基于3ds MAX實現(xiàn)三維虛擬校園場景建模

姚孺婧，李林森，張煜鑫

(安徽工業(yè)大學 藝術與設計學院，安徽 馬鞍山，243002)

虛擬現(xiàn)實就是利用計算機技術創(chuàng)建和模擬真實世界，用戶借助必要的設備以自然的方式在特定范圍內與傳神的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境進行交互并相互影響，從而有親臨真實環(huán)境的感受和體驗。隨著虛擬現(xiàn)實技術在許多方面得到廣泛應用和信息化校園建設快速發(fā)展，三維虛擬校園建設已成為信息化數(shù)字校園建設的重要構成。傳統(tǒng)的虛擬校園建立在二度空間形象上，利用三維虛擬技術進行數(shù)字校園建設，是虛擬校園的根本和核心，可以向人們展現(xiàn)立體空間狀態(tài)，接近校園的實景。在計算機圖形學以及仿真技術的不斷發(fā)展下，人們對三維場景建模的真實感要求與日俱增[1]。3D Studio Max，常簡稱為3d Max或3ds MAX，是實現(xiàn)三維動畫渲染和制作的主要軟件之一。建模步驟簡潔且效率高，普遍應用于各種三維制作及工程可視化等領域。本文基于3ds Max建立安徽工業(yè)大學三維虛擬校園場景模型，通過特定方法來解決模型精密度與實時性之間的沖突，大大提高了場景的真實性和可操作性。此系統(tǒng)可為安徽工業(yè)大學樹立良好的人文形象，為數(shù)字校園規(guī)劃提供參考資料和依據(jù)，加快實現(xiàn)校園數(shù)字化建設。

一、模型構建流程

三維虛擬校園場景模型主要包括實景數(shù)據(jù)的獲取、建立模型、場景材質設置和仿真貼圖、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)初始化、模型對象導入與實時展現(xiàn)等五個方面，而三維模型的建立，其質量層次直接影響模型效果及系統(tǒng)的運行情況，是對視覺效果呈現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)(見圖1)。

(一)數(shù)據(jù)采集與處理

在建立模型前需要準備相關資料素材，通過校園平面規(guī)劃圖、地形圖、建筑圖紙、高分辨率影像圖、紋理圖片等來獲得相關的信息數(shù)據(jù)，生動展現(xiàn)虛擬校園環(huán)境中的建筑物、道路、樹木等對象。由于時間久遠，部分規(guī)劃圖無法采集，可以在Google地球上獲取免費的高清晰度衛(wèi)星圖片作為數(shù)據(jù)參考，幫助完成對虛擬地形的數(shù)字化展現(xiàn)。 建模前對模型對象所進行的圖像采集，首先可以作為建模的參照，其次在未能收集到校園場景的建筑圖紙等有效數(shù)據(jù)的情況下，根據(jù)圖像采集，估測建筑高度，制作CAD平面圖及五視圖，最后是通過Photoshop等圖像處理軟件，對效果不好的圖片進行光線、色彩等處理，將獲取的模型貼圖照片以jpeg文件格式保存，形成紋理貼圖庫。貼圖的質量，直接決定了所建模型與真實建筑物的相似程度。貼圖的使用頻繁，不但能增加作品的真實感[2]，還會影響到內存的負載，提升虛擬校園系統(tǒng)的體驗感。

圖1 三維虛擬場景建立流程圖

(二)模型制作

場景在交互時流暢與否，與場景中的模型個數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖等方面的數(shù)據(jù)量息息相關。為了避免出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，場景模型必須精簡數(shù)據(jù)量，有計劃地利用建模方法設計可視化內容是必要的，因此在準備建模工作之前，要對場景分析了解，經營建模思路。

1. 3ds Max通過多種建模方式創(chuàng)造宏偉的虛擬世界，主要方法包括基礎形體建模、曲線建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等。其中，采用多邊形建模最佳，這種建模方式為我們提供了高效且良好的操作，可以對模型的網格密度進行較好的控制，適當調節(jié)細節(jié)的細分度，使最終模型的網格分布稀疏得當。

2.根據(jù)建筑所處的具體位置可把模型分為幾個區(qū)域建設，并明確每個區(qū)域的地形特點，考慮合理分布模型的密度，進行判斷是建成何種精度的仿真模型。大于0.5m的結構體均進行三維建模，小于0.5m的則使用紋理貼圖來表示。可以復制的物體選擇盡量復制，以此來降低物體消耗的資源。

3.將制作好的CAD底圖導入3ds Max中。導入到Max里的CAD文件最好位置歸零，以便初始導入模型相鄰在x、y、z軸的零值。根據(jù)圖樣用樣條線編輯出線條輪廓，將其附加后轉化成可編輯多邊形，利用擠出、切割、倒角等功能來疊加命令制作，對于復雜結構可選擇超級布爾等功能完成制作，如墻和窗戶的外輪廓。

4.校園交通設施中的人行道、車行道等作為交通設施建模的主要內容，可選取或制作與實際相似度高的材質與貼圖作為紋理體現(xiàn)道路的不同功能。

5.校園中的成片林帶、路旁綠化帶和景觀樹等，采用十字面片形式，模型只需幾個面即可，樹的外形主要靠透明貼圖來表現(xiàn)。對于綠地和水體，使用多邊形面片集合紋理的形式進行建模。

(三)添加紋理材質和貼圖

材質作為一個數(shù)據(jù)集，主要功能就是給渲染器提供數(shù)據(jù)和光照算法，用以模擬物體的表面特性，如顏色、紋理等，用來表現(xiàn)物體對光的交互(反射、折射等)性質。如金屬對光的反射。貼圖最直接的形式是 Photoshop之類的軟件做出來的一張圖，這些圖在3ds Max中貼到物體的表面，用來表現(xiàn)物體的“紋理”，包括透明“紋理” JPG和不透明“紋理” TGA、 PNG格式。利用貼圖可不用增加模型的復雜程度就能突出表現(xiàn)對象的細節(jié)，還可創(chuàng)建反射、折射、鏤空等多種效果，比材質更精細更真實[5]。校園模型中紋理表現(xiàn)主要是對建筑物、地表等景物貼上適當紋理和材質，包括樹木、花草等，成片的綠化不僅使虛擬校園從視覺上變得更為美觀，而且會讓在虛擬漫游中的景象具有強烈的層次感和立體感。在制作完模型后使用默認的通用材質球類型或者Multi/ Sub- Object(多重/次物體材質)類型，可以給不同層次的物體指定不同的材質。為了增加模型的質感和完善模型的造型，獲得清晰并且色彩飽和的貼圖文件是必要的，因此在進行紋理映射前，對貼圖文件進行加工處理，如調整光亮度和色調、修復、裁剪和拉伸等，保存時的尺寸必須為2的次方，例：32、64、128、256、512、1024等，最大長寬不能超過1024。初始貼圖很可能由于尺寸有所變形或者拉伸，需要使用UVW貼圖工具進行修改調整，個別主要物體貼圖需要手動展開UV的方式制作。UV盡量避免相互重疊及拉伸，盡可能減少UV的接縫，接縫可安排在攝像機及視覺注意不到的地方或結構變化大、不同材質外觀的地方。

(四)烘焙及導出

烘焙方式采用Light Map光照貼圖，它是一個創(chuàng)建物體表面光照分布的貼圖過程。其作用是通過在3ds Max里對模型進行燈光渲染，明確光源的方向，使用烘焙到貼圖的命令烘焙渲染出自身帶有明暗關系的貼圖，原先的紋理貼圖不變，再生成一張包含模型光影信息的貼圖[3]。這樣的優(yōu)勢是在顯卡或游戲引擎的驅動程序上快速顯示貼圖物體，使得最終模型紋理清晰，減弱物體光感顯示，并且可以利用圖像處理軟件重復處理紋理貼圖展現(xiàn)更豐富的光影效果，節(jié)約紋理資源。烘焙時燈光使用高級光線跟蹤，背景使用白色，可以避免模型黑邊的現(xiàn)象。完成后的模型需要進入其他引擎制作，所以需要完整導出，合并頂點，清理場景，并刪除多余的材質球和沒有用的空物件，使用Autodesk.FBX格式導出。

二、模型的優(yōu)化和整合

場景中的建筑模型眾多，因此場景的構建是一個相對繁復的過程，為了提高用戶瀏覽場景的速度，必須使用合適的建模方式對模型進行優(yōu)化和整合，以降低文件的大小。

(一)單位統(tǒng)一

大范圍場景組之間分開建立，單個場景文件的單位要保持一致，這樣保證了模型與模型之間的正確比例。在沒有特殊要求的情況下，將系統(tǒng)單位和顯示單位都設置為米(Meters)。

(二)分別建模

對整個校園場景按照層次結構劃分出明確的子場景元素。對模型進行層級結構劃分有利于提高模型的可讀性和可維護性。

(三)化繁為簡

為了保障系統(tǒng)的流暢運行及開發(fā)的合理性，在建模過程中應用的模型應以“簡”為主，在表現(xiàn)多細節(jié)模型時如窗框、欄桿、柵欄等一些細長條的物體時，可直接用貼圖的方式表現(xiàn)。因為如果模型面數(shù)太多，會導致運行速度急劇降低，文件容量增大，在網絡運轉時也會導致下載時間增加。在前期制作建模的過程中，注意檢查共面、漏面和反面的情況，看不見的面要刪掉。如樓宇底面、貼著墻壁物體的背面等。對于路燈、欄桿等一些常見物體，可以利用3ds Max軟件提供的三維數(shù)據(jù)模型庫中的模型直接建模，樹木模型可用十字面片模型或簡模表現(xiàn)。此外，還可利用Unity3d中自帶的樹木創(chuàng)建設計自己需要的樹木樣式，來進一步簡化樹木的建模。

(四)合理命名

當創(chuàng)立一個新的元素或者設置一種新的材質是都必須使用英文命名，同種貼圖必須使用同一個材質球。材質的ID和物體的ID號務必一致，材質球的父子層級的命名須一致。命名的合理化可以避免在合并文件后，導致重名或者編輯修改文件時元素混亂。命名時采用統(tǒng)一的命名規(guī)則，如帶Alpha通道紋理命名時應以_al結尾。

表1 模型命名示范列表

三、結語

基于構建安徽工業(yè)大學三維虛擬校園模型過程中的主要技術制作流程和關鍵性技術優(yōu)化，利用3ds MAX在建模、材質和貼圖等方面的優(yōu)勢功能來完成校園中場景的建立，提高場景的建模速度以及環(huán)境的真實性表達，對后續(xù)數(shù)字校園的建設具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。