基于3D MAX的虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)與研究

聞燕豪 陳 峰

（山東省煤田地質(zhì)局 物探測(cè)量隊(duì)，山東 泰安 271021）

0 引言

三維模型獲取是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)基本研究問題。然而，利用建模軟件(比如3D MAX和Maya等)手工進(jìn)行三維模型構(gòu)建是一項(xiàng)十分繁瑣和代價(jià)昂貴的工作。因此，研究如何從現(xiàn)實(shí)世界直接和快速地獲取三維模型，成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。目前，現(xiàn)實(shí)物體的三維結(jié)構(gòu)獲取作為一種數(shù)字存儲(chǔ)和記錄技術(shù)，在物體建模、場(chǎng)景建模、真實(shí)感繪制、機(jī)器人導(dǎo)航、目標(biāo)識(shí)別和三維測(cè)量等科學(xué)和工程領(lǐng)域以及考古學(xué)、廣告、娛樂等其他文化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求。

1 研究現(xiàn)狀

客觀世界在空間上是三維的，而現(xiàn)有的圖像采集裝置所獲取的圖像是二維的。盡管圖像中含有某些形式的三維空間信息，但要真正在計(jì)算機(jī)中使用這些信息進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用處理，就必須采用三維重建技術(shù)從二維圖像中合理地提取并表達(dá)這些三維信息。三維重建技術(shù)能夠從二維圖像出發(fā)構(gòu)造具有真實(shí)感的三維圖形，為進(jìn)一步的場(chǎng)景變化和組合運(yùn)算奠定基礎(chǔ)，從而促進(jìn)圖像和三維圖形技術(shù)在航天、造船、司法、考古、工業(yè)測(cè)量、電子商務(wù)等領(lǐng)域的廣泛深入的應(yīng)用。

1.1 三維信息的獲取

三維信息獲取的技術(shù)手段多種多樣，通常，人們獲取物體三維模型的方式有三種:第一種方式利用建模軟件構(gòu)造三維模型；第二種方式通過儀器設(shè)備獲取三維模型；第三種方式利用圖像或者視頻來重建場(chǎng)景的三維模型。

圖像是二維數(shù)據(jù)，但是在關(guān)于某一場(chǎng)景或物體的一幅或者多幅圖像中可以找到許多線索，從中人們能夠推知圖像所記錄的場(chǎng)景或物體的幾何信息。這些線索包括物體邊與邊之間的幾何關(guān)系、兩幅圖像的視差關(guān)系、兩幅圖像中特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及物體輪廓信息等等。這些線索是場(chǎng)景中物體所具有的，稱為“被動(dòng)線索”。有時(shí)候根據(jù)需要還可以創(chuàng)造線索，如在物體表面上用光線打上條紋或者制造出陰影，這樣的人造線索稱為“主動(dòng)線索”。

對(duì)于使用主動(dòng)線索的方法而言，又可以分為以下兩類。第一類利用場(chǎng)景中已知形狀的物體或者某些簡(jiǎn)單幾何元素之間的關(guān)系進(jìn)行建模。第二類使用物體的輪廓信息，物體在圖像上的輪廓是理解物體幾何形狀的一個(gè)重要線索。

對(duì)于以上所述可以用圖1來表示。

圖1

1.2 3D MAX軟件

3D是three-dimensional的縮寫，就是三維圖形。在計(jì)算機(jī)里顯示3D圖形，就是說在平面里顯示三維圖形。不像現(xiàn)實(shí)世界里，真實(shí)的三維空間，有真實(shí)的距離空間。人眼有一個(gè)特性就是近大遠(yuǎn)小，就會(huì)形成立體感。計(jì)算機(jī)屏幕是平面二維的，我們之所以能欣賞到真如實(shí)物般的三維圖像，是因?yàn)轱@示在計(jì)算機(jī)屏幕上時(shí)色彩灰度的不同而使人眼產(chǎn)生視覺上的錯(cuò)覺，而將二維的計(jì)算機(jī)屏幕感知為三維圖像?；谏蕦W(xué)的有關(guān)知識(shí)，三維物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色，而凹下去的部分由于受光線的遮擋而顯暗色。這一認(rèn)識(shí)被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)頁(yè)或其他應(yīng)用中對(duì)按鈕、3d線條的繪制。

2 三維場(chǎng)景的制作

三維場(chǎng)景的制作主要分8個(gè)步驟：

（1）方案分析：按照設(shè)計(jì)草圖確定各部分的尺寸、材料、樣式以及方案的風(fēng)格、色調(diào)，還要準(zhǔn)備一些照片或圖片為參考。方案分析時(shí)還要確定建模的順序和方法、燈光布置的初步方案，并確定哪些需要在3DMAX完成，哪些需要在photoshop中調(diào)整及合成。

（2）創(chuàng)建框架：這一步是為確定視角做準(zhǔn)備，模型應(yīng)該盡量精簡(jiǎn)，但各部分的距離和比例關(guān)系應(yīng)該準(zhǔn)確。

用頻移特性求調(diào)幅信號(hào)f(t)cosω0t和f(t)sinω0t的頻譜。寫出信號(hào)的表達(dá)式f(t)=u(t+1/4)-u(t-1/4)，ω∈[-8π，8π]

（3）建立攝像機(jī)：首先要確定攝像機(jī)的視角，視角應(yīng)突出空間的特點(diǎn)，位置和方向應(yīng)盡量開闊。

（4）精確建模：建模應(yīng)在攝像機(jī)的視野范圍內(nèi)做，看不到的部分不用建模。模型的復(fù)雜程度應(yīng)在滿足效果的情況下，越簡(jiǎn)單越好，模型過于復(fù)雜，在展示效果圖中看不出差別，白白增加了建模和修改的時(shí)間以及電腦渲染的時(shí)間。

（5）編輯材質(zhì)和貼圖：在3DMAX中材質(zhì)與貼圖的建立和編輯都是通過材質(zhì)編輯器來完成的。并且通過最后的渲染把它們表現(xiàn)出來，使物體表面顯示出不同的質(zhì)地，色彩和紋理，材質(zhì)在三維模型創(chuàng)建過程中是至關(guān)重要的一環(huán)。

（6）設(shè)置燈光：打燈光時(shí)應(yīng)盡量參考類似空間的照片或圖片的燈光效果，而不要憑空想象。用3DSMAX里的燈光模擬出真實(shí)光線的效果，并要考慮畫面的藝術(shù)效果。

（7）渲染輸出：確定渲染輸入的尺寸大小，該大小將決定圖像的用途以及清晰程度。

（8）后期處理：渲染合成展示效果圖并在photoshop中修改亮度、對(duì)比度以及細(xì)膩的光影變化，還要加上人物、植物、小飾品等配景。這些部分在photoshop中做既省事又出效果。增加配景時(shí)又要注意，樣式、顏色和風(fēng)格應(yīng)與整個(gè)空間協(xié)調(diào)統(tǒng)一，還要考慮畫面的構(gòu)圖。

三維場(chǎng)景的制作步驟如圖2所示。

圖2

3 案例分析

本次建模樣本位于山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)(山東中煤物探測(cè)量總公司），地址:山東省泰安市泰山大街西段，此次我要做的內(nèi)容是辦公大樓的三維立體建模。

3.1 基本框架的建立

首先修改系統(tǒng)單位，以方便數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，將辦公大樓的CAD底圖導(dǎo)入3DMAX中，根據(jù)平面圖的二維樣條線生成三維模型，用擠出或切片的方法先建立出辦公樓的基本框架?；究蚣苋鐖D3所示：

圖3

3.2 材質(zhì)編輯

在辦公樓的粗模建立起來以后，要用之前對(duì)模型各個(gè)角度拍攝之后的照片，對(duì)這些照片用photoshop進(jìn)行分析處理編輯，切出關(guān)鍵部位，對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)的粘貼，需要注意的是這些圖片的大小必須都為2的冪次方，部分所需貼圖如圖4所示。

粘貼材質(zhì)之后的效果渲染圖如圖5所示。

3.3 燈光的設(shè)定

在燈光布置階段，只需按照實(shí)際燈光的位置和類型進(jìn)行布置即可，架設(shè)上燈光之后的四個(gè)視圖如圖6所示：

圖4

圖5

圖6

3.4 后期處理

用Light scape進(jìn)行渲染，首先是燈光的定義，包括日光的窗口定義和日光的強(qiáng)度等，然后調(diào)整各個(gè)材質(zhì)的參數(shù)，準(zhǔn)確定義物體的物理屬性，再進(jìn)行光能分析計(jì)算，再進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的仔細(xì)調(diào)整，最后渲染輸出，調(diào)整圖像的亮度、顏色、飽和度、對(duì)比度，修補(bǔ)渲染中留下的缺陷，加入室外的配景，最后完成作品，經(jīng)過渲染調(diào)色之后的圖片如圖7所示。

圖7

［1］趙一鳴，吳署曼，潘志庚.網(wǎng)上3D虛擬商場(chǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003.

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