基于虛擬現(xiàn)實的三維建模技術(shù)的研究

吳桐桐 周國輝

摘 要： 隨著VR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）的快速發(fā)展，三維建模技術(shù)在其中發(fā)揮著重要的作用，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心。本文研究探討了VR技術(shù)和三維建模技術(shù)，以及建模軟件3D MAX，還對VRML語言進行了分析論述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；幾何建模；物理建模；行為建模；3DMAX；VRML

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號： 2095-2163（2016）02-

Research of Visual Reality 3D modeling technology

WU Tongtong ZHOU Guohui

（Computer science and information engineering college，Harbin normal university， Harbin 150025，China）

Abstract：In recent years， Virtual Reality technology has been paid extensive attention in computer field. 3D modeling technology is the most important part and one of the key technologies of virtual reality. 3D modeling technology is the foundation of the VR system .In this paper， the methods of virtual reality 3D modeling and commonly used tool production softwares 3D max and common language VRML， etc are respectively introduced.

Key words：Virtual Reality； geometric modeling；physical modeling；behavior modeling 3DMAX； VRML

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality， VR）通過使用計算機，運用一定的技術(shù)手段建造一個仿真的三維虛擬環(huán)境。 VR技術(shù)通常具有如下的特征：

1）沉浸感。是指對象作為主角置身于虛幻世界中的逼真感受。

2）交互性。是指參與者對模擬世界中物體的可干預性以及從虛擬環(huán)境中得到效果反饋的自然程度。

3）自主性。強調(diào)VR技術(shù)應該擁有廣闊的可幻想空間，能夠拓展人類認知的領(lǐng)域，不僅可以逼真重現(xiàn)客觀世界，還可以構(gòu)建虛幻的、甚至是奇幻的世界狀態(tài)。

當今時代日新月異，隨著計算機領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，VR系統(tǒng)構(gòu)建及技術(shù)應用已然成為時下的一個實踐性熱點研究課題[1]。具體來說，三維建模技術(shù)是VR系統(tǒng)的基礎，如果沒有專業(yè)VR建模工具提供支撐，VR系統(tǒng)將很難成功建立。而在完成復雜的虛擬現(xiàn)實場景的模擬建模時，研究中更多地使用了三維模型制作軟件。其中，3D MAX建模軟件是最趨廣泛與普及應用的。通過利用3D MAX建造虛擬環(huán)境或物體，安裝與其相對應的插件用于輸出，就能夠相對準確可靠地創(chuàng)建環(huán)境模型文檔了。

1 虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)

在設計VR（虛擬現(xiàn)實）系統(tǒng)之前，首先需要創(chuàng)建一個虛擬環(huán)境Environment），在眾多因素中，視覺將關(guān)系到最為直觀和形象的用戶體驗，所以環(huán)境構(gòu)建中，實時動態(tài)、逼真合理的呈現(xiàn)即成為至關(guān)重要的功能需求。

一旦模型建立起來，即可稱作一個系統(tǒng)的建立。系統(tǒng)能夠擁有一個物體或是多個群體，這樣的表現(xiàn)可以構(gòu)成系統(tǒng)的模型。也就是說，系統(tǒng)模型以一個或多個方式存在。建模最初要完成的步驟，是給系統(tǒng)擬定一個標準，虛擬世界里存在眾多的對象物體，相對層次較為繁雜，因而必須包括其中全部涉及的對象。下面則對這一課題技術(shù)展開論述研究。

1.1 幾何建模

三維視覺建模可細分為幾何建模（Geometric Modeling）、物理建模（Physical Modeling）、對象行為建模（Object Behavior）等。而在虛擬世界構(gòu)建中高效關(guān)鍵的設計手段就是幾何建模。

物體對象的幾何信息可以用幾何建模（Geometric Modeling）來描述，虛幻世界中的各個對象都可由形狀和外形2個要素來構(gòu)成，而這2個要素又將分別由對象的其他因素來綜合確定。

1.1.1 Polygon（多邊形）建模

Polygon（多邊形）建模是基礎建模技術(shù)，就是用比較少量的網(wǎng)格多邊形進行編輯建模。運用這種方法，先刻畫一個基本的規(guī)則幾何體，再根據(jù)需求進一步修改對象細節(jié)部分，最后通過各種手段技術(shù)來營造虛擬現(xiàn)實的場景和對象。多邊形建模的缺點不能夠生成曲面，但其操作簡單方便，而且時效性頗佳。polygons多用于游戲、動畫等領(lǐng)域中。

多邊形包括4個基本元素：頂點，邊，面，紋理坐標。

1.1.3 Subdivision（細分表面技術(shù)）建模

Subdivision（細分表面技術(shù)）是近年來新興的一類建模技術(shù)。技術(shù)中匯集了NURBS（非均勻有理 B 樣條曲線）建模和Polygon建模的特點和優(yōu)勢，適合搭建一些層次感豐富復雜的模型。而且，其建模工具簡單，操作方便，創(chuàng)作靜幀作品時是個不錯的選擇。

Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在對象表明的連續(xù)性問題?？坍嫷郊毠?jié)的時候，比如高精度的調(diào)節(jié)，就是利用level參數(shù)進行區(qū)域性的調(diào)節(jié)。特別地，只是Subdivision（細分表面技術(shù)）能夠用于應對要求很高的建模。

綜上，將可根據(jù)用戶的實際需求來選擇最為恰當?shù)慕７椒ǎ绱瞬拍芸焖儆行У剡_成效果目標。

1.2 虛擬現(xiàn)實中的物理建模

繼幾何建模發(fā)展流行之后，另外一種建模應運而生，就是物理建模。物理建模重點取決于科學合理的動態(tài)約束和運動方程的確立及求解。更改限制條件，互動環(huán)境即可自動解答更新的運動方程而且不存在顯著延遲現(xiàn)象。研究中，多是通過模擬對象的位移、碰撞檢測、旋轉(zhuǎn)、表面形變等方面來實現(xiàn)模型搭建[2]。

下面針對2種較為經(jīng)典的物理建模技術(shù)：分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)，分別給出技術(shù)綜述。

1.2.1 分形技術(shù)

分形技術(shù)用來表示具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。一些復雜的不規(guī)則形狀對象的建?？梢赃\用自相似這種結(jié)構(gòu)。該技術(shù)最早應用于山川及水流的地理特性建模。分形技術(shù)雖然有其操作簡單的優(yōu)點，但是計算量過大，技術(shù)實時性也隨即降低，所以只用在靜態(tài)遠景的建模上。

1.2.2 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)屬于經(jīng)典的物理建模系統(tǒng)。簡單的操作即可完成復雜運動的建模，由此構(gòu)成了粒子系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實中，粒子系統(tǒng)可以來表示焰火、流水、風雪、大雨、瀑布等自然現(xiàn)象。在虛擬現(xiàn)實中，粒子系統(tǒng)主要用于動態(tài)的、運動的物體建模。那些帶有動態(tài)特點的對象的建?？梢酝ㄟ^虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)。

1.3 虛擬現(xiàn)實中的行為建模

幾何建模與物理建模相結(jié)合，僅是可以局部呈現(xiàn)出一個視覺上感受真實的畫面特點，而若要建造一個逼真的虛擬環(huán)境世界，則還需要行為建模的參與和加入。

對象的運動與行為描述均可以通過行為建模的方式來執(zhí)行設計操作。行為建模能夠準確貼切地描述虛擬現(xiàn)實的特點，如果沒有行為模型的實效支撐，那么任何VR的構(gòu)建則不會存在任何意義。

在構(gòu)造模型時，不但要設計實現(xiàn)模型外觀等表現(xiàn)特性，同時更要關(guān)聯(lián)實現(xiàn)模型物理特性和符合真實存在的行為習慣和應激的能力[3]。

如果說幾何建模（Geometric Modeling）技術(shù)主要是計算機圖形學領(lǐng)域的研究發(fā)展所得，那么，物理建模（Physical Modeling）和行為建模（Object Behavior）就是多學科領(lǐng)域交叉的研究產(chǎn)物。必須結(jié)合多個領(lǐng)域的研究技術(shù)成果，才能夠建立優(yōu)質(zhì)、高端完善的行為模型。

2 3D MAX 模型在虛擬現(xiàn)實中的應用

2.1 虛擬現(xiàn)實建模語言———VRML

VRML （Virtual Reality Modeling Language）是一種能夠在網(wǎng)絡上發(fā)揮影響與作用的可以構(gòu)建立體虛幻空間的仿真程序語言。運用網(wǎng)絡的用戶能夠瀏覽到由VRML創(chuàng)建的3D虛幻現(xiàn)實，改變時下網(wǎng)絡與用戶應用互動的局限性， 使得用戶與計算機的需求互動更加便捷，從而全面展示了虛擬場景的沉浸性、交互性和自主性。

VRML 語言具有描述性質(zhì)，可以構(gòu)造三維立體環(huán)境或物體。在構(gòu)造的虛擬環(huán)境中，每個場景均由許多的節(jié)點來設計部署并構(gòu)成，即可對這些節(jié)點進行概述，由此生成wrl文件。

VRML與HTML相同，可以理解為是 ASCII 碼的描述性的語言。具體來說，就是一種碼文件，可用普通計算機中都包含的文本編輯器編寫， 還能使用 VRML 語言的專業(yè)編輯器來編寫源程序。通過使用VRML，用戶可以自行構(gòu)造出符合特定需求的模擬桌面場景[4]。

2.2 3D MAX 模型在 VRML 中的應用

VRML（虛擬現(xiàn)實建模語言）運用節(jié)點搭建環(huán)境，但是用節(jié)點來描述模型卻難能達到具體逼真的現(xiàn)實設計效果，而且也不容易模擬包含復雜面的形體。若運用 3D MAX 則能夠彌補這一不足[3]?，F(xiàn)對其實現(xiàn)過程給出具體分析闡述。

（1） 用 MAX 模型建立 VEML 文件。

（2）若想要構(gòu)建VRML的三維立體虛幻空間，首先需要啟用3D MAX，如此，將能夠輸出VRML97的文件。點擊3D MAX進入系統(tǒng)，并且使用各種建模方法搭建VR系統(tǒng)的實體化之后，就要單擊Create/Helpers，選擇VRML97；此時，會出現(xiàn)一個工具面板， 面板上列示12個VRML輔助工具，分別是： Anchor （ 錨傳感器） 、AudioClip（ 音頻剪裁板） 、Background（ 背景）、Billboard（ 廣告牌）、Fog（ 霧）、Inline Object（ 在線幫助） 、LOD （ 細節(jié)級別） 、NavInfo（ 瀏覽信息） 、ProxSensor（ 范圍傳感器） 、Sound（ 聲音） 、TimeSensor（ 時間傳感器） 、TouchSensor（ 觸動傳感器） ；相應地，就可添加協(xié)調(diào)輔助的工具， 隨后單擊“File/Export”這時會出現(xiàn)一個“Select file to Export”對話框， 點擊“保存類型”的下拉列表框， 選取“VRML97（*.WRL）”類型文件， 確定文件名后單擊“保存”；其后，出現(xiàn)“VRML 97 EXPORTER”對話框， 選取系統(tǒng)默認值， 點擊“OK”生成一個文件，文件的后綴就是WRL。

（3）將 MAX 模型導入到 VRML 場景中

簡單說來，即是先將3D MAX模型導出，保存為3DS格式，再合并VRML。那些運用VRML開發(fā)設計的虛幻環(huán)境中，大部分實體都能夠在3D MAX中完成模型創(chuàng)建，最后獲得VRML形式的文件。比如在建筑漫游環(huán)境里虛擬一部電梯（loft）。電梯模型可以運用前述提及的Polygon（多邊形建模）來構(gòu)建生成，并保存為VRML格式文件。而后，可結(jié)合 TouchSensor、TimeSensor 和 PositionInterpolator 節(jié)點來達到電梯門拉開與關(guān)閉的場景視覺效果。

3 結(jié)束語

隨著當今計算機軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，VR技術(shù)的應用日趨廣泛，不僅在教育、軍事、醫(yī)療、建筑、航空等領(lǐng)域參與了成果創(chuàng)造，而且在娛樂、制造業(yè)等方面也發(fā)揮了重要的作用。

但在這方面的研究中，仍然存在諸多不足。因此，在計算機新興技術(shù)開拓發(fā)展進程中，會有更多、更新可行的方案來解決當下存在的研究難題，虛擬現(xiàn)實中的三維建模技術(shù)必將獲得更大的發(fā)展空間及更為可觀的應用前景。

參考文獻：

[1]張茂軍，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[M]. 北京：科學出版社，2001.

[2]楊克儉，劉舒燕. .三維人體手臂交互式運動仿真[J].交通與計算機，1999，17（5）： 4- 7 .

[3]Yang Kejian， Liu Shuyan，Chen Dingfang，et al. Behavior-characteristic Modeling and Distributed View Scene Developing Environment [C]//The 2nd International Conference on Computer-aided Industrial Design and Conceptual Design. [S.l.]：IEEE， 1999：364-369.

[4]朱群雄，李彥娜. 基于VRML的三維虛擬仿真場景的構(gòu)建[J].計算機與應用化學，2004，21（1）：133-136.