虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景的建模方法研究

熊　明，盧　潔湘潭大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，湖南湘潭　411105

虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景的建模方法研究

熊明，盧潔
湘潭大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，湖南湘潭411105

摘要虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)模型的制作一直動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景制作的難題。在動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景中，高精度的模型往往多邊形數(shù)量繁多，導(dǎo)致渲染速度過(guò)慢，而多邊形數(shù)太少往往會(huì)降低動(dòng)畫(huà)畫(huà)面的質(zhì)量。文章通過(guò)研究了三維軟件建模的特點(diǎn)及難點(diǎn)，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)建模的方法和注意事項(xiàng)，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中貼圖的三種方法：通過(guò)三維軟件的烘培工具優(yōu)化貼圖，通過(guò)三維軟件的投影工具優(yōu)化模型，使用Alpha信道對(duì)模型進(jìn)行 優(yōu)化，給出了虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景中建模的方案。關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；模型；貼圖

0　引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為建筑、產(chǎn)品展示的重要方式，它以自由空間的方式呈現(xiàn)給觀眾，比傳統(tǒng)平面的方式更為直觀，展示的內(nèi)容也更為豐富。這里的展示絕對(duì)不是在三維軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中簡(jiǎn)單地對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行拼接，它借助于虛擬現(xiàn)實(shí)這一手段，根據(jù)觀眾的意愿和產(chǎn)品自身的特點(diǎn)將模型組合加以優(yōu)化，進(jìn)一步加深觀眾對(duì)產(chǎn)品的理解。合理地設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模型，并對(duì)場(chǎng)景中產(chǎn)品的貼圖進(jìn)行藝術(shù)加工以營(yíng)造精美的畫(huà)面空間是展示能否取得成功的先決條件。

三維模型的建模方法已經(jīng)很成熟，但絕大多數(shù)的建模方法都基于三維動(dòng)畫(huà)的需求。在三維動(dòng)畫(huà)中，為了實(shí)現(xiàn)高精度的畫(huà)面，往往使用高面數(shù)的圖形，這種模型被賦予材質(zhì)、貼圖后，往往需要大量的時(shí)間進(jìn)行渲染輸出成視頻。而在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，模型是需要實(shí)時(shí)顯示的，即顯卡處理圖形的速度必須跟上視點(diǎn)的改變速度。在較大的場(chǎng)景中，如果模型面數(shù)過(guò)多，材質(zhì)、貼圖過(guò)于復(fù)雜，計(jì)算機(jī)處理圖像能力往往跟不上視點(diǎn)的移動(dòng)，從而導(dǎo)致圖形顯示的遲滯現(xiàn)象。因此，對(duì)模型的優(yōu)化，即降低場(chǎng)景的復(fù)雜度也就成為虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)的必然需求。

1　虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中模型的創(chuàng)建

虛擬現(xiàn)實(shí)是實(shí)時(shí)的展示過(guò)程，想加深客戶對(duì)產(chǎn)品的理解，需要使其實(shí)時(shí)而流暢地觀察場(chǎng)景或產(chǎn)品的模型信息。場(chǎng)景模型多邊形的數(shù)量是影響虛擬現(xiàn)實(shí)畫(huà)面顯示速度的重要因素，在場(chǎng)景制作的過(guò)程中應(yīng)著重減少模型多邊形數(shù)量。模型的創(chuàng)建軟件較多，現(xiàn)在比較流行的有3ds max、maya、犀牛等三維工具。以國(guó)內(nèi)使用較多的3ds max軟件為例，它具有豐富的建模修改器和完善的材質(zhì)、燈光、渲染系統(tǒng)，使用相對(duì)比較簡(jiǎn)單。3ds max支持DWG、FBX、DFX、OBJ等常用的三維模型格式，通過(guò)豐富的材質(zhì)系統(tǒng)和完善的渲染引擎可以制作精美的各類(lèi)模型。它主要包括網(wǎng)格建模、多邊形建模、面片建模和曲線曲面建模四種方式。通過(guò)軟件的各類(lèi)工具，可以靈活處理各類(lèi)場(chǎng)景模型。

在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模的過(guò)程中，主要注意以下三個(gè)問(wèn)題。

1.1 確定合理的場(chǎng)景比例和單位

在三維軟件中，建模首先要考慮的就是根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的大小按比例創(chuàng)建模型。制作人員首先根據(jù)CAD的原始素材進(jìn)行分工，確定各自負(fù)責(zé)的區(qū)域，將CAD圖紙導(dǎo)入到3ds max軟件的坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行繪制，并確定好統(tǒng)一的繪制單位。只有正確尺寸比例的場(chǎng)景，才能更好地在軟件中進(jìn)行光照計(jì)算以加深觀眾對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。

1.2 合理控制場(chǎng)景多邊形的數(shù)量

在制作場(chǎng)景時(shí)嚴(yán)格控制相鄰物體面與面之間的多邊形數(shù)量，對(duì)于被遮擋的多邊形進(jìn)行刪除，多余的面不影響虛擬現(xiàn)實(shí)的畫(huà)面質(zhì)量，但是模型越復(fù)雜，消耗的系統(tǒng)資源越多，圖形處理的速度也就越慢。一般來(lái)說(shuō)，只創(chuàng)建受光線影響的多邊形，視圖中看不到且對(duì)別的物體不造成折射、反射影響的物體可以忽略不計(jì)。我們也可以根據(jù)鏡頭對(duì)模型進(jìn)行精簡(jiǎn)，刪除攝像機(jī)不可見(jiàn)的多邊形，在控制模型面數(shù)的同時(shí)又可以充分利用貼圖資源，以達(dá)到提高顯示速度的目的。

1.3 嚴(yán)格控制模型之間的距離

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中為避免破面、閃爍、漏光等現(xiàn)象，應(yīng)嚴(yán)格保持模型之間的距離，模型之間必須控制疊面、共面、漏面和反面的現(xiàn)象。這里主要是為了防止貼圖顯示時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致在瀏覽場(chǎng)景是出現(xiàn)破面、閃爍、漏光的問(wèn)題。一般可以使面與面之間距離控制在場(chǎng)景最大尺度的兩千分之一單位。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中貼圖的優(yōu)化

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景具有浸沒(méi)感的特征，通過(guò)合理地設(shè)置模型和材質(zhì)，使用戶在軟件的模擬環(huán)境中難辨真假，如同游走在現(xiàn)實(shí)世界中。貼圖的大小影響顯卡對(duì)圖像的讀取速度，而這種讀取速度恰恰是影響用戶進(jìn)行虛擬體驗(yàn)的重要因素?，F(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)中，模型的處理主要通過(guò)三維軟件的烘培工具優(yōu)化貼圖、通過(guò)三維軟件的投影工具優(yōu)化模型、使用Alpha信道對(duì)模型進(jìn)行貼圖處理這三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 通過(guò)三維軟件的烘培工具優(yōu)化貼圖

烘培學(xué)名又叫“渲染到紋理”，行業(yè)內(nèi)部俗稱(chēng)“烘培”。使用貼圖烘培技術(shù)能夠依據(jù)對(duì)象在渲染場(chǎng)景中的外觀創(chuàng)建紋理貼圖，這種紋理貼圖包含了場(chǎng)景內(nèi)部的燈光、折射、反射等材質(zhì)信息。通過(guò)將具有材質(zhì)信息的貼圖烘培回對(duì)象之上，使模型本身在沒(méi)有燈光、環(huán)境的情況下也具相關(guān)的質(zhì)感，也就是說(shuō)通過(guò)貼圖使得當(dāng)前的外觀情況成為了對(duì)象的一部分。這種技術(shù)在游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景中尤為重要，在3ds max、maya等主流三維軟件中都可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)貼圖的烘培，使得模型不需要計(jì)算場(chǎng)景的燈光信息和其他物體對(duì)其折射、反射的影響也能顯示真實(shí)效果，貼圖占用較少的內(nèi)存空間，提高計(jì)算機(jī)對(duì)虛擬場(chǎng)景的運(yùn)算能力。從而大大降低了顯卡的工作強(qiáng)度，在保證畫(huà)質(zhì)的同時(shí)為虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)顯示提供了可能。

在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，烘培的貼圖尺寸大小一般保存為2n像素單位，同時(shí)，根據(jù)場(chǎng)景中模型的比例對(duì)貼圖像素尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，以最大程度優(yōu)化場(chǎng)景。

在三維軟件中，烘培貼圖的使用需要對(duì)模型進(jìn)行精確的UV貼圖坐標(biāo)設(shè)置，即確定二維貼圖在三維空間的坐標(biāo)點(diǎn)。三維軟件的坐標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)UVW的數(shù)值來(lái)控制，模型的每一個(gè)頂點(diǎn)都有不同的UV信息。只有烘培出來(lái)的貼圖合理地分配到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)上，才能準(zhǔn)確地表現(xiàn)物體的體積關(guān)系和材質(zhì)、燈光信息。對(duì)于某些物體較多，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場(chǎng)景而言，烘焙貼圖的工作比較繁瑣，需要消耗較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)模型進(jìn)行處理，我們可以將模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，把復(fù)雜模型分區(qū)域處理，使得模型的烘焙更方便。如對(duì)于一個(gè)建筑模型而言，我們可以把建筑外部框架結(jié)構(gòu)、玻璃、屋頂?shù)确殖啥鄠€(gè)模型進(jìn)行烘培。

2.2 通過(guò)三維軟件的投影工具優(yōu)化模型

在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作中，雖然通過(guò)烘培使得模型脫離燈光和環(huán)境也能顯示良好的質(zhì)感，但如果被烘培的對(duì)象本身屬于多面數(shù)的模型，顯卡同時(shí)處理的多邊形數(shù)量過(guò)多，同樣會(huì)影響到顯卡顯示圖形的效果。在這種情況中，一般會(huì)使用“投影修改器”將烘培后高模的UV貼圖映射到低模的UV上。“投影修改器”是高模進(jìn)行低模轉(zhuǎn)換的重要工具，它指定了高模物體貼圖到低模物體貼圖的坐標(biāo)。通過(guò)投影修改器，一個(gè)具有上萬(wàn)個(gè)多邊形的復(fù)雜模型將被顯示在一個(gè)十余個(gè)面的簡(jiǎn)單幾何體上，對(duì)圖形處理的加速有了質(zhì)的飛躍。

在復(fù)雜的虛擬場(chǎng)景中，應(yīng)用烘培和投影貼圖的方式對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化是非常重要的步驟。結(jié)合投影貼圖的設(shè)置可以讓烘焙出來(lái)的貼圖更好地覆蓋在低精度模型的表面，在保證畫(huà)面效果的同時(shí)又降低場(chǎng)景模型的面數(shù)，達(dá)到優(yōu)化場(chǎng)景模型的效果，從而加快了虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)的顯示速度。

2.3 使用Alpha通道進(jìn)行建模

為實(shí)現(xiàn)圖形的透明效果，采取在圖形文件的處理與存儲(chǔ)中附加上另一個(gè)8位信息的方法，這個(gè)附加的通道代表圖形中各個(gè)素點(diǎn)透明度的信息就叫做Alpha通道。[1]Alpha通道用黑色表示圖層的透明信息，白色表示圖層的不透明信息，灰色代表圖層的半透明層度。

在設(shè)計(jì)軟件中大量使用到該通道，如平面軟件photoshop，三維軟件3ds max、maya、zbrush等，一般用來(lái)優(yōu)化模型，降低模型的復(fù)雜度。在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作中，這種技術(shù)主要使用在植物、欄桿、人物頭發(fā)等細(xì)節(jié)過(guò)多模型上。在三維軟件中，通過(guò)在材質(zhì)的透明通道中加上黑白灰的通道圖，制作透明效果以去除模型多余部分，同時(shí)在漫反射通道中加上帶有色彩信息的圖片。這樣簡(jiǎn)單的步驟使一個(gè)數(shù)以萬(wàn)記面數(shù)的模型能用一個(gè)簡(jiǎn)單的面片來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大地降低了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型的復(fù)雜程度，提升了交互過(guò)程的顯示速度，如圖所示。

3　結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)作為一種交互的形式，在展示設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用使受眾對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)認(rèn)識(shí)，產(chǎn)品的信息得以更為直觀地表現(xiàn)出來(lái)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，它在展示領(lǐng)域的運(yùn)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，對(duì)模型的要求也會(huì)越來(lái)越高，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的需求也不斷增強(qiáng)。通過(guò)三維軟件建模，并利用烘培工具、投影工具、Alpha通道對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模型和貼圖進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)硬件與虛擬現(xiàn)實(shí)畫(huà)面質(zhì)量的沖突中有了表現(xiàn)的余地，得以在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上最大化的表現(xiàn)出展品的特征。同時(shí)，這種模型的處理方法大大縮短了制作工期。有理由相信，這種模型的優(yōu)化技術(shù)將在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)成為制作虛擬現(xiàn)實(shí)模型的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1]周中云.Alpha通道在多媒體課件作品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2003（2）：71-73

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳優(yōu)秀青年課題（項(xiàng)目名稱(chēng)：虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)中人機(jī)交互技術(shù)在建筑展示中的應(yīng)用研究。項(xiàng)目編號(hào)：11B129）

中圖分類(lèi)號(hào)TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1674-6708（2015）139-0095-02