基于Maya的三維建模及其在虛擬仿真技術(shù)中的應(yīng)用

朱瑋+曹戈

摘要：該文介紹了基于Maya和Unity技術(shù)的虛擬電動機組裝學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建，運用Maya軟件創(chuàng)建仿真三維模型，導(dǎo)出到Unity軟件中組裝并進(jìn)行交互控制。

關(guān)鍵詞：Maya；建模；Unity；虛擬仿真技術(shù)

1 前言

隨著信息技術(shù)和三維技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)由原先的多用于醫(yī)療和軍事，到現(xiàn)在應(yīng)用到生活的各個角落。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建也隨著技術(shù)的發(fā)展由原先的單一方式，發(fā)展到現(xiàn)在的多選擇、多方式。在本次研究中我們更傾向于使用Maya和Unity進(jìn)行結(jié)合，完美詮釋虛擬仿真技術(shù)和三維建模技術(shù)的結(jié)合。Maya軟件具有強大的兼容功能；具有靈活的模型制作和渲染特性；具有強悍的動作制作特征，能更好的模擬虛擬仿真環(huán)境，讓用戶的體驗更加真實有效。Unity技術(shù)有很強的操作性，能更好的體現(xiàn)交互，滿足用戶對虛擬仿真的直觀需求。我們使用Maya和Unity進(jìn)行虛擬電動機組裝學(xué)習(xí)平臺的開發(fā)。具體思路為運用Maya軟件創(chuàng)建三維虛擬仿真環(huán)境，運用Unity作為載體將三維場景轉(zhuǎn)化為720度漫游系統(tǒng)。

2 Unity與 Maya概述

2.1 Unity 概述

Unity致力于讓使用者輕松完成各種游戲開發(fā)和三維互動開發(fā)，創(chuàng)作出虛擬仿真環(huán)境。作為一款虛擬仿真引擎，Unity使得虛擬仿真的開發(fā)更加便捷，提高了開發(fā)人員的工作效率，增加了使用者的體驗。但是unity卻存在自身無法克服的缺陷，即無法自行創(chuàng)建復(fù)雜虛擬仿真場景，在這方面具有一定的局限性。鑒于此，我們在進(jìn)行構(gòu)建虛擬電動機組裝學(xué)習(xí)平臺時，結(jié)合Maya的強大建模功能，輕松實現(xiàn)對復(fù)雜虛擬場景的構(gòu)建。將Maya和Unity完美的結(jié)合，實現(xiàn)虛擬仿真平臺的開發(fā)。

2.2 Maya概述

Maya是一款強大的三維軟件，應(yīng)用對象廣泛，功能完善，操作靈活，在三維軟件中占據(jù)極其重要的地位。Maya軟件被廣泛應(yīng)用于影視特效、游戲開發(fā)、廣告宣傳、欄目包裝等領(lǐng)域。在創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境方面具有獨特的優(yōu)勢。利用Maya軟件的modeling模塊能創(chuàng)建出真實的環(huán)境外觀，讓人產(chǎn)生一種進(jìn)入感。Maya軟件的Rendering模塊能給創(chuàng)建的場景附上真實的質(zhì)感，從而生成讓人沉浸其中的環(huán)境。Maya軟件在建模方面既可以創(chuàng)建精細(xì)模型又可以創(chuàng)建粗模。滿足對模型的不同需要。同時Maya軟件的材質(zhì)渲染功能為模型最終的效果提供了強大的支持作用，對于虛擬現(xiàn)實中需要的多數(shù)簡模，Maya軟件可以通過材質(zhì)渲染讓模型的效果更加真實。

3 Maya模型創(chuàng)建

虛擬電動機組裝學(xué)習(xí)平臺的環(huán)境是三維模型組建的，模型的表現(xiàn)力直接影響到虛擬平臺的體驗度。在運用Maya軟件的modeling模塊進(jìn)行模型創(chuàng)建的過程中，要注意軟硬件配置的限制和虛擬仿真平臺在運行時的實時性，同時還要充分考慮到互聯(lián)網(wǎng)寬帶對平臺交互的限制。因此在創(chuàng)建模型的過程中要充分遵循游戲建模的法則：在保證模型外觀的基礎(chǔ)上，充分減少模型的面數(shù)，盡量用有效的線條和面組成一個合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。比如，刪除不可見面；復(fù)雜結(jié)構(gòu)用貼圖代替面；減少模型的細(xì)分面數(shù)等。

3.1采集信息

在運用Maya創(chuàng)建虛擬仿真平臺之前，首先應(yīng)進(jìn)行資料采集，我們通過拆分電動機，拍攝各個組件的照片，錄制拆分過程視頻等方式對電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的了解。通過反復(fù)實操和網(wǎng)上資源查找，概括出電動機包含以下主要部件：軸、風(fēng)扇、定子繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、電刷罩，軸承（如圖1）。在于自動化專業(yè)教師進(jìn)行溝通的過程中，我們確定了虛擬電動機組裝學(xué)習(xí)平臺的主要制作要點和注意事項。

3.2模型創(chuàng)建

將拍攝的部件圖片處理成front、side、top三視圖，根據(jù)參考圖片進(jìn)行建模。在模型創(chuàng)建的過程中使用polygon對電動機的電刷罩等外觀曲度小的部件進(jìn)行創(chuàng)建，對于如轉(zhuǎn)子繞組等具有纏繞性的部件使用nurbs，能更好的控制物體表面的曲線度。最終創(chuàng)建出更加逼真、生動的造型，同時滿足漫游對模型面數(shù)的要求。如圖2所示：

在模型創(chuàng)建過程中應(yīng)注意幾個方面：

1）用盡量少的面數(shù)創(chuàng)建模型，確保模型能在Unity軟件中順暢的使用，防止面數(shù)太多產(chǎn)品卡頓問題；

2）可以用貼圖紋理表達(dá)的細(xì)節(jié)就不要用模型創(chuàng)建實現(xiàn)，盡量保證模型的穩(wěn)定性；

3）對于曲度大的部件，建議使用Nurbs建模，保證弧度的圓滑性，防止在弧度上產(chǎn)生菱角分明的結(jié)構(gòu)；

4）對于材質(zhì)相同的部件使用縫合或者打組的方式讓各部件成為一個整體，為后材質(zhì)和渲染做好準(zhǔn)備；

5）不可見部位使用刪除面的方式，在不穿幫的原則下盡量減少面數(shù)，讓整個模型更加輕盈，防止累贅。

3.3 材質(zhì)貼圖與烘培

在對電動機的模型優(yōu)化之后，進(jìn)行材質(zhì)貼圖的處理。材質(zhì)貼圖有兩個方式，一種是通過手繪和圖片處理的方式將材質(zhì)紋理體現(xiàn)出來，一種是通過Maya材質(zhì)球本身固有的屬性進(jìn)行調(diào)整展示材質(zhì)效果。電動機的材質(zhì)主要以金屬質(zhì)感為主，我們使用了最基礎(chǔ)的bolin、phone等材質(zhì)球，通過調(diào)節(jié)材質(zhì)基礎(chǔ)屬性以及反射、高光等屬性，模擬真實的金屬質(zhì)感。對于金屬的拉絲質(zhì)感我們采用紋理貼圖或者Noise進(jìn)行調(diào)整，這樣能夠更好的增強真實的材質(zhì)觸感。因為電動機由多個不同的組成部分組成，各個組成部分之間的材質(zhì)又存在差異，我們針對不同的材質(zhì)屬性，選用多種方法靈活運用，以達(dá)到更好的材質(zhì)效果，節(jié)省制作時間，提高效率，將績效的概念引入到實際教學(xué)過程中。

例如：電刷罩的磨砂質(zhì)感，我們使用bolin材質(zhì)球的基礎(chǔ)屬性，通過添加紋理貼圖，調(diào)整高光、反射和漫反射，營造逼真的金屬質(zhì)感，同時我們結(jié)合bump，使材質(zhì)有一種凹凸感，讓磨砂的質(zhì)感更加逼真，讓體驗者有一種見到實物的錯覺感。對于模型中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配件我們選用貼圖代替建模的方式。利用貼圖可以在簡化模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建出精準(zhǔn)和真實的細(xì)節(jié)。例如，轉(zhuǎn)子鐵芯是由很多凹凸槽組成，用線條擠壓可以出來這個效果，但是模型的面數(shù)會增加太多，不利于交互的實時性。我們選用貼圖的方式解決這個問題，直接用圓柱代替，用最少的面數(shù)大致做出轉(zhuǎn)子鐵芯的外形。然后使用UVLayout進(jìn)行NV拆分，將模型的貼圖展開，形成二維視圖。我們在拆UV的基礎(chǔ)上繪制凹槽的紋理，讓模型看起來真實度極高。即降低了制作的難度，又極大的提高了制作效率。（見圖3）

4 Unity中模型的運用

在Maya中將模型烘培輸出FBX文件，導(dǎo)入到Unity軟件中，自動生成Prefab。創(chuàng)建第一人稱角色控制器，利用控制器產(chǎn)生720度實景展示。此時可以通過鼠標(biāo)對電動機各個部件進(jìn)行720度的觀察。利用Unity的Export功能導(dǎo)出資源。在Unity中可以發(fā)布幾種形式的系統(tǒng)，如WebPlayer、APP等。由于用Maya創(chuàng)建了非常真實的電動機模型，并且將電動機的各個部件進(jìn)行了制作，導(dǎo)入Unity之后，unity在漫游平臺中只起到一個載體的作用，它能很便捷的實現(xiàn)720度的展示效果。同時通過Unity可以快速實現(xiàn)交互，讓使用者有更好的體驗，更全方位的觀察和互動。

在進(jìn)行Maya軟件和Unity軟件相結(jié)合的過程中，應(yīng)注意以下問題：

1）導(dǎo)入FBX文件時注意軟件的兼容問題，防止出現(xiàn)某些模型無法導(dǎo)入問題，或者導(dǎo)入的模型出現(xiàn)黑面等問題；

2）第一人稱角色控制器的創(chuàng)建過程中，注意控制器的使用，防止出現(xiàn)鼠標(biāo)無法交互的問題。

3）系統(tǒng)構(gòu)建完成后的輸出需要根據(jù)發(fā)布的平臺進(jìn)行輸出格式和屬性的設(shè)置，優(yōu)化系統(tǒng)在發(fā)布平臺上的體驗效果。

5 結(jié)束語

在科技高速發(fā)展的今天，虛擬仿真技術(shù)得到了長足的發(fā)展，同時在各行各業(yè)體現(xiàn)出它獨有的優(yōu)勢。本文闡述的Maya建模在Unity中的應(yīng)用，對于學(xué)生掌握和理解《三維建模》和《虛擬仿真技術(shù)》課程起到很好的效果，希望能給其他相關(guān)課程起到一定的指導(dǎo)作用。

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