3dsmax在虛擬地理實(shí)驗(yàn)室建模中的應(yīng)用

梁海 吳國(guó)文等

摘 要：敘述了使用3dsmax進(jìn)行地理建模的比較具體的方法和過程，介紹了各種地理模型的實(shí)現(xiàn)方法，各種模型優(yōu)化的方法通用方法。

關(guān)鍵詞：3dsmax；地理模型；建模；優(yōu)化

本論文是黑龍江省教育廳十二五課題《基于vrml的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究（9388）》的成果部分，課題組成員為：梁海、吳國(guó)文、田志德、周亞林、張海波。

任何實(shí)體對(duì)象，無論是簡(jiǎn)單的，還是復(fù)雜的，都是由無數(shù)的多邊形組成，正是以多邊形為基本圖元建立模型單元的。有了這些基本的三維模型，就可以根據(jù)實(shí)際需要建立復(fù)雜的實(shí)體模型。此外，通過適當(dāng)?shù)男薷摹⒖s放等操作，使模型具有可延續(xù)使用性和可擴(kuò)充性，便于不同對(duì)象實(shí)體的嫁接組合。

對(duì)于簡(jiǎn)單物體，按照所確定的模型層次結(jié)構(gòu)和相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整好合適的比例，在建模過程中盡可能減少使用的多邊形的數(shù)量。使用最少的多邊形獲取相同的真實(shí)感，在不影響外觀效果的情況下，可以大大地提升實(shí)時(shí)繪制速度，提高瀏覽幀率。對(duì)于復(fù)雜物體，需要綜合3ds Max等共同創(chuàng)建。首先，提取CAD圖紙中相關(guān)建筑物的平面輪廓線，結(jié)合實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù)將輪廓線修整完善，保存為.DWG格式文件。然后，將此格式的文件導(dǎo)入3ds Max中作為模型的外輪廓拉伸基準(zhǔn)并以此建立復(fù)雜物體的模型。完成后，貼上紋理圖片，增加適當(dāng)?shù)墓庠凑彰饕灶A(yù)覽所建模型是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)期效果，保存為*.3DS格式文件。最后利用PolyTrans插件將*.3DS格式的文件轉(zhuǎn)換為* .jpt（OpenFlight）格式文件，就可以在Multigen Creator中順利打開模型文件了。

但是，在用PolyTrans插件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的過程中，會(huì)導(dǎo)致部分面的破裂與缺失，所以，用Creator打開OpenFlight格式的模型后，還需要進(jìn)行面的修補(bǔ)、合并等一系列整理工作。即便如此，通過插件將AutoCAD、3ds Max結(jié)合建模的方法在目前仍然是Creator建模中處理復(fù)雜模型的最有效途徑，也極大地提高了建模效率。

一、地形模型建立

3ds Max中有專門的地形建模工具，通過該工具建立模型，能夠有更大的主動(dòng)性、靈活性，創(chuàng)建的模型具有更好表現(xiàn)能力。在3dsmax中建立地形模型，可以利用CAD軟件建立等高線數(shù)據(jù)文件、也可以直接使用地形工具自己建立，下面介紹一下直接使用地形工具建模方法：1、在前視圖創(chuàng)建輪廓線，注意一定要是封閉的。2、使用“選擇并移動(dòng)”工具在左視圖中移動(dòng)這幾條封閉曲線的位置，使得最小的封閉曲線在最上面，最大的封閉曲線在最下面，以此類推。3、單擊“標(biāo)準(zhǔn)基本體”右側(cè)的小按鈕，并選擇“復(fù)合對(duì)象”進(jìn)入到“復(fù)合對(duì)象”面板；4、選擇最下面的一條曲線，然后單擊“地形工具”，這時(shí)就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)平面的地形；5、在下面的面板中單擊拾取對(duì)象按鈕，并在左視圖中從低到高依次單擊封閉曲線，此時(shí)就會(huì)形成地形的造型；6、如果覺得形狀不妥，可以進(jìn)入修改面板進(jìn)行詳細(xì)修改；7、可以繼續(xù)為已建立的模型添加其它修改器從而形成更好的地形效果。

二、樹木的建立

樹木的建立，是模擬逼真場(chǎng)景環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。一方面，Creator對(duì)復(fù)雜模型的建模能力有限，強(qiáng)接建立樹術(shù)是一項(xiàng)很難辦到的事情。另一方面，利用3dsMax的SpeedTree捅件建立好樹術(shù)模型后，一顆樹的面片數(shù)豢通常都在萬個(gè)以上，導(dǎo)入Creator中，會(huì)極大地影響實(shí)對(duì)繪制效率。所以，在Creator串建立樹木模型，必須借助更為有效的方法。OpenGL中十字相交法和Billboard法可以很好地解決樹木問題，Creator也提供了對(duì)上述兩種方法的支持，所以樹術(shù)的創(chuàng)建樹木模型的問題也迎刃而解。

十字交叉法，是用兩個(gè)十字交叉面來構(gòu)造樹木模型，在互相垂直的平面上，分別映射相同的樹木透明貼圖紋理，利用人的視野有角度局限性這一原理，使人感覺在不同角度總可以看到相同樹的圖像。由于此方法只用了兩個(gè)多邊形，所以建立的樹木模型只有四個(gè)面，計(jì)算量被大大削減、提高了場(chǎng)景顯示速度。Billboard法也稱為公告牌技術(shù)，采用一個(gè)多邊形面模擬樹木，當(dāng)視點(diǎn)改變時(shí)，此多邊形會(huì)繞指定的軸旋轉(zhuǎn)從而保證始終面向觀察者方向。只要時(shí)刻保持二維紋理樹木圖像的法線矢量指向觀察者，就可以造成一種能夠使觀察者滿意的三維樹木的假象，可以很好地解決樹木的建立問題。

Creator中的紋理映射方式有多種，包括三點(diǎn)映射、四點(diǎn)映射、表面映射、球形映射，柱形映射、地學(xué)紋理映射、環(huán)境貼圖映射共七種映射方式，可適應(yīng)不同的紋理需要?jiǎng)偂Ｐ@場(chǎng)景中一般都是規(guī)則物體模型，為了驅(qū)動(dòng)時(shí)能有效地顯示出來，需要將處理好的紋理圖片用三點(diǎn)映射方式粘貼，而選擇其它方式可能導(dǎo)致紋理不能正常顯示。

完成對(duì)場(chǎng)景中的單體建模后，為了生成校園整體三維場(chǎng)景，再對(duì)單個(gè)模型按空間位置進(jìn)行有序的集成。場(chǎng)景實(shí)體模型的構(gòu)建是按照?qǐng)鼍皩哟谓Y(jié)構(gòu)的劃分進(jìn)行的，各層次實(shí)體構(gòu)建完后需要進(jìn)行組合集成，最終形成虛擬場(chǎng)景的整體模型。

對(duì)場(chǎng)景模型本身而言，如果只為了增加真實(shí)感，與真實(shí)景觀相對(duì)應(yīng)的實(shí)體建模應(yīng)該充分詳細(xì)，但這樣不僅大大增加了工作量，而且一旦場(chǎng)景中的多邊形數(shù)達(dá)到一定數(shù)量，視景的實(shí)時(shí)繪制輸出將難以實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到場(chǎng)景真實(shí)感與實(shí)時(shí)性的平衡，必須對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，其主要目的就是為了提高系統(tǒng)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)性、在不顯著影響視景效果的前提下減少系統(tǒng)繪制的多邊形數(shù)目、提高圖形繪制的幀速。對(duì)校園模型的優(yōu)化和模型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化主要包括以下操作。

三、模型的優(yōu)化

1、去除冗余面

冗余面是指那些不可見面。例如，樓體的底面、內(nèi)墻面及樓層面閥的連接面等，由于場(chǎng)景瀏覽時(shí)，它們處于不可見位置，有無都不影響整體效果。在這種情況下，需要消除這些冗余的多邊形面，降低整個(gè)場(chǎng)景的復(fù)雜度。

2、三角面片合

模型導(dǎo)入時(shí)，重新計(jì)算處理，將所有的非三角形轉(zhuǎn)化成了三角形，這就增加了面的數(shù)量，影響了顯示效率，由此涉及到三角面片的合并問題。

3、紋理映射代替實(shí)體建模

對(duì)于門、窗、欄桿等細(xì)節(jié)部分，采取紋理映射的方法代替建模，即在對(duì)應(yīng)位置的多邊形面上“貼”上相應(yīng)的紋理圖片來代替詳細(xì)模型。紋理映射的意義可以簡(jiǎn)單歸納為：用圖像來替代實(shí)體模型中的可模擬或不可模擬的細(xì)節(jié)，提高模型逼真度和圖形顯示速度。

4、外部引用和實(shí)例化工具

利用外部模型引用工具可以在模型中引用外部的模型文件，而沒有必要將模型添加到自己的模型數(shù)據(jù)庫中，從而減小了模型的大小。它的本質(zhì)是一個(gè)指向要引用模型的指針。

當(dāng)三維復(fù)雜模型中許多幾何形狀相同但是位置不同的物體，考慮采用實(shí)例化（Instance）工具。如將一根柱子實(shí)例化后，復(fù)制到其他柱子的位置，再刪掉原來的即可。

5、使用交換矩陣

變換矩陣工具對(duì)于“一次性變換一系列物體對(duì)象”是很有用的，它可以避免對(duì)單個(gè)對(duì)象重復(fù)使用坐標(biāo)計(jì)算，提高模型運(yùn)行的效率。變換矩陣是一個(gè)4x4的矩陣，用于計(jì)算相對(duì)于原來位置或方向的變換數(shù)值。當(dāng)整個(gè)模型發(fā)生改變后，變換矩陣會(huì)自動(dòng)更新，以保證參與矩陣變換的節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其父節(jié)點(diǎn)位置的正確性。

6、畫面閃爍問題的解決

當(dāng)兩個(gè)多邊形共用一條邊時(shí)，其中一個(gè)多邊形的項(xiàng)點(diǎn)就落在了另一個(gè)多邊形的一條邊上，而對(duì)這條邊來說，這個(gè)點(diǎn)卻是不存在的，這就是點(diǎn)在線上的情況。■