三維場景模型構(gòu)建研究與實(shí)現(xiàn)

王瑜

摘 要：虛擬漫游系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用，創(chuàng)建具有真實(shí)感的三維場景是實(shí)現(xiàn)虛擬漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，場景構(gòu)建離不開三維建模，模型質(zhì)量好壞將直接影響到用戶體驗(yàn)。在設(shè)計(jì)開發(fā)基于Virtools的虛擬小區(qū)漫游系統(tǒng)時(shí)，采用3DS MAX對場景中各物品進(jìn)行建模，在探討模型構(gòu)建及優(yōu)化的基礎(chǔ)上，具體介紹三維場景中物品建模的實(shí)現(xiàn)方法，并對模型的導(dǎo)入與整合進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：virtools；虛擬場景；三維建模

DOIDOI：10.11907/rjdk.171243

中圖分類號：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0199-03

0 引言

虛擬漫游系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)的綜合應(yīng)用，創(chuàng)建具有真實(shí)感的三維場景是實(shí)現(xiàn)虛擬漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，場景構(gòu)建離不開三維建模，模型質(zhì)量好壞將直接影響虛擬場景的真實(shí)與否，而虛擬場景的真實(shí)性又是虛擬漫游系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，漫游能否真實(shí)靠的就是建模技術(shù)。

以一般居住型小區(qū)為例，構(gòu)建虛擬場景時(shí)建模方法很多，可以使用DirectX或OpenGL的圖形函數(shù)庫由底層建立，但更實(shí)用的辦法是用專業(yè)的建模工具根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)。以一般居住型小區(qū)為例，采用3DS MAX配合AutoCAD進(jìn)行建模，將小區(qū)內(nèi)所有建筑、環(huán)境甚至相關(guān)室內(nèi)場景、人物角色等仿制出來，再將其導(dǎo)入Virtools中加以呈現(xiàn)，用戶使用過程中與其中的特定場景發(fā)生交互，打破以往的傳播手段和宣傳方式，不僅生動(dòng)活潑、形式新穎，而且制作出來的成品還可以進(jìn)行網(wǎng)上瀏覽或直接下載，以全新的視角帶領(lǐng)用戶參觀整個(gè)場景。

1 三維模型構(gòu)建的總體思路

一般居住型小區(qū)的虛擬三維場景建模包括小區(qū)的地形地貌、小區(qū)內(nèi)的樓群建筑和水系植物等，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)，在使用3DS MAX進(jìn)行建模時(shí)，應(yīng)充分考慮到硬件的限制和虛擬系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，在保證視覺效果不失真的前提下，盡量采用最簡單的方式。對于小區(qū)地形地貌建模，道路廣場等相對平坦地形可通過一個(gè)平面簡單拉伸、擠壓獲得，山峰臺階等具有起伏變化的地形，可采用層疊法、灰度圖法、整體生成法等方式得到；對于樓群建筑建模則要根據(jù)系統(tǒng)展示的側(cè)重點(diǎn)，可不必將每面墻體全部顯示出來，采用精細(xì)建模、次精細(xì)建模和粗略建模等方式完成[1]，模型數(shù)量要盡量簡化；對于水系建模主要表現(xiàn)水面的波紋、漣漪和倒影，通常的辦法是整體貼圖，動(dòng)態(tài)水體要盡量少用，以減少系統(tǒng)負(fù)荷；對于植物建模因其場景范圍較大，考慮到實(shí)時(shí)漫游的需求，盡量避免構(gòu)建真正的實(shí)體模型，植物的種類不宜過多，控制Mesh的數(shù)量，如在3D Spriters中完成一棵樹后，只需復(fù)制若干數(shù)量的3D Spriters，然后對其進(jìn)行樹木紋理綁定，就可以在增加物體數(shù)量的同時(shí)極大地降低場景的復(fù)雜度。

通常情況下，初步建立出來的模型可能存在數(shù)據(jù)量大、比例不協(xié)調(diào)、實(shí)時(shí)顯示效能低等問題，這就要求在建模時(shí)注意各個(gè)物體的比例協(xié)調(diào)，貼圖尺寸要盡量小且保持為2的冪次方，多用紋理貼圖，少用幾何貼圖，模型建好導(dǎo)入到Virtools軟件中注意觀察，根據(jù)實(shí)際情況刪除場景中不可見的面，還可用其它軟件對模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確保系統(tǒng)運(yùn)行的速度和流暢性。

2 場景模型創(chuàng)建方法

2.1 樓房建模

樓房建模一般利用小區(qū)原有的AutoCAD平面圖進(jìn)行構(gòu)建。在取得原始平面圖以后，因小區(qū)內(nèi)同式建筑較多，所以首先要通過對場景和現(xiàn)場需求的分析，確定建模區(qū)塊結(jié)構(gòu)，即將所有樓房劃分成精細(xì)建模樓群、次精細(xì)建模樓群和粗略建模樓群，這樣有利于對模型進(jìn)行組織與管理。接下來，為了盡可能準(zhǔn)確、直觀地進(jìn)行室內(nèi)建模，需要對房屋進(jìn)行實(shí)際丈量，根據(jù)采集來的數(shù)據(jù)對真實(shí)面積的大小進(jìn)行一定比例的縮放，如有必要還需要獲取相應(yīng)樓房或房間的照片及影像資料，照片一般分辨率較高，可對精細(xì)建模樓群細(xì)節(jié)部分建模，并作為紋理貼圖的主要來源，影像資料分辨率相對較差，可用以顯示樓群的大致輪廓及樓群與樓群之間的位置關(guān)系。當(dāng)大小位置確定以后，即可將CAD文件導(dǎo)入3DS MAX之中，根據(jù)對層次結(jié)構(gòu)的分析，采用先簡后繁、由下及上的原則，通過擠壓的方式先搭建粗略的樓層框架，再根據(jù)不同樓房的不同特色，如單元門的朝向、窗戶的朝向、樓房頂層的結(jié)構(gòu)、戶型等，逐層逐塊利用3DS MAX進(jìn)行建模。

在建模時(shí)，一方面要區(qū)別不同類別模型，對精細(xì)建模樓群采用精確幾何體構(gòu)建，而對次精細(xì)、粗略建模樓群盡量使用面數(shù)較少的幾何體構(gòu)建即可；另一方面，還要注意模型面的數(shù)量，即無論什么類型樓群，在構(gòu)建時(shí)面的數(shù)量要有所控制，數(shù)量如果太大，會(huì)產(chǎn)生漫游速度過慢、場景不真實(shí)的問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在虛擬漫游中出現(xiàn)“穿越”或“眨眼”現(xiàn)象，在成品渲染時(shí)也會(huì)因面數(shù)過多而導(dǎo)致渲染速度過慢以及渲染后文件體積過大的問題，所以在建模時(shí)要注意刪除冗余的多邊形。對樓房建模情況如圖1所示。

2.2 房間建模

樓房建模完畢以后，需要對每款不同樣式的房間進(jìn)行建模，因?yàn)樽罱K需要漫游的是具體房間，而不是樓房，所以對室內(nèi)建模屬于精細(xì)建模，也是漫游系統(tǒng)的重點(diǎn)。房間測量需要進(jìn)行實(shí)地勘察，在弄清楚基本樣式以后，可先將其草圖大致描繪出來，主要是為了分清墻壁及窗戶、門、過道等分布情況，然后在軟件中按實(shí)際尺寸縮小比例，采用多種建模方式建出房屋模型效果，在表現(xiàn)出必要細(xì)節(jié)的前提下盡量減少場景繁雜度。模型建立完畢后，將各模型按要求進(jìn)行合并，對其進(jìn)行材質(zhì)貼圖和燈光照射，材質(zhì)用來表現(xiàn)物體表面屬性，燈光用來表現(xiàn)物體表面的顏色、光亮程度和不透明度，兩者緊密相聯(lián)，不單獨(dú)調(diào)節(jié)另一種，在燈光運(yùn)用較繁雜的情況下，模型渲染前可能需要調(diào)節(jié)光能傳遞[2]，將各參數(shù)調(diào)至最佳，保證渲染質(zhì)量和渲染時(shí)間，最終效果如圖2所示。

2.3 室內(nèi)家電建模

房間建模完成以后需要再依次完成屋內(nèi)家具、吸頂燈、電視機(jī)、電視柜、沙發(fā)等建模，這些物品建模仍需按標(biāo)準(zhǔn)尺寸完成，但需要注意的是建模過程中必須對所有對象事先進(jìn)行分析，也就是說，要對所建模對象進(jìn)行位置、大小、是否需要交互等情況進(jìn)行預(yù)判，對某些又近又大的對象來說，建模時(shí)要求的精度要高一些；而對某些又遠(yuǎn)又小的對象來說，建模精度要求就低一些。另外建立的對象是否需要進(jìn)行交互也是值得關(guān)注的問題，比如電視機(jī)是否能打開、沙發(fā)是否進(jìn)行碰撞偵測、吸頂燈能否點(diǎn)亮等，如果需要交互，建模時(shí)就必須將這些物品的明顯標(biāo)志以獨(dú)立面的形式建立。一般來說，鑒于室內(nèi)設(shè)計(jì)屬于比較繁雜的場景，所有需要交互的物品在建模時(shí)最好不要超過800個(gè)面[3]。endprint

雖然，建模時(shí)不同的模型可采用不同的建模方式，但由于Virtools只支持Polygon（多邊形）建模方式，所以無論初始建模用何種方式，完成后都要轉(zhuǎn)換成多邊形后再輸出。多邊形建模時(shí)還要注意其它細(xì)節(jié)部分，如要控制角度以免視角發(fā)生偏移，建模時(shí)控制模型面數(shù)以免容量過大，要盡可能減小計(jì)算量，需要交互的對象每個(gè)部分必須單獨(dú)呈現(xiàn)，不能群組，否則將給交互帶來影響，建模房間內(nèi)物品效果如圖3、圖4所示。

2.4 其它設(shè)施建模

小區(qū)內(nèi)路燈僅在位置、方向、大小上有所差異，如果將所有路燈全部建模完成，勢必會(huì)造成計(jì)算機(jī)內(nèi)存增加、渲染時(shí)間過長，對于小區(qū)內(nèi)數(shù)量較多、款式相近的路燈，可先只建立一個(gè)范例，再采用拷貝的方式，運(yùn)用實(shí)例化技術(shù)通過縮放、旋轉(zhuǎn)得到其它所需模型，從而大大節(jié)省內(nèi)存空間。小區(qū)內(nèi)的樹木也是建模場景中的重要組成部分，樹木的真實(shí)度將直接影響場景質(zhì)量的高低，作為場景中數(shù)量最多的模型，用一般的建模方法顯然行不通，樹木建?？刹捎肂illboard多邊形面的方法進(jìn)行模擬[4]，Billboard 多邊形面主要是利用旋轉(zhuǎn)軸和法線對齊的方法來完成，無論用戶視點(diǎn)如何改變，只要保證所構(gòu)建樹木圖像的法線能繞著軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在用戶眼里相關(guān)多邊形面就始終對準(zhǔn)視點(diǎn)，從而造成郁郁蔥蔥的表象，這種方法簡單，占用內(nèi)存空間小。路燈和樹木建模效果如圖5所示。

3 模型導(dǎo)入與整合

在3DS MAX中制作好三維模型后，將模型導(dǎo)入到Virtools中。Virtools默認(rèn)用于存儲角色、場景以及物體等信息的文件格式是.nmo，但在3DS MAX中不能直接將文件導(dǎo)出為此格式，需要安裝3DS MAX Exporter.exe插件，這種插件版本要與使用的3DS MAX版本保持一致，并要安裝在同一個(gè)文件夾下，安裝完畢后點(diǎn)選3DS MAX中File/Export菜單命令，文件類型選擇Virtools Export（*.Nmo，*.Vmo），自定義文件名后即可確定輸出保存。需要注意的是，在輸出文件時(shí)一定要將文件名設(shè)置為英文，否則在Virtools中會(huì)出現(xiàn)命名錯(cuò)誤，模型導(dǎo)出時(shí)對話框如圖6所示。

最上方導(dǎo)出類型選擇輸出為虛擬角色（Export as a Character），在虛擬角色名稱（Chatacter Name）中輸入“Microwave”，在下面的控制器輸出（Controller Output）中將樣本采幀率（Frame per sample）設(shè)置為1，動(dòng)畫物體（Animated objects）也為1，最后點(diǎn)擊確認(rèn)即可完成操作。

保存的.nmo文件需要導(dǎo)入到Virtools中才可使用，啟用Virtools點(diǎn)選Resources/Import File菜單命令，找出并導(dǎo)入剛剛保存的.nmo文件，就可以看到整個(gè)三維場景，調(diào)整和排列模型的位置比例，設(shè)置一些必要的屬性和參數(shù)，最后再添加實(shí)行交互的模塊腳本，在項(xiàng)目保存成可編輯的工程文件以后，就可以在Virtools自帶的程序開發(fā)包SDK下進(jìn)行.exe文件開發(fā)。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，構(gòu)建沉浸感強(qiáng)、交互速度快的三維場景離不開成熟穩(wěn)定的建模技術(shù)。后續(xù)將著重研究貼圖、渲染，嘗試多種幾何建模方法相結(jié)合，適當(dāng)引入新的算法，更好地保證三維場景中各物體建模的質(zhì)量和實(shí)際運(yùn)行效果。

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