談虛擬校園模型的創(chuàng)建與優(yōu)化技術(shù)

張津輔

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用愈來愈廣泛，各大高校虛擬校園也紛紛建設(shè)起來。其中校園場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)是虛擬校園系統(tǒng)的核心部分，而場(chǎng)景模型的創(chuàng)建與優(yōu)化成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。該文研究的重點(diǎn)就是找到一個(gè)正確的模型的創(chuàng)建方法與優(yōu)化技巧。以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)中的模型既具有逼真的效果，又能適用于網(wǎng)上瀏覽和互動(dòng)應(yīng)用。

虛擬校園；模型；優(yōu)化技術(shù)

1.模型建模方法選擇

建模是所有三維軟件的主要功能，雖然各式各樣的三維軟件花樣繁多，無(wú)論是3dmax、Rhino、Maya等都擁有下面三種建模方法。下面對(duì)它們進(jìn)行比較和分析，選擇最適合虛擬校園應(yīng)用的建模方法。曲面建模是使用數(shù)學(xué)函數(shù)來定義曲線和曲面，能生成光滑的曲面，主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)和生物建模中。多邊形建模是發(fā)展最為完善的建模體系，多應(yīng)用在建筑、游戲等模型設(shè)計(jì)中。面片建模是介于多邊形和曲面之間的一種建模方法，使用率不高，主要適合角色及生物建模中。綜上所述，多邊形創(chuàng)建出來的模型造型良好，且快捷，適合建筑模型的創(chuàng)建。而且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)清晰，易于模型的細(xì)節(jié)處理，占用系統(tǒng)資源最少，運(yùn)行速度最快。因此在虛擬校園系統(tǒng)的模型構(gòu)建中，采用多邊形建模作為模型建立的最主要手段。

2.建模精度

在虛擬校園系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，場(chǎng)景模型的數(shù)據(jù)大小是與其模型精度有關(guān)系。模型精度分為兩個(gè)類：高精度模型、低精度模型。

高精度模型其細(xì)節(jié)豐富邊角平滑，但面數(shù)過多文件大。把高精度模型導(dǎo)入虛擬引擎中，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度減慢，甚至無(wú)法運(yùn)行。低精度模型雖然精度不夠，但是可以使用貼圖技術(shù)彌補(bǔ)，同時(shí)文件小，更適合虛擬校園的應(yīng)用。通過分析和比較，選擇低精度模型應(yīng)用于虛擬校園系統(tǒng)中是最合適的。

3.模型建模與優(yōu)化

虛擬校園模型主要包括道路、建筑、樹木、天空等，下面本文將分別對(duì)建筑物、樹木、天空等創(chuàng)建于優(yōu)化的方法進(jìn)行闡述。

建筑物：建筑物的建模使用多邊形進(jìn)行建模。由于建筑的外觀多以正方體為為主，因此以BOX為基礎(chǔ)模型進(jìn)行創(chuàng)建。將其轉(zhuǎn)換為多邊形，使用編輯多邊形工具進(jìn)行分別對(duì)點(diǎn)，線，面，體進(jìn)行編輯修改，并進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整，調(diào)節(jié)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置制作出建筑的外部特征，并且使用擠出、倒角、焊接增加建筑的外部細(xì)節(jié)。

在虛擬校園的建筑模型中，時(shí)刻注意對(duì)模型的優(yōu)化。所有建筑模型都是基于對(duì)面的處理上。因此在不破壞造型的基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡(jiǎn)，優(yōu)化面數(shù)有以下幾種方法：

創(chuàng)建低精度模型。創(chuàng)建低精度模型首先對(duì)建筑模型中不可見的面刪除，以建筑模型為例可以刪除的面包括內(nèi)墻、內(nèi)部屋頂、內(nèi)部地板等看不見的面，這樣不僅可以大大模型面數(shù)，提高交互場(chǎng)景的運(yùn)行速度，而且可以提高烘焙貼圖的利用率。建筑模型面數(shù)優(yōu)化也要根據(jù)主次建筑物進(jìn)行優(yōu)化。主體建筑在保持細(xì)節(jié)情況下進(jìn)行優(yōu)化，而輔助建筑進(jìn)行更多優(yōu)化，這樣在游覽時(shí)主體建筑仍十分精細(xì)。漫游中視覺處于疲勞時(shí)隨之視覺要求也逐漸放松，模型的精度也可以隨之降低。另外要注意場(chǎng)景中的模型數(shù)量不宜太多，否則會(huì)給后面交互的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生不必要的麻煩。

使用貼圖表現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)條的物體。對(duì)耗費(fèi)面數(shù)過多的模型和細(xì)長(zhǎng)條的物體用貼圖的方式表現(xiàn)。如窗框、欄桿、柵欄等。

盡量使用三角面模型。盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現(xiàn)長(zhǎng)條型。這是因?yàn)殚L(zhǎng)條形的面不利于實(shí)時(shí)渲染，還會(huì)出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)象。

合理使用二維樣條線。減少放樣物體使用二維樣條線代替。使用3dmax的二維樣條線轉(zhuǎn)換成為多邊形方式來實(shí)現(xiàn)電線、繩索等物體。這樣創(chuàng)建的物體優(yōu)點(diǎn)是即可顯示，而且面數(shù)還為0。如果必須使用放樣建模那么就盡量減少放樣橫截面的線段數(shù)。

相同材質(zhì)的模型合并，對(duì)面數(shù)過多的模型進(jìn)行分割。上文提及切忌場(chǎng)景模型過多，因此對(duì)同樣材質(zhì)的模型盡量合并，在合并時(shí)還要避免跨度較大的模型進(jìn)行合并，另外面數(shù)過多的模型不要進(jìn)行合并。正確的合并方法可以加快場(chǎng)景的加載速度。反之，如果模型面過多，會(huì)增加烘焙物體的數(shù)量和時(shí)間，影響到整個(gè)模型的效果。同時(shí)也會(huì)降低運(yùn)行速度。因此如果遇到過多面數(shù)模型可以采取分割的辦法來解決。

重新創(chuàng)建簡(jiǎn)模比改精模的效率更高。在實(shí)際工作中，對(duì)原有的高精度模型進(jìn)行優(yōu)化，可能需要更多的時(shí)間，甚至還無(wú)法達(dá)到滿意的效果。重新創(chuàng)建一個(gè)低模要比將一個(gè)精模優(yōu)化成低模更快。

下面以虛擬校園的建筑物模型為例，原始模型面數(shù)在14600面，在使用上面敘述的優(yōu)化方式，將樓體模型不可見的面刪除全部。由于窗框占有整個(gè)模型大量的面數(shù)，所以對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化是必要。刪除不可見的面數(shù)的同時(shí)，將相同材質(zhì)的模型合并，避免過多的模型出現(xiàn)。樓體走廊、主樓模型的樓梯使用重新創(chuàng)建簡(jiǎn)模方式，平滑度較低到只要能在視覺上可以接受即刻，樓梯模型也要采用重新建模的方式來實(shí)現(xiàn)。窗戶由于細(xì)長(zhǎng)條的物體，使用貼圖表現(xiàn)，可以大大降低模型的面數(shù)。最后將其他次要部分模型也使用貼圖的方式進(jìn)行優(yōu)化建模。這樣模型從優(yōu)化前的1.4萬(wàn)個(gè)面減少到7千個(gè)面，這樣模型才適合后面虛擬校園的應(yīng)用。

樹木：樹木花草等自然景物是虛擬校園中最為常見的模型，由于樹木本身復(fù)雜性和隨意性，其模型創(chuàng)建也成為虛擬校園實(shí)現(xiàn)的難題之一。樹木創(chuàng)建方法分三大類：AEC三維樹木創(chuàng)建方法、公告牌技術(shù)的創(chuàng)建方法、偽三維模型的創(chuàng)建方法。本文具體分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行比較，最終選擇最適合虛擬校園系統(tǒng)中樹木的表現(xiàn)方法。

AEC三維樹木創(chuàng)建方法：AEC是3dmax中一個(gè)創(chuàng)建植物樹木工具。AEC創(chuàng)建的樹木是完全三維的樹木，樹木全部由多邊形模型組成。面數(shù)多，且文件大。遠(yuǎn)距離觀察非常精細(xì)，而近距離觀察樹葉，全部由凌亂的多邊形模型，效果反而更差。因此不適合在虛擬校園中應(yīng)用。

公告牌技術(shù)，是使用帶透明貼圖的四個(gè)面片進(jìn)行交叉建模方式，并且使模型始終朝向攝像機(jī)的方法來模擬樹木物體。這種創(chuàng)建樹木模型方法顯示速度最快、面數(shù)最少、文件最小，但是真實(shí)感稍差。不過在虛擬校園中使用這種方法是個(gè)比較好的選擇之一。

偽三維模型的創(chuàng)建方法：是使用二維、三維技術(shù)的結(jié)合方法進(jìn)行創(chuàng)建。創(chuàng)建的模型樹干和主要樹枝是用多邊形建模來模擬。而樹葉和其他次要樹枝使用賦予透明貼圖的面片來代替，偽三維模型的樹木面數(shù)少，文件小。遠(yuǎn)近距離觀察均可達(dá)到比較真實(shí)的效果。創(chuàng)建100顆偽三維模型的樹木，只相當(dāng)于一顆AEC三維樹木面數(shù)。使用這種方法應(yīng)用于虛擬校園中也是個(gè)比較好的選擇。

本文推薦使用公告牌技術(shù)模擬樹木群，而對(duì)需要突出表現(xiàn)的地方選擇了偽三維模型的創(chuàng)建方法，這樣效果即做到了有效的精簡(jiǎn)，又在局部達(dá)到了應(yīng)有的逼真的效果。

天空：在虛擬校園中，天空的表現(xiàn)是必不可少的。對(duì)于天空的仿真模擬，有四種模擬方法：藍(lán)色背景模擬法：簡(jiǎn)單、粗糙、逼真度差。天空盒模擬法：正方體模型賦予無(wú)縫貼圖模擬天空；逼真度好，但是對(duì)紋理的要求非常高。八棱錐模擬法：賦予紋理貼圖的八棱錐模型模擬天空，其逼真度不如天空盒。半球型模擬法，創(chuàng)建半球體模型并賦予無(wú)縫貼圖模擬天空，其符合天空籠罩在大地自然規(guī)律。這種方法更符合虛擬校園應(yīng)用。通過上面分析比較得出最終的結(jié)論。推薦的半球型天空模型創(chuàng)建方法。

本文主要介紹了建模的理論基礎(chǔ)、建模方法與優(yōu)化技術(shù)。以及在遇到問題時(shí)，具體解決方案。總之，在模型的創(chuàng)建中，始終把“優(yōu)化”為指導(dǎo)思想，以實(shí)現(xiàn)既有逼真的效果，又適用于網(wǎng)上的瀏覽與交互為目標(biāo)，最終構(gòu)建一個(gè)效果與效率兩者兼得的虛擬校園系統(tǒng)。

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