虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑展示中的應(yīng)用

沈爍

摘要：如今人們可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬、創(chuàng)建一個(gè)仿真的虛擬場(chǎng)景，從而將現(xiàn)實(shí)世界中的物體全方位的呈現(xiàn)在人們面前，這種技術(shù)可以在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮它巨大的作用。然而創(chuàng)建一個(gè)類似于現(xiàn)實(shí)的虛擬環(huán)境仍然是一項(xiàng)不輕松的挑戰(zhàn)，虛擬校園系統(tǒng)代表著其中的一個(gè)挑戰(zhàn)。通過(guò)虛擬校園，人們可以非常直觀的觀察到校園內(nèi)部的景觀和設(shè)施，從而使用戶能夠更容易熟悉整個(gè)校園的概況。在本文中，我們僅通過(guò)3D max建模軟件對(duì)校園圖書(shū)館進(jìn)行三維建模，并且增加部分漫游動(dòng)畫(huà)來(lái)全方位展示。動(dòng)畫(huà)制作主要包括教學(xué)樓的建模，材質(zhì)、燈光、動(dòng)畫(huà)路徑的制作、攝影機(jī)的使用。最后動(dòng)畫(huà)渲染輸出。并且通過(guò)視頻編輯軟件premiere cs6對(duì)動(dòng)畫(huà)進(jìn)行后期合成處理。

關(guān)鍵詞：虛擬校園；3D建模；3Ds max

1前言

隨著2014年底迪士尼與漫威聯(lián)合出品的《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》影片（參見(jiàn)圖1）在全球的火爆熱映，三維動(dòng)畫(huà)制作再一次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的二維動(dòng)畫(huà)，三維動(dòng)畫(huà)制作起來(lái)更加系統(tǒng)化和便捷化，而且具有更真實(shí)的表現(xiàn)性。

三維動(dòng)畫(huà)的制作，通俗來(lái)講就是首先依據(jù)現(xiàn)實(shí)中存在的物體或者憑空想象在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建出一個(gè)逼真的虛擬世界，然后在這個(gè)虛擬世界中設(shè)置一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)則即可。在現(xiàn)實(shí)中許多事物的運(yùn)動(dòng)和變化往往不可逆轉(zhuǎn)，然而在計(jì)算機(jī)的虛擬世界中，許多軟件卻可以非常輕松的解決這個(gè)問(wèn)題。所以。三維動(dòng)畫(huà)在制作過(guò)程中具有非常好的容錯(cuò)性和重塑性。制作三維動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)是創(chuàng)建合適的三維模型和場(chǎng)景。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，如今人們可以利用三維建模軟件完美的創(chuàng)建出幾乎所有現(xiàn)實(shí)中存在或者人們想象中的物體，這使得它的應(yīng)用幾乎無(wú)處不在。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多所大學(xué)利用這項(xiàng)技術(shù)制作了相對(duì)成熟的虛擬校園系統(tǒng)，虛擬校園系統(tǒng)的出現(xiàn)使得用戶可以足不出戶的了解到校園內(nèi)的一切景觀和構(gòu)造。這項(xiàng)高新技術(shù)整逐漸走進(jìn)國(guó)內(nèi)的每一所院校。

本文主要利用3D max三維建模工具對(duì)武漢輕工大學(xué)金銀湖校區(qū)的圖書(shū)館進(jìn)行建模及渲染動(dòng)畫(huà)展示。為了保證相關(guān)設(shè)計(jì)的可行性，首先會(huì)在3D max軟件中對(duì)圖書(shū)館進(jìn)行精細(xì)建模。其次使用V-ray渲染工具對(duì)模型上色及賦予材質(zhì)貼圖，最后使用Premiere和After Effects對(duì)渲染出的動(dòng)畫(huà)片段進(jìn)行拼接和美化。

3D max擁有強(qiáng)大的三維建模功能，在收集完成圖書(shū)館的建筑資料及館藏布局后，可以在軟件中創(chuàng)建出可以任意角度觀察的三維模型。為保證場(chǎng)景整體的美觀度。可以在完成建模后添加相關(guān)背景和標(biāo)志性的貼圖。

V-ray可以在已經(jīng)完成的三維模型上面增加類似于現(xiàn)實(shí)世界的材質(zhì)和貼圖。在對(duì)模型的精美處理中比3D max自帶渲染器要更加簡(jiǎn)便和美觀。由于3D max渲染出的動(dòng)畫(huà)片段在銜接和展示上存在非常繁冗的問(wèn)題，使用Premiere和After Effects可以完美的解決這些問(wèn)題。

2三維漫游動(dòng)畫(huà)簡(jiǎn)介

2.1三維建模簡(jiǎn)介

創(chuàng)建三維模型是建立虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和制作三維動(dòng)畫(huà)的基本前提。為了創(chuàng)建一個(gè)能使用戶感到身臨其的虛擬環(huán)境。我們需要建立一個(gè)高仿真的模型并附加上合適的場(chǎng)景。但是，一旦模型和場(chǎng)景過(guò)于精細(xì)，將導(dǎo)致需要處理的數(shù)據(jù)量極其冗余，這將會(huì)使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)非常難以得到正常使用。在虛擬場(chǎng)景中的建模，應(yīng)該在保證模型的精美真實(shí)的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量的計(jì)算，以此保證虛擬場(chǎng)景能夠獲得完美的運(yùn)行效果和效率。

本文選用3Ds max建模工具。3Ds max是歐特克公司研發(fā)的一款基于Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)三維圖形軟件，它在三維制作領(lǐng)域被視為一種普及型的軟件。3Ds max憑借其高性價(jià)比、低配置要求、可堆疊的建模步驟等突出優(yōu)勢(shì)在數(shù)碼影視和電腦游戲行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，諸如：《碟中諜》、《帝國(guó)時(shí)代》、《古墓麗影》等許多深受用戶喜愛(ài)的電腦游戲都得到過(guò)它的強(qiáng)力支持。

在3D max工具中，有許多不同的建模方法，本文中用到的幾種有：面片建模、多邊形建模、復(fù)合建模、堆砌建模。

2.1.1面片建模

面片建模是先用樣條線勾勒出物體的形狀或者輪廓，然后使用曲面修改器編輯從而構(gòu)建模型。這種建模方式常使用于建筑墻體和非線性規(guī)則物體的制作。例如在構(gòu)建建筑的墻壁時(shí)，可以先使用樣條線勾畫(huà)出建筑墻面的平面輪廓圖，設(shè)置合適的樣條線厚度，然后使用“擠出”工具即可。

片面建模應(yīng)用非常廣泛，在針對(duì)有一些不規(guī)則的曲面的物體進(jìn)行建模有非常編輯的應(yīng)用。不同于多邊形編輯器，面片修改器中將對(duì)象的組成點(diǎn)轉(zhuǎn)換為Bezier角點(diǎn)，以曲線的調(diào)節(jié)方法來(lái)調(diào)節(jié)曲面。片面細(xì)分建模在人物等有機(jī)物體建模時(shí)有著非常廣泛的用途。

2.1.2多邊形建模

多邊形建模是三維建模最常用的方法之一，使用這種方法創(chuàng)建出的模型全由直線組成，常使用于線性構(gòu)造的建模。首先將一個(gè)已存在的基本模型添加可編輯多邊形修改器，然后再對(duì)該模型的最基本子對(duì)象進(jìn)行編輯。已經(jīng)添加了多編輯多邊形修改器的模型存在五個(gè)子對(duì)象：頂點(diǎn)（Vertex），邊（Edge），邊界（Border），面（Polygon），元素（Element）。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里，任何物體都可以看做由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)相連組成，于是改變這些點(diǎn)的狀態(tài)，就可以做到任何你想要的建模效果。所以，多變形建?？梢酝昝赖慕鉀Q線性建模的任何需要。使用多邊形建模常需要在前、左、上三視圖中互相調(diào)節(jié)，在制作線性模型時(shí)，常常優(yōu)于其它的建模方法。

2.1.3復(fù)合建模

復(fù)合建模常用在不規(guī)則模型的細(xì)節(jié)處理上。如：蜿蜒曲折的山路，凹凸不平的平面。常用的符合建模工具有：變形、散布、水滴網(wǎng)絡(luò)、布爾、放樣、超級(jí)布爾（Proboolean）等。其中布爾運(yùn)算常用在建筑窗戶孔和門孔的創(chuàng)建，它類似于三維模型之間的一種加減法則。先構(gòu)建一個(gè)整體對(duì)象，然后再用這個(gè)整體對(duì)象減去不想要的部分，即可得到合適的模型。復(fù)合對(duì)象中的放樣工具也是一種非常常見(jiàn)的建模方式，放樣工具通常是將一個(gè)二維圖形作為截面，沿著既定的路徑復(fù)制延伸，從而得到三維圖形。

2.1.4堆砌建模

堆砌建模更像是一種對(duì)模型進(jìn)行后期處理的方法。配合縮放和移動(dòng)工具，它可以將各個(gè)不同對(duì)象完美的拼接為一體。

堆砌建模就如同建筑業(yè)上做房子一樣，將個(gè)體一磚一瓦的拼接成一個(gè)整體。它是建筑建模上必不可少的一種方法，即先完成各棟樓層的概況，然后合適的拼接在一起，從而完成一個(gè)整體。例如，在制作常見(jiàn)商品房模型時(shí)，都是首先將主樓體、樓梯、樓頂、陽(yáng)臺(tái)等組成部分先完成，然后選擇合適的位置拼接成一個(gè)單元樓即可。

2.2材質(zhì)和貼圖簡(jiǎn)介

在常用的三維建模軟件中，由于初始建模的對(duì)象一般使用的都是純色材質(zhì)，基本無(wú)法達(dá)到人們所需的模型的視覺(jué)效果，所以一般在完成模型的基本建模之后非常有必要對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)加工——賦予材質(zhì)和貼圖。材質(zhì)更像是一種使模型更加逼真的美化工具。由于人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中觀察物體常常受到燈光反射、折射等各方面因素的影響，所以為了使三維模型能顯示的更加逼真，需要不斷的精細(xì)調(diào)節(jié)模型的材質(zhì)。材質(zhì)受到高光顏色、光澤度、折射、和透明度等諸多因素影響，在調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)盡可能的使其更接近現(xiàn)實(shí)。

貼圖可以理解為一種特殊的材質(zhì)。用戶可以使用現(xiàn)實(shí)中拍攝到的圖片附在合適的模型位置上，從而獲得完全仿真的視覺(jué)效果。

2.3三維動(dòng)畫(huà)制作簡(jiǎn)介

在3D max中，在合適的時(shí)間軸上對(duì)已完成建模和賦予材質(zhì)的三維對(duì)象添加一定的軌跡和變化，即可自動(dòng)生成動(dòng)畫(huà)。3D max所采用的是關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)技術(shù)，所謂關(guān)鍵幀是指在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上設(shè)置關(guān)鍵幀，然后軟件會(huì)對(duì)比對(duì)象在這兩個(gè)關(guān)鍵幀之間的差異從而自動(dòng)生成這兩個(gè)關(guān)鍵幀中間其它幀。具體在3D max中，這種關(guān)鍵幀被描述為所選對(duì)象在該時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)，這種狀態(tài)包含所選對(duì)象的位置，大小，材質(zhì)，形狀等諸多信息。然后，對(duì)比兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)狀態(tài)的差異從而運(yùn)算得到動(dòng)畫(huà)。

由于僅通過(guò)3D max渲染得到的動(dòng)畫(huà)存在許多不足之處，比如：模型內(nèi)部和外部的展示動(dòng)畫(huà)無(wú)法做到無(wú)縫鏈接等。所以一般情況下，都是先使用3D max渲染出各個(gè)需要展示的動(dòng)畫(huà)片段。然后使用Premiere專業(yè)視頻剪輯軟件進(jìn)行拼接和美化。Premiere可以在各個(gè)動(dòng)畫(huà)片段中增加各種轉(zhuǎn)換特效，這樣可以使得展示動(dòng)畫(huà)更加人性化和美觀。再則，Premiere還可以在已經(jīng)完成的動(dòng)畫(huà)片段上增加合適的背景音樂(lè)，這也會(huì)使得動(dòng)畫(huà)得到更好的觀賞和宣傳效果。

3實(shí)例展示

通過(guò)靈活運(yùn)用3D max工具中的各種建模工具，我們可以很輕松的完成筆者學(xué)校圖書(shū)館的三維大體模型。然后調(diào)節(jié)逼真的材質(zhì)，賦予合適的貼圖，即可使模型在表現(xiàn)上更加真實(shí)。

對(duì)于學(xué)校圖書(shū)館這種復(fù)合型的高層建筑，有計(jì)劃的分部建模是非常有必要的，之前嘗試過(guò)對(duì)漫無(wú)章法的整體建模，后來(lái)發(fā)現(xiàn)一些室內(nèi)或者內(nèi)嵌的對(duì)象根本無(wú)法正常建模，并且這種方法也不適合后期的檢查和精修工作。制定了詳細(xì)的分部計(jì)劃之后，設(shè)計(jì)完成的整體也比較順利。類似于一個(gè)部分、一個(gè)部分的拼接上去的，任何一個(gè)部分有了顯示BUG或者比例失調(diào)，都可以及時(shí)進(jìn)行修改和重做。這使得圖書(shū)館整體建模一氣呵成，干凈利落。當(dāng)然，由于專業(yè)知識(shí)及設(shè)計(jì)時(shí)間有限，在許多本應(yīng)該做的更好的部分仍然存在許多我當(dāng)前無(wú)法解決的問(wèn)題。這些專業(yè)知識(shí)的缺失在以后的學(xué)習(xí)工作中需要逐步去填補(bǔ)，從而使得最終產(chǎn)品更加精美、真實(shí)。

在完成模型的創(chuàng)建之后，可以設(shè)置合適的背景和地面，然后使用攝像機(jī)配置軌跡進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作。攝像機(jī)分為兩種，自由攝像機(jī)和目標(biāo)攝像機(jī)。相比于目標(biāo)攝像機(jī)，自由攝像機(jī)具有更多樣化的拍攝手法，且調(diào)節(jié)起來(lái)更為便利。在頂視圖中畫(huà)出攝像機(jī)的運(yùn)行軌跡。然后再創(chuàng)建攝像機(jī)。使用“動(dòng)畫(huà)”下拉欄里的“路徑約束”工具，將攝像機(jī)約束在運(yùn)行軌跡上，在“運(yùn)動(dòng)層級(jí)”設(shè)置攝像機(jī)狀態(tài)為“跟隨”，然后合適調(diào)整攝像機(jī)的鏡頭光圈和拍攝角度，使整個(gè)模型能籠罩在攝像機(jī)的視角內(nèi)。使用了路徑約束的攝像機(jī)，就默認(rèn)在場(chǎng)景中添加了攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)視角的關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)，可以使用快捷鍵“C”切換攝像機(jī)視角看到。為了使環(huán)境更加和諧?？梢栽趫D書(shū)館模型外面設(shè)置一個(gè)籠罩著的圓柱體，然后使用“法線編輯”修改器將其法線翻轉(zhuǎn)，再賦予淡藍(lán)色漸變貼圖，這樣可以在攝像機(jī)視角中營(yíng)造出類似于藍(lán)天的效果。

出于使效果圖更加具有表現(xiàn)性的目的，對(duì)一些極其精細(xì)的地方并沒(méi)有精細(xì)建模（比如圖書(shū)館內(nèi)部樓梯），而對(duì)于一些標(biāo)志性的建筑，使用了更為夸張的材質(zhì)和貼圖（比如圖書(shū)館窗戶和空中走廊）。這樣的做法在一定程度上節(jié)省了3D max軟件的內(nèi)存占用量和緩解了電腦顯卡的壓力。筆者個(gè)人感覺(jué)。三維建模中。并不是所有的對(duì)象都是細(xì)節(jié)表現(xiàn)越多越好，延伸到3D max中即并不是組成對(duì)象的點(diǎn)或者線段越多，對(duì)象就越具有表現(xiàn)力，三維建模既是對(duì)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用，也是對(duì)精簡(jiǎn)工作能力的一種考驗(yàn)。

在完成了幾個(gè)片段的動(dòng)畫(huà)輸出之后，為了使整個(gè)動(dòng)畫(huà)視頻看起來(lái)更加完整和協(xié)調(diào)?？梢允褂肞remiere軟件進(jìn)行后期處理。本次使用Premiere主要是為了拼接視頻、轉(zhuǎn)換特效和添加背景音樂(lè)。在完成之后類似于3D max，Premiere也需要渲染輸出最終成品，選用默認(rèn)設(shè)置和.mp4格式就可以完成本次設(shè)計(jì)的全部制作。