基于3DSMAX的數(shù)字西域文化博物館的設(shè)計與實現(xiàn)

李 旭 姚江河 司春景 高賢強 王 飛

(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

塔里木大學(xué)西域文化研究所迄今發(fā)展為新疆南疆地區(qū)大型的多功能歷史類博物館。館內(nèi)收藏有新疆各歷史時期的珍貴文物，及大量的圖片資料和文字資料。本文利用西域文化研究所所藏西域文物資源豐富這一地區(qū)優(yōu)勢，本著更好地研究和宣揚西域文化為目的，旨在構(gòu)建西域文化研究所現(xiàn)有文物和展館的三維模型，搭建基于西域研究所的網(wǎng)絡(luò)西域數(shù)字博物館，以實現(xiàn)西域文物資源的數(shù)字化，并通過數(shù)字化技術(shù)對西域研究所展館及文物進行三維虛擬顯示。該項研究對于西域文化及自然遺產(chǎn)信息資源的保護和利用(包括對信息資源的采集、保存、傳輸、展示利用等)的研究具有重要意義[1]。

1 軟件簡介

3D Studio Max，常簡稱為3DSMAX或MAX，是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。它是當今世界上最流行的三維建模、動畫制作渲染軟件之一，被廣泛應(yīng)用于制作角色動畫、室內(nèi)外效果圖、游戲開發(fā)、建筑動畫、影視動畫、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，3DS MAX以其優(yōu)異的性能、卓越的開放性為開發(fā)各類三維數(shù)字產(chǎn)品提供了可能。利用3DSMAX，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)和計算機全方位地清晰參觀和感受文物，不受時間和空間的限制。用數(shù)字化博物館來推動“西域的記憶”，煥發(fā)出新的生命力[2－3]。

2 三維虛擬數(shù)字博物館制作的思路

從制作三維虛擬數(shù)字博物館的使用到3DS MAX、Premiere Pro等軟件，以下具體以3DSMAX軟件為例。本次作品是以實物為原型，由于一些特殊原因，在不違背原則的情況下，做適當?shù)男薷摹?/p>

3 三維虛擬數(shù)字博物館模型的制作

3.1 數(shù)字博物館建模的方法和步驟

通過上述的思路，在3DSMAX中的工作流程如下圖1所示。

圖1 3DSMAX三維建模流程

三維建模的方法有很多種，例如:多邊形建模、面片建模、NURBS建模、復(fù)合建模、參數(shù)化建模等[4－5]。本文主要采用以下方式進行三維建模。

首先是在3DSMAX中繪制平面圖，可利用放樣、擠出等修改命令，將二維平面圖制作成三維模型，即畫框的立體生成。然后把生成的三維模型轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形或可編輯網(wǎng)格，最后利用編輯多邊形下的頂點、邊、邊界、多邊形、元素五個子層級，編輯多邊形的父級對象可以將已經(jīng)生成的簡單模型進行編輯，使之生成復(fù)雜的三維模型。

以下以沙盤制作為例。沙盤分為底座和地形部分，沙盤建模的前兩個步驟與三維建模的前兩個步驟基本一致，即在二維圖形的基礎(chǔ)上利用擠出修改命令成為三維模型。具體的制作方案如下:

3.1.1 在頂視圖中畫出沙盤地形的輪廓，注意在畫輪廓時，所有的輪廓都應(yīng)該是閉合的，否則在最后擠出時不能擠出封閉的幾何體，擠出時要根據(jù)情況增加分段數(shù)。

3.1.2 進入修改命令面板，選擇編輯多邊形修改命令，根據(jù)地形的高低起伏，修改三維模型的點，將其大致的地形分布制作出來。再選擇噪波修改命令，將修改大致的地形修改的更加精細。最后選擇網(wǎng)格平滑命令，將其山脈制作的平滑。

3.1.3 利用衛(wèi)星將西域部分地圖復(fù)制下來，通過部分修改，將其作為沙盤地形的貼圖。

3.1.4 底座部分。則是通過測量將比例確定，制作底座模型主要用到多邊形建模，其中部分用到上所說的方法，在此不再贅述。

以上是數(shù)字博物館部分的建模方法。而制作出數(shù)字博物館還用到以下步驟方法。

第一，完成單個的模型，如沙盤、掛畫等，前面已經(jīng)敘述，這里不再贅述。

第二，把單個的模型導(dǎo)入到3DSMAX中，根據(jù)現(xiàn)實中博物館的陳列，將其整合。

第三，修改細節(jié)，添加輔助設(shè)施。最終的效果圖如下圖2所示。

3.2 三維虛擬數(shù)字博物館材質(zhì)貼圖的制作

模型建立完成之后就是給模型賦予材質(zhì)和貼圖。一般在3DSMAX中有三種方法給模型賦予材質(zhì)和貼圖。

本文主要用到基本材質(zhì)和位圖兩種方法。

圖2 沙盤效果圖

3.2.1 利用基本材質(zhì)在3DSMAX中，基本材質(zhì)使用3種參數(shù)構(gòu)成對象表面，即環(huán)境光顏色、漫反射顏色、高光顏色。合理的使用環(huán)境光和漫反射及高光區(qū)的控制，可以創(chuàng)建出大部分基本材質(zhì)，這種方法雖然簡單，但能有效的生成最終的渲染效果，同時基本材質(zhì)還可以模擬發(fā)光對象、透明或半透明對象等。本文中一些墻面、裝飾燈材質(zhì)制作使用的這種方法。

3.2.2 利用位圖

在3DSMAX軟件中，位圖是在材質(zhì)制作中較為常見的一種二維貼圖。在三維場景中大部分模型的表面貼圖都需要與現(xiàn)實中的實體相吻合，而只一點通過娶她程序貼圖實現(xiàn)比較麻煩，并且與真實的紋理有一定的差距，一般是用數(shù)碼相機拍攝或其他路徑獲取的位圖來進行貼圖。由于本次制作的模型是根據(jù)真實物體制作的，貼圖也是使用Photoshop軟件制作，與現(xiàn)實的貼圖基本一致。貼圖的掛畫如圖3所示。

圖3 墻壁掛畫貼圖

3.3 三維虛擬數(shù)字博物館燈光的制作

本文設(shè)計主要用到的是泛光燈。泛光燈類似一個沒有燈罩的燈泡，均勻地向各個方向發(fā)射光線，泛光燈可以模擬點光源效果用于為場景添加充足光照。

泛光燈的設(shè)置除了有常規(guī)參數(shù)外，還有強度/顏色/衰減、高級效果、陰影參數(shù)、陰影貼圖參數(shù)、大氣和效果、mental ray間接照明、mental ray燈光明暗器。

3.4 三維虛擬數(shù)字博物館動畫漫游的制作

西域文化數(shù)字博物館的漫游使用的16個鏡頭合并完成，每個鏡頭將場景的各個本分以不同的角度展示出來，使整個西域文化博物館給人們以強烈的視覺沖擊力和藝術(shù)感染力。

作品最終的格式為vrml格式，它能夠在不渲染的情況下，將其從3DS MAX軟件中導(dǎo)出，其中最大的好處就是能夠人機交互，將場景全方位展示出來。鏡頭如圖5所示。

4 結(jié)論

本文論述了采用3DS MAX軟件構(gòu)建數(shù)字西域文化博物館的建模的方法及步驟，三維虛擬數(shù)字博物館材質(zhì)貼圖的制作、燈光的制作以及動畫漫游的制作等內(nèi)容。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，用戶不受時間空間的限制，可以自由瀏覽西域文化博物館。

圖4 泛光燈參數(shù)

圖5 鏡頭參數(shù)

[1] 吳偉波，曹文君.對于數(shù)字化博物館實現(xiàn)中的一些關(guān)鍵技術(shù)的研究與實踐[J] .復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，40(6):649－652.

[2] 榮國棟，孟祥旭.Inspeck 3D－DF三維掃描儀在數(shù)字博物館中的應(yīng)用[J] .計算機工程與應(yīng)用，2002，38(16):237－239.

[3] 周昆，潘志庚，石教英.多細節(jié)層次模型間的平滑過渡[J] .計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2000，12(6):463－467.

[4] 李振波，孟祥旭，向輝.復(fù)雜虛擬場景構(gòu)造及交互漫游實現(xiàn)研究[J] .系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14(9):1183－1187.

[5] 劉士軍，孟祥旭，向輝.基于XML的文物數(shù)字博物館數(shù)據(jù)集成研究[J] .系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14(12):1624－1627.