三維寫(xiě)實(shí)類建筑模型的探索和應(yīng)用

李滿 游澤峰

摘 ?要：文章主要對(duì)虛擬校園制作過(guò)程中校園寫(xiě)實(shí)類綠化景觀模型進(jìn)行建模。利用3ds Max對(duì)低面數(shù)模型進(jìn)行細(xì)節(jié)的優(yōu)化和模型的調(diào)整，對(duì)植被和公園裝飾進(jìn)行實(shí)例化;利用燈光工具設(shè)置燈光的位置并調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度;利用Photoshop制作相應(yīng)物體的貼圖和調(diào)色;利用Forest Pack散布工具對(duì)植被和花園裝飾進(jìn)行散布;最后通過(guò)調(diào)整相關(guān)的渲染參數(shù)進(jìn)行渲染測(cè)試，完成公園等寫(xiě)實(shí)類綠化景觀模型的建模。

關(guān)鍵詞：寫(xiě)實(shí)類建筑模型;三維建模;虛擬校園

中圖分類號(hào)：TU17 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）15-0111-04

Abstract：In this paper，the virtual campus production process of campus realistic green landscape model modeling. Using 3ds Max to optimize the details of the low facet model and adjust the model，instantiate the vegetation and park decoration;use the lighting tools to set the position of the light and adjust the light intensity;use Photoshop to make the mapping and color matching of the corresponding objects;use the Forest Pack scatter tool to scatter the vegetation and garden decoration;finally，adjust the relevant rendering parameters to render test，complete the park and other realistic green landscape model modeling.

Keywords：realistic architectural model;3D modeling;virtual campus

0 ?引 ?言

虛擬校園就是利用相關(guān)技術(shù)制作產(chǎn)生一個(gè)逼真的三維虛擬校園，使體驗(yàn)者佩戴上有關(guān)的設(shè)備就猶如“置身”于學(xué)校的真實(shí)環(huán)境中。廣州工商學(xué)院虛擬校園項(xiàng)目主要是把美麗的校園景觀、建筑物、學(xué)習(xí)生活場(chǎng)景制作出來(lái)，生成逼真的三維虛擬校園。

在虛擬校園建設(shè)中，首先需要把現(xiàn)實(shí)校園中的各項(xiàng)場(chǎng)景進(jìn)行建模。建模工作相當(dāng)于建造樓房中的地基與基礎(chǔ)施工、主體結(jié)構(gòu)施工，因此建模是虛擬校園建設(shè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1 ?關(guān)鍵技術(shù)

本課題主要研究校園寫(xiě)實(shí)類綠化景觀模型的建設(shè)[1]。其關(guān)鍵技術(shù)包括三維建模技術(shù)、場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)、漫游技術(shù)等[2]。

（1）三維建模技術(shù)。三維建模技術(shù)目前主要有三類：基于幾何模型的建模技術(shù)、基于圖像的建模和繪制技術(shù)以及幾何模型和圖像混合建模技術(shù)[3]。

（2）場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)。場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)是為了確保虛擬場(chǎng)景漫游時(shí)的實(shí)時(shí)渲染速度，對(duì)三維場(chǎng)景模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

（3）漫游技術(shù)。漫游技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)虛擬校園的漫游效果的一種技術(shù)，是通過(guò)不斷改變視點(diǎn)的位置，系統(tǒng)在獲得新的位置數(shù)據(jù)后修改相應(yīng)的參數(shù)，以重繪三維場(chǎng)景來(lái)達(dá)到的一種三維動(dòng)畫(huà)的效果。

2 ?設(shè)計(jì)思路

整個(gè)流程如圖1所示，其中具體建模流程如圖2所示。

首先對(duì)學(xué)院桃李園、公園等綠化景觀進(jìn)行實(shí)地考察測(cè)量，使用手機(jī)拍攝場(chǎng)景。參照拍攝的場(chǎng)景，根據(jù)綠化建設(shè)圖紙上的數(shù)據(jù)繪制輪廓草圖，并標(biāo)識(shí)建模工作涉及的相關(guān)位置;然后利用3ds Max進(jìn)行建模，使用Photoshop進(jìn)行貼圖工作，通過(guò)前期拍攝的照片，應(yīng)用Forest Pack插件適當(dāng)給模型添加小綠植物，并進(jìn)行模型優(yōu)化;最后調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行渲染。

3 ?寫(xiě)實(shí)類模型設(shè)計(jì)

3.1 ?基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

首先對(duì)學(xué)校綠化景觀——桃李園進(jìn)行觀察并進(jìn)行拍攝，通過(guò)步數(shù)測(cè)量得到大致數(shù)據(jù)記錄下來(lái);再根據(jù)學(xué)校的綠化建設(shè)圖紙和坐標(biāo)，計(jì)算出大致數(shù)據(jù)與步數(shù)測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，取兩者的中間值作為建模的數(shù)據(jù)。

3.2 ?基礎(chǔ)建模

3.2.1 ?低面數(shù)建模

制作地基模型。寫(xiě)實(shí)類建筑模型中，地基起著十分重要的作用，地基相關(guān)數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景參數(shù)大致相同的時(shí)候，后面所制作的模型才能和地基成比例[4]。觀察照片，通過(guò)編輯長(zhǎng)方體制作地基模型，如圖3所示。然后對(duì)地基模型進(jìn)行往下凹陷的操作做出細(xì)節(jié)，如圖4所示。

利用創(chuàng)建中線命令，畫(huà)道路大概輪廓，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整道路的位置;通過(guò)擠出命令把模型制作出來(lái)并編輯調(diào)整模型的形狀，如圖5所示。由于場(chǎng)景中分布有圓形圓臺(tái)和方形站臺(tái)，所以在場(chǎng)景中分別先擺放好方形站臺(tái)和圓形站臺(tái)，創(chuàng)建一個(gè)圓柱，調(diào)整好高度和分段數(shù)，然后通過(guò)編輯命令對(duì)圓臺(tái)進(jìn)行擠出，再給圓臺(tái)添加插入命令，調(diào)整插入?yún)?shù)，再做出縫隙細(xì)節(jié)[5]。如圖6所示。

制作亭子和橋的模型。對(duì)照拍攝的照片和圖紙，制作公園中的亭子，如圖7所示。從圖片中觀察桃李園中的橋的形狀，發(fā)現(xiàn)橋型具有點(diǎn)古代建筑的風(fēng)格，橋的欄桿有12根石墩柱子和帶裝飾的圍欄，圍欄的側(cè)面有兩個(gè)相交的菱形圖案。通過(guò)多個(gè)圖形進(jìn)行超級(jí)布爾運(yùn)算制作出橋模型，如圖8所示。

3.2.2 ?增加面數(shù)，細(xì)化模型細(xì)節(jié)

實(shí)際走過(guò)草地會(huì)有凹凸不平感覺(jué)，制作類似草地的凹凸不平的地形，需要對(duì)地基模型進(jìn)行布線處理，然后進(jìn)行拉伸。如果是把地面分離出來(lái)然后進(jìn)行連接的話，地形容易出現(xiàn)分布不均勻到會(huì)影響后期地形的拉伸。所以選擇使用QuadRemesher插件對(duì)地面進(jìn)行布線。

3.2.3 ?制作相關(guān)模型貼圖

把從塑膠跑道材質(zhì)和瓷磚材質(zhì)分別導(dǎo)入Photoshop中，利用濾鏡功能進(jìn)行調(diào)色;再把瓷磚材質(zhì)素材導(dǎo)入塑膠跑道材質(zhì)中，擺放在塑膠跑道兩側(cè);在瓷磚和塑膠跑道相交的地方用矩形工具畫(huà)出并填充為黑色，調(diào)整不透明度，做出間隙的效果。再次通過(guò)拾取顏色調(diào)整塑膠跑道和瓷磚的明暗程度大致相同。把其他材質(zhì)，通過(guò)Photoshop中的Camera Raw調(diào)色為明暗大致相同，重新保存JPEG格式和PSD格式分別放置在貼圖文件夾中[6]。

3.2.4 ?貼圖的映射

寫(xiě)實(shí)類建筑模型用于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備是為了讓使用者產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感覺(jué)，所以除了模型逼真，還要讓模型上的貼圖與現(xiàn)實(shí)中一致，才能使整個(gè)虛擬景觀與實(shí)際景觀具有一致的觀感。選擇直接進(jìn)行UVW貼圖，先在Photoshop中準(zhǔn)備好學(xué)校建筑獨(dú)有的貼圖，并進(jìn)行調(diào)色。再搜集類似模型的貼圖，選擇適合的貼圖導(dǎo)入Photoshop中進(jìn)行調(diào)色，使得搜集到的素材能與自己繪制的貼圖素材色調(diào)基本一致。先賦予模型材質(zhì)，然后在創(chuàng)建修改命令中加入U(xiǎn)VW貼圖，修改方向、大小，效果如圖9、10所示。

3.3 ?草地、樹(shù)木等裝飾的散布

搜集多種草地素材，挑選一些面數(shù)少而且美觀的草地素材，使用幾何模型和圖像混合建模技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的草地場(chǎng)景進(jìn)行處理使其逼真。由于場(chǎng)景是梯形的，先用Forest Pack工具散布草地然后平鋪布滿整個(gè)地基，再把草地被其他模型覆蓋的地方刪除，使場(chǎng)景變得更加流暢。桃李園屬于室外場(chǎng)景，室外場(chǎng)景的樹(shù)木、小綠植物占大部分，實(shí)際模型面數(shù)會(huì)很大，用常規(guī)方法逐一擺放會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，而且會(huì)由于面數(shù)過(guò)大發(fā)生卡死的現(xiàn)象。所以采用Forest Pack散布工具，它能夠以代理的形式進(jìn)行散布樹(shù)木、花、路燈、石頭等元素，減少軟件崩潰的概率，保留元素原有的貼圖，而且還能調(diào)整相關(guān)的參數(shù)控制元素隨機(jī)大小、位置與方向，元素顏色漸變等功能。

3.4 ?湖水的制作

考慮到面數(shù)的多少和導(dǎo)入設(shè)備時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡頓的情況，選擇做靜態(tài)水的湖面，減少渲染的時(shí)間來(lái)完善其他的細(xì)節(jié)。復(fù)制前面制作的的湖水區(qū)域作為水面并進(jìn)行位置擺放，刪除多余部分。靜態(tài)湖水的水面上一般會(huì)有倒影和噪波，制作需要先考慮湖水的顏色、反射率、漫反射等，后面再給湖水部分區(qū)域添加噪波使得場(chǎng)景更加的自然，制作湖水材質(zhì)，完成后給湖水平面賦予材質(zhì)，如圖11所示。

3.5 ?天空貼圖和燈光的擺放

天空貼圖有多種方式，因桃李園是屬于室外場(chǎng)景，所以選擇了HDRI天空貼圖。這種貼圖方法不僅能減少面數(shù)使渲染時(shí)更加流暢，還能讓畫(huà)面更加美觀，更加貼合場(chǎng)景。寫(xiě)實(shí)類建筑需要對(duì)意境有所追求，所以燈光的選擇尤為重要。查閱相關(guān)類似場(chǎng)景燈光的資料，室外環(huán)境存在兩種情況，一種是有太陽(yáng)的情況下，一種是沒(méi)有太陽(yáng)的情況下的自然燈光。本景觀選擇了沒(méi)有太陽(yáng)的情況下的自然燈光，更能給人自然的感覺(jué)。對(duì)自然光進(jìn)行光照強(qiáng)度、亮度、光照顏色、光照角度范圍等進(jìn)行調(diào)節(jié)。多次渲染場(chǎng)景觀察燈光使燈光達(dá)到最佳效果。

4 ?渲染設(shè)置與測(cè)試驗(yàn)證

4.1 ?渲染設(shè)置

打開(kāi)V-Ray渲染器，設(shè)置畫(huà)面大小為4 000×2 000像素的尺寸;打開(kāi)漸進(jìn)圖像采樣器，把噪波閾值調(diào)整至0.05;打開(kāi)全局DMC欄轉(zhuǎn)化為專家模式，調(diào)節(jié)噪波閾值為0.05;打開(kāi)顏色映射欄把類型設(shè)置為萊因哈德;在GI欄中打開(kāi)發(fā)光貼圖轉(zhuǎn)化為專家模式把當(dāng)前預(yù)設(shè)設(shè)置為中等，把細(xì)分調(diào)整為80，插值采樣調(diào)整為50;打開(kāi)燈光緩存欄把細(xì)分調(diào)整至1 500。在Render Elements欄中選擇VRayDenoiser作為噪波通道。

4.2 ?最終測(cè)試結(jié)果

由于面數(shù)比較大，渲染期間有可能會(huì)發(fā)生崩潰的現(xiàn)象，所以采取了部分渲染，觀察有沒(méi)有出現(xiàn)不合理的地方如亭子的柱子不對(duì)稱等問(wèn)題。等各個(gè)部分渲染完畢后檢查沒(méi)有問(wèn)題后再進(jìn)行全部渲染，渲染效果如圖12所示。

5 ?結(jié) ?論

通過(guò)對(duì)虛擬校園制作過(guò)程中三維寫(xiě)實(shí)類建筑模型的探索和應(yīng)用，了解了大場(chǎng)景模型制作的流程和制作方法、熟悉軟件的操作，同時(shí)也在設(shè)計(jì)中鍛煉了自己獨(dú)自思考的能力、設(shè)計(jì)能力和空間分配能力，也了解了虛擬校園的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 恩維客教育.3dmax建筑建模教程 [EB/OL].（2019-04-15）.http：//www.iqiyi.com/a_19rrhsdgf1.html.

[6] 陳晨.基于3DMAX的虛擬現(xiàn)實(shí)三維建筑模型建模技術(shù)初探 [J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（2）：94.

作者簡(jiǎn)介：李滿（1966.12—），女，漢族，河南南陽(yáng)人，副教授，本科，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用;游澤峰（1997.03—），男，漢族，廣東廣州人，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)。