基于三維虛擬景觀的建模和虛擬設計

康琳英 朱文耀

摘? 要： 針對傳統(tǒng)的景觀虛擬設計藝術效果不理想的問題，進行基于三維虛擬景觀的建模，并根據(jù)搭建的模型進行虛擬景觀設計。利用三維虛擬動態(tài)空間進行實際景觀外形描述，種子點匹配法分析景觀紋理表征屬性，搭建一個三維虛擬的景觀模型。該模型作為設計基礎，從景觀室外地形特征和室內建筑構造兩方面搭建虛擬景觀整體造型，控制虛擬景觀動態(tài)瀏覽，以此實現(xiàn)對于三維景觀的虛擬設計。實驗結果表明，與傳統(tǒng)的虛擬設計相比，所設計的三維虛擬景觀更加逼真，其藝術效果比傳統(tǒng)設計提高的6.56%。由此可見，基于三維虛擬景觀的建模和虛擬設計更加滿足現(xiàn)代虛擬設計發(fā)展需求。

關鍵詞： 三維虛擬景觀; 模型搭建; 虛擬設計; 外形描述; 仿真驗證; 結果分析

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.41? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）04?0130?04

Virtual design and modeling based on 3D virtual landscape

KANG Linying1， ZHU Wenyao 2

（1. Guangdong Ocean University Cunjin College， Zhanjiang 524094， China; 2. College of Engineering， Lishui University， Lishui 323000， China）

Abstract： In allusion to the unsatisfactory artistic effect of traditional virtual landscape design， a 3D virtual landscape based modeling is carried out， by which the virtual landscape design is carried out. The actual landscape shape is described with the 3D virtual dynamic space， the feature of the landscape texture representation is analyzed by means of the seed point matching method， and the 3D virtual landscape model is constructed. As the basis of design， the model constructs the integral shape of the virtual landscape from two aspects of topographic feature of the outdoor landscape and indoor building construction， and controls the dynamic browsing of the virtual landscape， so as to realize the virtual design of the 3D landscape. The experimental results show that in comparison with the traditional virtual design， the designed 3D virtual landscape is more realistic， and its artistic effect is higher by 6.56%， which can be seen that the virtual design and modeling based on 3D virtual landscape more meet the development needs of modern virtual design.

Keywords： 3D virtual landscape; model construction; virtual design; shape description; simulation verification; result analysis

0? 引? 言

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術越來越完善，成為當前鑄造業(yè)、制造業(yè)、裝配業(yè)等相關領域中重點應用的技術[1]。該技術能將實際的物品信息轉化成數(shù)字信息，在多維空間中建立一個三維立體模型，使人通過相關的硬件設備實現(xiàn)人機交互。通過虛擬的環(huán)境進行物品結構設計、外形構造、鑲嵌匹配等工作，提高了企業(yè)生產率，提升企業(yè)經濟效應。但隨著高精尖技術的發(fā)展，現(xiàn)在的實體物品設計越來越精細，越來越復雜，傳統(tǒng)的虛擬設計已經不能滿足技術的發(fā)展。因此進行基于三維虛擬景觀的建模，以此為基礎進行景觀虛擬設計，為該技術的發(fā)展提供技術思路[2]。

1? 三維虛擬景觀建模

1.1? 描述景觀外形結構

三維景觀建模針對景觀總體特點，進行分布式的形態(tài)描述[3]。利用照相機進行離散數(shù)據(jù)采集、攝像機拍攝連續(xù)視頻，經數(shù)據(jù)處理后生成實際全景圖像，利用AutoCAD或者3ds MAX進行景觀環(huán)境圖像處理，將全景圖像組織起來，生成虛擬空間，操作者在虛擬空間中進行仰視、俯視、近景、遠景等操作，開始對實景進行幾何數(shù)據(jù)設定，描述景觀形態(tài)，令所描述的景觀形態(tài)滿足如圖1所示的多重空間。

建立虛擬景觀模型，要利用上述描述空間建立單個模型組件。將變動的因素按照變化特點植入到描述空間中，建立虛擬景觀幾何造型[4]。

1.2? 分析景觀屬性

在利用動態(tài)描述空間進行景觀外形結構描述的基礎上，對景觀的外在和內在屬性進行分析。該分析過程中，景觀外表屬性的映射關系如圖2所示。

圖中：x，y表示橫縱坐標;z表示空間維度;ds，dA表示映射面?，F(xiàn)實景觀中大多數(shù)物體的外表都存在紋理，因此對虛擬景觀進行建模時，要考慮這些紋理給模型帶來的顏色、明暗差異，采用相關種子點匹配法對紋理進行屬性切分并分析其特征，該計算過程如下：

[L=φj·fx，y-i=1nanx2i+bny2i+cnxiyi] （1）

式中：[fx，y]表示紋理變化的迭代式特征函數(shù);[x]表示紋理在定點[i]處的向量橫坐標;[y]表示紋理在定點[i]處的向量縱坐標;[a]，[b]，[c]則表示[n]個紋理與時間、空間以及物質之間的匹配常數(shù);[φj]表示實際景觀中物體紋理的趨勢走向。利用掃描儀對實體物品進行表征掃描，使用制圖軟件將實體物品的紋理制成二維平面圖形，根據(jù)特征匹配法將該圖像映射到上述景觀幾何造型中，在繪制物體表面時要注意相應的物體顏色。再應用函數(shù)紋理，如二維紋理圖案作為景觀的幾何紋理，至此基于三維虛擬景觀的建模搭建完成[5]。

2? 三維虛擬景觀虛擬設計

2.1? 搭建虛擬景觀整體造型

在虛擬景觀模型搭建完畢的基礎上，對圖中的數(shù)據(jù)進行校正。將制作的圖像上傳到PHOTOSGOP9.0中進行數(shù)據(jù)預處理，再以*.tif的文件格式進行保存，將該文件上傳到ERDAS軟件中，此時的文件格式保存為*.img，開始校正。此時坐標校正方法分為兩步：一是選用擁有實際坐標系統(tǒng)的視窗圖進行控制點選擇;二是將景觀的實際坐標輸入到軟件中，進行圖像刪改校正，得到校正后的精準圖像[6]。

以三維景觀模型為基礎進行室外虛擬景觀設計時，利用三角形對點法將地形數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信息，采用三維數(shù)據(jù)模擬構造景觀虛擬地形，虛擬后的室外景觀地形特征如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，以網格平面為基礎，設計景觀的坡度與坡向，垂足線在水平面上的投影與實際朝向的夾角為坡向的角度，而坡度是三維平面與水平面之間的夾角[7]。對兩點之間的坡度進行計算，公式為：

[α=μa-μbdab×100%] （2）

式中：[μa]表示最高位置點[a]處的等高線數(shù)值;[μb]表示最低位置點[b]處的等高線數(shù)值;[dab]表示最高點[a]與最低點[b]之間的水平距離。再對室內景觀進行虛擬設計，此時同樣利用建立的虛擬景觀模型，將室內景觀成像搭建出來。將室內和室外的虛擬景觀模型進行組裝，將室內景觀模型與室外景觀進行拼接，并根據(jù)比例、角度等數(shù)據(jù)進行方向與擺設調整，搭建虛擬景觀的整體三維造型[8]。

2.2? 三維造型動態(tài)瀏覽

在完成虛擬景觀整體三維造型設計后，對該虛擬景觀進行動態(tài)瀏覽顯示操作，查看三維造型的虛擬效果。分析虛擬景觀中每一區(qū)域內的景觀造型屬性，設置光源點和可視點，對三維虛擬景觀進行外形結構、內部構造的動態(tài)畫質瀏覽，并根據(jù)實際狀況進行色彩渲染。制作動態(tài)的三維效果圖，需要對復雜的三維實體進行三角化處理，并對三維網格數(shù)據(jù)進行光滑處理，保證動態(tài)瀏覽的流暢性[9]。因此基于硬件設置加入接口語言。

為了降低數(shù)據(jù)重復記錄次數(shù)，利用扇形的方式進行虛擬景觀表現(xiàn)節(jié)點位置劃分，根據(jù)景觀內模型之間的屬性和關聯(lián)程度，設置虛擬動態(tài)演示軌跡，實現(xiàn)對于虛擬景觀的動態(tài)瀏覽。

將虛擬后的景觀模型進行遠景、近景拉伸，而在進行動態(tài)拉伸的同時，虛擬場景的比例、結構狀態(tài)不會受動態(tài)拉伸的影響，保證模型的動態(tài)圖像輪廓，只隨著幀數(shù)的變化而發(fā)生動態(tài)改變，由此實現(xiàn)三維景觀的虛擬設計[10]。

3? 仿真實驗

為了驗證所設計的三維虛擬景觀能反映出真實景觀的能力，選取某一處實際景觀，利用Virtual Reality Platform軟件，分別使用文中方法和傳統(tǒng)方法進行三維景觀虛擬設計，檢驗兩種設計下三維虛擬景觀的藝術效果。

3.1? 實驗準備

搭建實驗用的仿真測試平臺，硬件設施包括大型三維立體液晶顯示屏、圖形工作站、計算機、立體眼鏡、掃描儀、數(shù)碼相機、攝像機等。設置該實驗平臺中的各項參數(shù)如表1所示。

同時進行實驗參數(shù)設置，結果如表2所示。

參數(shù)設置完畢后，對進行虛擬設計的場景進行數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計，包括紙質地形圖、建筑構造圖、占地現(xiàn)狀圖等數(shù)據(jù)。利用掃描儀對該景觀的地形圖紙等進行掃描，將得到的數(shù)據(jù)上傳到實驗平臺中，建立三維場景虛擬景觀模型，并將場景模型導入3ds MAX軟件中。

為了更好地區(qū)別兩種設計方法下的三維虛擬場景，劃分了10個不同的場景，詳細數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3中的景觀數(shù)據(jù)，進行景觀三維虛擬設計，根據(jù)得到的設計圖像進行效果分析。

3.2? 結果分析

將文中提出的虛擬設計效果圖作為實驗組，傳統(tǒng)設計下的虛擬效果圖作為對照組，得到如圖4、圖5所示的景觀虛擬效果設計圖。

通過對比圖4、圖5可知，實驗組中的虛擬場景內部結構清晰、色彩渲染合理、逼真度高，給人的視覺效果更好;而傳統(tǒng)設計方法下的對照組中，內部結構不清晰、色彩融合度較低，沒有給人三維的視覺沖擊感。針對這兩組虛擬設計效果圖，對其中的5處藝術效果進行統(tǒng)計，結果如表4所示。

根據(jù)表4計算得到的結果可知，對實驗組的藝術效果均在95%，平均結果為95.86%;而傳統(tǒng)設計下的對照組藝術效果均在90%，平均值為89.3%，比所提虛擬設計的藝術效果低了6.56%。

4? 結? 語

本文提出的基于三維虛擬景觀的建模和虛擬設計，更加注重景觀模型之間的匹配度，利用邊緣相關性種子點匹配方法，將景觀虛擬圖像按照其特點和屬性進行分割，實現(xiàn)虛擬景觀在室內和室外兩方面的虛擬設計，提升虛擬成像的藝術效果。通過研究結果表明，所設計的景觀虛擬成像效果色彩鮮明、造型逼真、結構清晰，有更高的應用價值。但當前的設計還不夠完善，在動態(tài)瀏覽上還要進行進一步優(yōu)化。

注：文本通訊作者為朱文耀。

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