環(huán)境虛擬化及路徑漫游的實(shí)現(xiàn)

唐雪梅 王佳佳 何小龍

摘 要：本文以我校一實(shí)驗(yàn)中心為現(xiàn)實(shí)模型，應(yīng)用三維場景建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路徑漫游。介紹了制作的思路和實(shí)現(xiàn)過程，給出了部分圖片。通過實(shí)踐，總結(jié)出了針對初學(xué)者三維建模時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)、常見問題及原因。3DSMAX2010、V-Ray Adv 2.10.01、AE、PS作為本項(xiàng)目所涉及軟件，3DSMAX-建模、VR-渲染、PS-圖片處理、AE-合成漫游動畫。目的是探討三維場景建模技術(shù)，激發(fā)濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：環(huán)境虛擬化；路徑漫游；渲染；紋理

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，環(huán)境虛擬化與漫游控制受到越來越多的重視，技術(shù)日新月異、發(fā)展迅猛。其中虛擬化的應(yīng)用非常廣泛，如文物古跡、工業(yè)仿真、室內(nèi)設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、軍事模擬、3D游戲等方面。然而這些效果的實(shí)現(xiàn)都得借助于一些三維軟件。本文選擇的三維軟件是3DSMAX。因?yàn)?DSMAX在建模渲染中比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，如pro/E、UG、Solidworks具有操作簡單，入門快、輸出效果更真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)[1]。應(yīng)用3DSMAX材質(zhì)與貼圖技術(shù)能夠讓建模物體具備顏色、質(zhì)感等逼真視覺效果，讓模型呈現(xiàn)出真實(shí)、多彩的魅力[2]。

1 場景建模

實(shí)驗(yàn)中心包括大小共18個(gè)室內(nèi)場景和一個(gè)室外場景（走廊）如圖1所示。具體步驟和實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。建模第一階段：把每個(gè)場景的框架建立好，再按實(shí)際排列好如圖3；第二階段：細(xì)化每個(gè)場景內(nèi)部組成如圖4（4號實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部情況）。

圖1 實(shí)驗(yàn)中心分布圖

圖2整個(gè)場景實(shí)現(xiàn)流程圖

第一階段制作三維墻體模型：頂視圖創(chuàng)建一個(gè)矩形，拉伸3000mm轉(zhuǎn)換成可編輯多變形刪除底面，利用殼Shell修改器命令設(shè)置厚度為220mm，同樣畫兩個(gè)矩形充當(dāng)門和窗戶，轉(zhuǎn)換可編輯樣條線，附加到一起，選中墻體點(diǎn)擊布爾運(yùn)算（Subtraction）切出門和窗。用同樣的方法依次把每個(gè)場景的墻體模型都建立出來。

圖3 實(shí)驗(yàn)中心墻體線框圖

圖4 實(shí)驗(yàn)室4室內(nèi)場景圖

2 場景渲染

因研究的主體是現(xiàn)實(shí)世界中存在的。我們需要獲得與真實(shí)場景中相同的材質(zhì)肌理才能保證模型和現(xiàn)實(shí)相吻合。下面從采集數(shù)據(jù)、紋理貼圖、渲染材質(zhì)三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)逼真效果。

2.1 數(shù)據(jù)采集

紋理數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)中心建筑群里材質(zhì)主要包含有4種典型材質(zhì)分別是金屬紋理材質(zhì)（椅腳、書柜門手、金屬門、多媒體講臺、儲物柜、護(hù)欄等）、木質(zhì)紋理材質(zhì)（書桌、書柜、辦公桌等）、大理石紋理材質(zhì)（走廊地磚、教室地磚、廁所地磚、墻磚等）、玻璃紋理材質(zhì)（玻璃窗、鏡子、燈管、儲物鏡等）；其他數(shù)據(jù)：教室里的名言警句、文字標(biāo)語、掛畫等數(shù)據(jù)。

2.2 紋理映射

紋理貼圖是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)并且操作簡便，僅需把采集好的材質(zhì)映在模型表面，適當(dāng)使用UVW貼圖命令輕微調(diào)節(jié)即可表現(xiàn)豐富的紋理細(xì)節(jié)。如圖5所示在沒有添加燈光的情況下只給其中的會議桌、椅子、空調(diào)模型賦予一層各自匹配的材質(zhì)，紋理就表現(xiàn)出來了，如果加上燈光把反射屬性凸顯出來真實(shí)感就出來了。

圖5 會議室1材質(zhì)貼圖

2.3 渲染材質(zhì)

本文涉及到的渲染材質(zhì)主要有如下兩種。多維子對象材質(zhì)渲染：把模型中賦予不同貼圖的曲面設(shè)置好各自的ID號，然后選擇多維子對象材質(zhì)渲染，先選擇面號再賦材質(zhì)，如選擇ID號1就可給1號曲面貼材質(zhì)。如筆記本電腦就會用到此材質(zhì)渲染。V-Ray材質(zhì)渲染效果如下：

根據(jù)電腦運(yùn)行速度快慢，設(shè)置的圖像分辨率可大可小，圖4分辨率為1200×900個(gè)像素點(diǎn)。渲染前整個(gè)場景就是一個(gè)白模如圖3所示，沒有任何燈光和質(zhì)感。渲染后有著豐富的肌理，場景頓時(shí)豁然開朗的感覺。

3 建模注意事項(xiàng)

3.1 建大場景時(shí)，不要在配置低的電腦上操作，避免軟件自動退出、文件丟失、文件無法打開等情況。

3.2 遇到模型建到最后發(fā)現(xiàn)不是想要的效果，ctrl+z可以返回，但3DSMAX回去的次數(shù)是有限制的，切勿一直按ctrl+z否則軟件會報(bào)錯，自動彈出，導(dǎo)致模型未能保存，只能重新建立。因此在每次比較關(guān)鍵的一步時(shí)把此刻的模型復(fù)制一次隱藏起來，如果出錯了，可以把復(fù)制的模型顯示出來，在此基礎(chǔ)上作修改--省時(shí)、保險(xiǎn)。

3.3 一個(gè)視圖里的模型越多，點(diǎn)數(shù)和面數(shù)就越多，到后面階段電腦運(yùn)行會比較慢。針對這種情況，習(xí)慣性地把需要調(diào)整的模型孤立出來，單獨(dú)對它進(jìn)行操作。也可以采取隱藏不需要的模型來提升電腦當(dāng)前的運(yùn)行速度。

3.4 超級布爾命令不適宜多次使用，否則模型會出現(xiàn)很多問題，比如布爾對象消失、破面等現(xiàn)象。

3.5 采集圖像時(shí)大部分是普通相機(jī)拍攝的，拍攝時(shí)要求盡量保持相機(jī)的水平，避免相機(jī)鏡頭在上下方向上偏轉(zhuǎn)過大，尤其仰視拍照時(shí)圖形變形較大，不過一般拍攝的圖片都會在PS中進(jìn)行處理。

3.6 在3DSMAX中圖案投影又叫圖形合并。圖案投影在實(shí)體上，應(yīng)滿足的條件圖案應(yīng)是樣條線，而多邊形是不能進(jìn)行此命令的。

3.7 模型中已進(jìn)行貼圖的MAX源文件路徑設(shè)置好后就不能夠進(jìn)行移動修改，否則系統(tǒng)無法找到某些貼圖，提示丟失貼圖。

4 路徑約束控制器動畫制作

路徑約束動畫是通過攝像機(jī)和路徑來控制整個(gè)動畫的運(yùn)轉(zhuǎn)的。首先把幀標(biāo)記打開，默認(rèn)是100幀，根據(jù)實(shí)際情況可以增加、減少幀數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)自由相機(jī)，添加任一條曲線作為路徑，F(xiàn)ollow勾選。采用渲染圖片序列，最后導(dǎo)進(jìn)AE中合成動畫視頻即路徑漫游的實(shí)現(xiàn)。路徑約束控制器動畫是非常簡單的一種三維動畫制作方法，觀察方便、可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并糾正。圖8中路徑是一條沿著走廊的曲線，高度大約在1200-1500mm左右。圖9中路徑是在辦公室內(nèi)畫的一個(gè)封閉的圈，環(huán)繞四周觀看。

5 初學(xué)者可能遇到的常見問題

如表1所示：

6結(jié)束語

環(huán)境虛擬化越來越來多的被采納，虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的模型是實(shí)際中的物體再現(xiàn)，建立造型模型是構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)場景的基礎(chǔ)，模型構(gòu)造的質(zhì)量直接影響到虛擬場景的真實(shí)感和沉浸感，一次需要根據(jù)對象的特點(diǎn)選取不同的建模方法[3]。隨著建模場景內(nèi)容越來越多，軟件運(yùn)行變慢、渲染難度增加，這也是需面臨解決的問題，還值得進(jìn)一步深究。

參考文獻(xiàn)

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[8]Mark Christiansen， Adobe After Effects CS4 Visual Effects andCompositing Studio Techniques，2009-01.

作者簡介：唐雪梅（1991-），女，四川省遂寧市人，西南科技大學(xué)在讀本科生，從事工業(yè)造型與虛擬三維設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)研究。