卣鞯奈矬w描述出來，例如山川、河流等就可以用三角形隨機(jī)地生成建構(gòu)模型，然后取三角形邊上中點(diǎn)位置將其分割成4個(gè)三角形，每個(gè)中點(diǎn)設(shè)定一個(gè)定值，采用遞歸方式還原真實(shí)山體，這種建模技術(shù)非常適合于不規(guī)則的復(fù)雜物體尤其是靜態(tài)物體。

2.3 行為建模

前兩種建模都是最基礎(chǔ)的，都是對虛擬現(xiàn)實(shí)中物體的基本模型構(gòu)造，這兩種建模方式將物體的外形、特征等創(chuàng)造出來，并給予其基本屬性例如形狀、色澤及感光度等等，但是這并不能真正完全地體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)中物體的完整性及自主性，創(chuàng)建在真實(shí)世界中的物體，還需要其他行為與能力，因此需要采用行為建模。行為建模指的是物體建模過程中需要遵循的客觀規(guī)律，例如創(chuàng)建人體模型時(shí)，不單單有表面的特征，還要將人體的一般能力如簡單的行走和呼吸時(shí)肌肉骨骼等的變化反映出來，它與前兩種建模方式相比，集合了更多學(xué)科知識，例如對“天氣變化仿真系統(tǒng)”進(jìn)行建模時(shí)，首先進(jìn)行云層、雨雪及冰雹等的基本建模，然后結(jié)合自然因素如風(fēng)向，將其強(qiáng)弱、走向及初始等多方面給出反射性條件，確保天氣預(yù)報(bào)的真實(shí)可靠及客觀規(guī)律[2]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)中三維可視化建模常用工具

虛擬現(xiàn)實(shí)過程中使用到了三維可視化建模技術(shù)，需要實(shí)時(shí)地模擬環(huán)境，因此物體模擬模型必須是逼真而實(shí)效的。三維技術(shù)的迅速發(fā)展，催生了多個(gè)軟件廠商設(shè)計(jì)開發(fā)出更多的建模語言及軟件，其中的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（VRML）是HTML的一種3D模擬，它能夠?qū)⑷S物體及其行為很好地描述出來。主流的工具有VrmlPad，它對自己的一套對象集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義，建立自己所需要的模型對象，但是這種工具建模是比較復(fù)雜的尤其對于大型場景模擬，但是在靜態(tài)場景效果、動畫及行為腳本方面則比較好操作。更加復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)場景所需模型文件及制作軟件是3DMaX，它能夠安裝相應(yīng)的輸出插件，能夠直接地建立起場景模型文件，虛擬現(xiàn)實(shí)模型的設(shè)計(jì)與制作需要使用更方便、更全面的曲面工具NURBS技術(shù)，還可以使用類似的三維模型制作軟件如Maya、Plasma等等[3]。開發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該結(jié)合建模具體要求，了解計(jì)算機(jī)及軟件本身要難易程度后，在提高三維圖形質(zhì)量等方面進(jìn)行攻克與努力。

4 三維可視化建模技術(shù)在虛擬校園中的應(yīng)用

這里將三維可視化建模技術(shù)應(yīng)用在虛擬校園中，虛擬校園系統(tǒng)一共分成幾部分內(nèi)容：場景規(guī)劃、單體地物及實(shí)時(shí)虛擬動畫等等。在構(gòu)建虛擬校園過程中，首先需要確定這里要使用的幾種模型構(gòu)造方法。

4.1 項(xiàng)目建模方法

現(xiàn)在三維建模中經(jīng)常使用的建模方法主要有多邊形建模、NURBS及細(xì)分曲面技術(shù)建模等等，每種建模方式及方法都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，三維軟件中的3DMaX、Maya等都具有這些建模技術(shù)，而其中比較優(yōu)秀的是3DMaX的多邊形建模技術(shù)與Maya的NURBS建模技術(shù)，而Rhino又包含了NURBS建模功能，能夠構(gòu)建出精度高的模型，然后與其他三維軟件聯(lián)合使用，這里的虛擬校園項(xiàng)目采用3DMaX軟件來創(chuàng)建三維模型，多邊形建模適用于建筑物，而且其中只要有足夠多的細(xì)節(jié)，這種建模方式就能夠?qū)⒍喾N不同建筑很好地表現(xiàn)出來。數(shù)字虛擬校園使用3DMaX軟件構(gòu)建3D虛擬場景，依據(jù)校園內(nèi)的地理環(huán)境、地形特點(diǎn)，將校園總體劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的景物及特征也要確定、表現(xiàn)出來，在使用3DMaX軟件構(gòu)建主要建筑物三維模型時(shí)，尤其需要注意的是其細(xì)化程度，根據(jù)實(shí)際建筑特點(diǎn)選取合適建模方法，對于規(guī)則平面幾何體最好使用多邊形方法，對于復(fù)雜曲面幾何體使用面片建模或者是NURBS建模，對于遠(yuǎn)處樓宇等建筑物可以使用簡單幾何體賦予貼圖形式表現(xiàn)，對于室內(nèi)物體可以使用較為復(fù)雜幾何體輔助以精細(xì)貼圖，滿足仿真要求[4]。模型建好后，接著進(jìn)行模型貼圖工作，這里需要用到數(shù)碼相機(jī)，最后是優(yōu)化各個(gè)區(qū)域內(nèi)的模型。虛擬校園場景中有大量的模型，模型在制作方面比較精細(xì)、繪圖質(zhì)量也是非常高的，但是也大大增加了面數(shù)，繪制速度隨之降低，在視覺效果與系統(tǒng)性能間存在矛盾，這在多細(xì)節(jié)層次模型生成中是比較常見的，矛盾解決可以使用LOD思想，這種思想方法在解決復(fù)雜場景及計(jì)算機(jī)能力不匹配方面是非常好的，對于區(qū)域場景中的不同物體或物體不同部分使用不同細(xì)節(jié)層次來描述。當(dāng)虛擬物體離視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，采用簡單、粗糙的LOD模型繪制，距離較近時(shí)，使用較精細(xì)的LOD模型繪制。模型及場景全部都集成好之后，接下來就需要實(shí)現(xiàn)虛擬漫游，虛擬場景一般用于交互，因此需要根據(jù)實(shí)際情況來開展碰撞檢測，例如當(dāng)人們通過門從室外進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，遇到墻會被擋住，這樣就較好地虛擬出來一個(gè)真實(shí)世界，也反映了虛擬環(huán)境的真實(shí)性，需要對這些碰撞進(jìn)行檢測與計(jì)算碰撞反應(yīng)，將繪制結(jié)果及時(shí)地更新，防止出現(xiàn)物體穿透現(xiàn)象，以免虛擬環(huán)境的真實(shí)感被破壞[5]。

4.2 實(shí)施步驟

項(xiàng)目建模實(shí)施步驟主要分為以下幾個(gè)過程：總體過程、識圖、拍照及制作。下面我們將具體分析實(shí)施步驟與過程。首先是總體過程實(shí)施：模型制作人員應(yīng)該到實(shí)地現(xiàn)場進(jìn)行考察，對建筑物有一個(gè)較好理解，在建模時(shí)應(yīng)該是360度全方位地細(xì)致刻畫瀏覽較多的場景，拍攝過的照片應(yīng)該使用Photoshop來處理，然后將其應(yīng)用于貼圖，貼圖做出的效果應(yīng)該真實(shí)清晰，模型圖片的紋理數(shù)量應(yīng)該嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，紋理模型之間不能夠有共面，一定要將看不見的面刪除掉，減少大場面渲染速度。第二步就是識圖，模型制作人員應(yīng)該根據(jù)航拍圖，將制作的區(qū)域與內(nèi)容確定好，確保模型位置與航拍建筑物位置的一一對應(yīng)，模型精度主要分為三種：一級是精模、二級是中模、三級是簡模，對于一級模型來說，應(yīng)該注重細(xì)節(jié)刻畫，重點(diǎn)刻畫底樓、各個(gè)出入口及門場等重點(diǎn)活動區(qū)，另外屋頂及立面也是需要認(rèn)真刻畫的；二級模型主要有制作范圍內(nèi)的重點(diǎn)模型a級、次重點(diǎn)B級；三級模型基本上使用貼圖就能夠完成。第三步是拍照，在拍攝室外建筑時(shí)，應(yīng)該先拍整體，再拍近景，如果全景較大較廣無法一次性拍攝下來，應(yīng)該分次拍攝，然后使用Photoshop進(jìn)行拼接，在拍攝時(shí)應(yīng)該選擇比較合適的光線[6]。最后一步是制作，在制作虛擬模型過程中，應(yīng)該注意到相鄰建筑物的墻中多余的點(diǎn)、線及面應(yīng)該刪除，應(yīng)該使用Photoshop對貼圖處理過再使用，對建筑物的材質(zhì)效果要嚴(yán)格區(qū)分與辨別，根據(jù)建筑物材質(zhì)調(diào)整其光澤，在最后系統(tǒng)集成過程中，模型要先進(jìn)行整理，統(tǒng)一要提交的文件名稱，模型、材質(zhì)及貼圖名稱等都需要一致，這些內(nèi)容雖然一致，但是還要能易于識別。學(xué)校建筑物建模過程中，會用到CaD施工圖，通常會將這個(gè)施工圖導(dǎo)入到3DMaX軟件中，使用捕捉描繪出輪廓，最后形成三維模型，學(xué)校中比較規(guī)則的建筑如教學(xué)樓、學(xué)生宿舍及體育館等都能夠使用這種方式建模。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)像其他新興科學(xué)技術(shù)一樣，是多個(gè)學(xué)科及領(lǐng)域交叉的產(chǎn)物，具有范圍廣、潛力大等優(yōu)點(diǎn)，在解決一些理論問題與技術(shù)障礙上是較好的，尤其對于實(shí)體建模及實(shí)時(shí)交互來說，他們對VRML系統(tǒng)成敗具有關(guān)鍵性決定作用。三維可視化建模技術(shù)對于虛擬環(huán)境來說具有真實(shí)性及感知性等多種直觀作用，并且在不同建模工具及語言網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展下，將會有更好的解決方法，推動虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的有效構(gòu)建，促進(jìn)人類思維及創(chuàng)造力的發(fā)展。

[1]萬寧，馮梅．關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維可視化建模技術(shù)[J]．太原科技，2007，(1)：70-72．

[2]陳亞東，董春華，王麗等．城市地下空間信息三維可視化技術(shù)的研究[J]．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，30(1)：201-204．

[3]李玉林，苗放，袁俊超等．基于數(shù)字地球平臺的三維虛擬酒店建設(shè)[J]．鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，18(6)：35-37．

[4]何晶．三維可視化物流拆卸過程監(jiān)控方法[J]．物流技術(shù)，2014，(12):445-447，449．

[5]陳阿林，胡朝暉，祁相志等．校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法研究[J]．重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，24(4)：37-40．

[6]胡建平，董春華，陳亞東等．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市三維地學(xué)模擬中的應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(8)：2001-2003，2007．

[7]郝帥．虛擬現(xiàn)實(shí)在仿真中的應(yīng)用研究[J]．電腦與電信，2011，9：48-49．

Application of 3D Visualization Modeling Technology in Virtual Reality

Chen Fen
(Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 22100,Jiangsu)

3D visualization modeling technology is a new technology,with the development of computer and network information technology,this technology has been widely used in education,industry,scientific research and other fields.Virtual reality technology,which is based on computer and network,will generate and display a very vivid image of three-dimensional vision,hearing and touch.Users can browse and interact in this virtual world.3D visualization modeling technology paly an important role in the virtual world.Here we will explore the specific analysis of the technology in the Application of virtual reality.

3D visualization modeling technology;virtual reality;application

TP393.09

A

1008-6609(2015)12-0070-03

陳芬，女，江蘇江陰人，本科，講師，研究方向：3ds max建模。