3D MAX 在城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模中的應(yīng)用

夏 蕾

（武漢商業(yè)服務(wù)學(xué)院信息工程系，湖北武漢，430056）

在城市規(guī)劃領(lǐng)域，傳統(tǒng)的規(guī)劃方法以及管理手段已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在城市建設(shè)的需求。過去的二維信息展示方式不能夠滿足人們對信息獲取的需要，三維信息現(xiàn)實(shí)方式正逐漸成為信息展示的主流方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及測繪技術(shù)的不斷發(fā)展以及有效結(jié)合，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，在城市規(guī)劃以及項(xiàng)目展示中得到了成功運(yùn)用。3D MAX 是Discreet 公司開發(fā)的基于PC 系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。本文著重探討其在城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模中的應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。在80年代，由Jaron Lanier 最先提出了"虛擬現(xiàn)實(shí)"VR 的觀點(diǎn)，目的是為了建立一種新的用戶界面，創(chuàng)造出一種“親臨其境”的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)具有以下幾個(gè)基本特征：①浸沒感：也稱之為臨場感，最為理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨其真假，使用戶能夠全身心的投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切事物看上去、聽上去、聞上去以及動(dòng)起來都是真的。②構(gòu)想性：具有可想象的空間，能夠拓寬人類認(rèn)知范圍，可以構(gòu)想客觀不存在的環(huán)境。③多感知性：理想的建模環(huán)境應(yīng)該具備人類所具有的感知功能，包括：觸覺、聽覺、力覺以及運(yùn)動(dòng)，甚至是嗅覺、味覺感知等。

④交互性：例如用戶能夠用手區(qū)直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，有一種握著的感覺，并且還能夠感覺到物體的重量，被抓的事物也能夠隨之而移動(dòng)。

2 城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模前的準(zhǔn)備

在城市虛擬現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)用3D MAX 的操作步驟如下圖1 所示：

圖1 城市虛擬現(xiàn)實(shí)的制作步驟

在城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模前應(yīng)該做好以下幾方面的準(zhǔn)備工作：首先，提取建筑物的底圖。因?yàn)樗@取的整個(gè)城市片區(qū)的底圖是DWG 格式，這時(shí)就需要使用AutoCAD 將單個(gè)建筑物的輪廓線從整個(gè)城市片區(qū)圖中提取出來，從而作為建模的底圖資料。其次，增加處理紋理格式的作用。一般情況下，選用Photoshop 作為處理照片的軟件，能夠獲得比較逼真的效果，建筑紋理就能夠從相應(yīng)建筑物照片中獲取。最后，將取得的建筑紋理經(jīng)過相關(guān)人間處理，轉(zhuǎn)化為JPG 的格式，為下面的3D MAX 的方便應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

3 建模的具體實(shí)施過程

城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模的實(shí)施過程從數(shù)據(jù)的采集、三維實(shí)體具體建模環(huán)節(jié)以及建立虛擬的場景環(huán)境三個(gè)方面進(jìn)行的。

3.1 數(shù)據(jù)的采集

在數(shù)據(jù)的采集過程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，從而選擇不同的分辨率以及精確度比較高的照片以及圖片。主要是包括：建筑的原始資料：原始資料主要是向有關(guān)部門進(jìn)行提取，有地形圖文件、建筑單體以及大比例尺航攝圖片等，獲取這些資料過后，通過使用AutoCad 進(jìn)行校正，從而得到一個(gè)區(qū)域平面圖。同時(shí)按照相關(guān)比例將獲取到的圖片制作成地形貼圖。貼圖資料：紋理也包括透明紋理以及不透明紋理。透明貼圖采用圖像處理軟件進(jìn)行處理；不透明貼圖采用數(shù)字相機(jī)得到相應(yīng)的數(shù)字化相片，然后采用Photoshop 進(jìn)行校正處理，采用Rgb 格式存儲(chǔ)，建立模型紋理庫。需要注意的是貼圖的長度以及寬度必須是2 的冪次的整數(shù)，否則就不能夠獲得真實(shí)以及準(zhǔn)確的顯示。

3.2 三維實(shí)體具體建模

三維實(shí)體的建模應(yīng)該堅(jiān)持的三個(gè)原則：精心構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)庫；在確保建模物體的真實(shí)性以及可靠性基礎(chǔ)之上，減少模型所含的面數(shù)，有必要時(shí)才將模型細(xì)化；合理?xiàng)l件下，最大限度壓縮紋理。只要堅(jiān)持以上三個(gè)原則，就能夠?qū)崿F(xiàn)最小的數(shù)據(jù)文件、最高的圖像連續(xù)性以及較低的實(shí)施渲染跳幀率。

建模的主要內(nèi)容：①城市建筑體建模：一般條件下，對于一般的建筑物，直接采用Mult iGen Creator 軟件進(jìn)行建模，真實(shí)的表現(xiàn)出模型的基本輪廓以及結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)從而獲得不同分辨率的模型。對于具有特色的建筑，利用3D MAX 來建模，然后再利用Mult iGen Creator 軟件將3D 文件轉(zhuǎn)換，進(jìn)行編輯，減少不必要的多邊形以及面。②城市地形建模：對于大面積以及地理環(huán)境比較復(fù)雜的地形，采用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，選擇合適的算法建立三維地表模型，再按照與地表模型相對應(yīng)的經(jīng)緯度注明坐標(biāo)，紋理采用正射影像圖。對于精度要求比較高的地形，一般采用航片灰度圖與地形手工圖相結(jié)合構(gòu)建地形模型；對于精度要求不高的地形，采用航片灰度圖就可以自動(dòng)生成地形模型。③運(yùn)動(dòng)著的人以及物建模：為了能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)建模中實(shí)現(xiàn)動(dòng)感，對于運(yùn)動(dòng)著的人以及物不應(yīng)該采用簡單的貼圖，而是采用DOF 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。④小品環(huán)境建模：小品環(huán)境主要是指電話亭、路燈以及樹木這些環(huán)境，重復(fù)性比較高，因此，在虛擬現(xiàn)實(shí)的建模中，最大限度的減少面的使用。采用貼圖來代替細(xì)節(jié)模型，模型的屬性設(shè)置成實(shí)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到形象逼真的效果。

3.3 虛擬場景環(huán)境建模

當(dāng)所有的模型建立完成以后，需要將其放在特定的3D 環(huán)境中，當(dāng)前，使用比較普遍的就是實(shí)時(shí)場景驅(qū)動(dòng)工具Vega。主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真以及其他可視化應(yīng)用軟件。

4 3D MAX 在城市建筑物建模中的具體應(yīng)用實(shí)例

以某城市中的建筑物做為實(shí)例來探討3D MAX 在城市建筑物建模中的具體應(yīng)用。

4.1 首先，建筑物底圖的提取

因?yàn)橐@得整個(gè)片區(qū)的底圖，需要使用AutoCAD 將單個(gè)的建筑物輪廓線從整個(gè)片區(qū)的圖中進(jìn)行提取，做為模型的底圖資料，如下圖2 所示：

圖2 工作底圖（DWG 格式）

4.2 處理紋理格式

在進(jìn)行照片的處理過程中通常使用Photoshop 來處理照片，對圖片紋理進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)該選取有用的紋理圖片，如下圖3 所示：

圖3 某城市中心廣場花壇側(cè)面以及正面

4.3 三維模型的制作

圖4 綜合樓的三維模型

4.4 虛擬環(huán)境的建模

材質(zhì)以及貼圖的添加與設(shè)置，直接性的決定了模型的真實(shí)感以及立體效果，在顯示生活中，體現(xiàn)一個(gè)物體的特點(diǎn)以及本質(zhì)的就是建筑的材質(zhì)，因此，在這一方面給予3D MAX 技術(shù)就能夠很好的提高模型的真實(shí)效果。某城市建筑物在建模的過程中采用3D MAX 技術(shù)對建筑物的材質(zhì)以及燈光進(jìn)行設(shè)置，如下圖5、圖6 所示：

圖5 添加材質(zhì)后的三維模型

圖6 泛光燈照射下的三維模型

5 基于3D MAX 環(huán)境城市建模過程中的關(guān)鍵技術(shù)探討

5.1 DOF(Degr ee of Freedom) 技術(shù)

DOF(Degr ee of Freedom) 技術(shù)也稱之為自由度，該技術(shù)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將這個(gè)插入到數(shù)據(jù)庫中，就能夠?qū)崿F(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。隨后定義一本地坐標(biāo)系，使其控制的幾何體能夠圍繞坐標(biāo)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

5.2 層次結(jié)構(gòu)庫

對于建立的模型庫必須加以調(diào)整，建立一個(gè)有序以及由條例的層次機(jī)構(gòu)庫，能夠快速并且準(zhǔn)確的呈現(xiàn)出在實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)中的模型，同時(shí)也能夠使系統(tǒng)中的資源得到高效利用。

5.3 LOD(Level of Detail) 技術(shù)

LOD(Level of Detail) 技術(shù)也稱之為細(xì)節(jié)層次模型。因?yàn)閷τ谛⌒偷膱鼍澳軌驅(qū)崿F(xiàn)流暢的實(shí)時(shí)漫游，然而，對于大型場景如果還是采取同堂的計(jì)算量，就不能夠很好的實(shí)現(xiàn)其流暢。然而，使用該技術(shù)能夠采用的不同精細(xì)程度的模型表示同一個(gè)物體，從而提高虛擬場景的顯示速度。

6 結(jié)束語

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，3D MAX 技術(shù)在城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模中的應(yīng)用也越來越廣泛，因此，必須正確掌握3D MAX 的操作方法以及使用技術(shù)，創(chuàng)造“親臨其境”的虛擬環(huán)境。該技術(shù)具有比較大的造型能力，并且膠容易掌握，同時(shí)運(yùn)行比較方便，掌握其技術(shù)，具有廣泛的使用價(jià)值。

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