虛擬校園三維建筑模型建模方法探討

摘要: 三維建模是虛擬現(xiàn)實(shí)的核心，建模方法的選擇，模型的優(yōu)劣，直接關(guān)系到場景漫游時(shí)系統(tǒng)的性能和藝術(shù)表現(xiàn)力。本文以我校省級課題《基于VRP的虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中三維建筑模型創(chuàng)建為例，對比不同的建模方法，探討如何選擇合適的三維建模方法，使三維建筑模型更符合虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞: 虛擬校園設(shè)計(jì)三維建模建模方法比較

一、前言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人通過必要的裝置，可以對虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)代表著未來的計(jì)算機(jī)交互界面，是一種完全沉浸式的交互界面。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、軍事、航空、制造業(yè)、建筑、教育、娛樂等眾多領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)人的沉浸感，其中最核心的問題是場景建模技術(shù)。VR場景中的物體一定要逼真，讓人看到它們就會與現(xiàn)實(shí)的相關(guān)物體聯(lián)系起來，這就要求物體的幾何造型、材質(zhì)、光影效果等與現(xiàn)實(shí)世界的物體一致。現(xiàn)在人們通過不少方法和途徑來實(shí)現(xiàn)這一目的，3DS Max和Maya是主要的三維場景建模軟件。

二、我校實(shí)現(xiàn)虛擬校園設(shè)計(jì)

基于VRP的虛擬校園，被定義為對現(xiàn)實(shí)學(xué)校三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，是一個(gè)基于現(xiàn)實(shí)學(xué)校的三維虛擬環(huán)境，用于支持對現(xiàn)實(shí)學(xué)校的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展。在這個(gè)平臺上我們可以設(shè)計(jì)、開發(fā)基礎(chǔ)服務(wù)，其中系統(tǒng)漫游是比較重要的一個(gè)模塊，其前提就是三維建模。在我校省級課題《基于VRP的虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中，均采用了3DS Max軟件完成校園內(nèi)各場景的建模。

三、建模方法比較探討

我們在建模之前必須有一個(gè)詳細(xì)的規(guī)劃，前期我們?nèi)绻粚鼍暗哪Ｐ瓦M(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)就需要重新回到3DS Max里重新修改模型，這樣就大大降低了工作效率。

下面以我校虛擬校園室外建筑模型為例，比較兩種不同的建模方法。

方法一:局部—整體。

思路:將CAD文件導(dǎo)入3DS Max，使用捕捉工具，分別創(chuàng)建模型的各個(gè)組成部分，類似于搭積木，然后優(yōu)化模型，最后塌陷，使之成為整體。

室外建模工作量比較大，我們首先必須看懂各種CAD圖紙，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的CAD圖紙來創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的模型，最后進(jìn)行材質(zhì)、燈光、烘焙等操作。我們的具體操作步驟如下:

第一步:整理CAD圖紙，把各個(gè)立面獨(dú)立出來，清除不必要的標(biāo)注、多余的內(nèi)部結(jié)構(gòu)線條等，然后保存為獨(dú)立的CAD文件。使3DS Max文件的場景的尺寸與系統(tǒng)尺寸和要導(dǎo)入的CAD的圖的尺寸一致。

第二步:將整理好的各個(gè)立面的CAD文件導(dǎo)入，分別繪制立面模型，再合成整個(gè)模型。

在操作時(shí)打開捕捉工具，以創(chuàng)建墻體為例，根據(jù)CAD圖紙繪制墻體的外框，然后擠出得到墻體。門框的處理與之相似，先繪制一個(gè)門框的二維線框架，在“Segment”級別下刪除門框下邊的線段，設(shè)置門框的寬度，接著將該二維線條轉(zhuǎn)換成“Poly”物體，在“Poly”的“Edge”級別下選擇門框內(nèi)邊，在按住Shift鍵的同時(shí)拖動鼠標(biāo)以復(fù)制該邊得到門框的厚度。

其他如窗、陽臺等，分別按CAD圖紙輔以捕捉工具創(chuàng)建。各立面創(chuàng)建完成后，再利用捕捉工具對齊。

第三步:逐一選擇物體將其轉(zhuǎn)換成“Mesh”或“Poly”，然后切換到“Polygon”級別下將各個(gè)物體之間的看不見的面、重疊的面和相交的面都刪除，再把相同材質(zhì)的模型塌陷到一起。最后將導(dǎo)入的CAD圖形刪除。

用這種方法建立的模型(模型為雙面)面數(shù)比較多，并且在制作的過程中對象間要進(jìn)行頻繁的對齊操作，此外需占用相當(dāng)多的系統(tǒng)資源，若要對模型進(jìn)行修改，修改的工作量比較大。

使用該方法創(chuàng)建的我校體育館模型，由9個(gè)模型組成，共15327個(gè)面(如圖1)。

方法二:整體—局部。

思路:根據(jù)CAD圖紙，使用多邊形擠出的方法，從整體不斷分離創(chuàng)建出新的模型，最終形成整個(gè)模型。

使用該方法創(chuàng)建模型，前期的準(zhǔn)備工作比較重要，必須仔細(xì)研究建筑本身和CAD圖紙，考慮如何從整體出發(fā)，分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)組成部分的模型創(chuàng)建。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)清晰的思路會提高操作的可行性和效率。

以我校體育館模型為例，它實(shí)際由體育館和游泳館兩部分組成，其外部形態(tài)和貼圖不盡相同，所以在具體操作時(shí)我們可分別實(shí)現(xiàn)。

第一步，根據(jù)CAD圖紙，按實(shí)際尺寸，創(chuàng)建一個(gè)“Box”并轉(zhuǎn)化為“Poly”作為體育館一層整體，然后用多邊形擠出的方法構(gòu)建其余樓層，得到大概模型輪廓。

第二步，制作細(xì)節(jié)部分。比如在創(chuàng)建一樓門、窗、臺階等部分時(shí)，先選中有關(guān)的邊，進(jìn)行連接操作并設(shè)置切角量，根據(jù)實(shí)際情況選中多邊形執(zhí)行多邊形擠出等操作，最后將其從整體分離出去。

舉一個(gè)簡單例子，我們可以將一個(gè)多邊形作為臺階的初始對象，連接左右邊，然后分別選中多邊形擠出。如圖2-4:

用相同的方法創(chuàng)建各對象，包括樓門、窗、臺階、雨篷、走廊等。

第三步:將材質(zhì)相同的對象塌陷到一起，減少模型個(gè)數(shù)，便于后續(xù)貼圖操作。

使用這種方法建立的模型(模型為單面)面數(shù)比較少，并且在制作的過程中對象間不必進(jìn)行對齊操作，若要對模型進(jìn)行修改，修改的工作量比前一種方法少很多。

使用該方法創(chuàng)建的我校體育館模型，由6個(gè)模型組成，共5333個(gè)面(如圖5)。

比較兩種方法的實(shí)際操作，第一種方法容易上手，在模型制作初期效率比較高，但是隨著模型個(gè)數(shù)越來越多，對齊操作也比較頻繁，容易出錯(cuò)。有時(shí)遇到設(shè)計(jì)圖和實(shí)際建筑細(xì)節(jié)方面不符合的情況，我們使用捕捉工具輔助創(chuàng)建模型，反而會造成很大的困擾。由于模型面數(shù)比較多，我們必須把一些不必要的面刪除，如果還要對模型進(jìn)行修改，修改的工作量是相當(dāng)大的。

使用第二種方法，雖然在創(chuàng)建模型之初我們要花一定的時(shí)間分析如何下手，但只要理清操作思路，效率是比較高的。用這種方法創(chuàng)建的模型，不需要進(jìn)行對齊操作，面數(shù)相對要少很多，符合虛擬校園三維模型的要求。如果模型完成后需要修改，修改的工作量較少。當(dāng)模型全部完工并制作好貼圖后，我們明顯感覺用第二種方法制作的模型精細(xì)程度更高。

四、結(jié)語

由于虛擬校園各場景建模的工程量比較大，選擇相對高效的建模方法，對節(jié)省系統(tǒng)資源、模型集成和場景漫游有著重要的意義。本文僅以建筑模型的創(chuàng)建為例，除了建筑物，其他輔助設(shè)施也是必不可少的，包括道路、植物、人物、車輛等，這些三維模型的創(chuàng)建有著不同的方法和技巧。目前，我校《基于VRP的虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課題組在學(xué)校各方面的配合支持下，已取得了階段性成果，我們將在實(shí)踐中不斷摸索虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維建模。

參考文獻(xiàn):

[1]萬寧，馮梅.關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維可視化建模技術(shù).應(yīng)用技術(shù)，2007.1，(1).

[2]余莉，王乘.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字校園三維仿真系統(tǒng).計(jì)算機(jī)仿真，2004，VOL21，(4).

[3]董浩明，陳建國，葉儉建，陳定方.虛擬現(xiàn)實(shí)建模方法研究.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.6，VOL20，(3).

[4]陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法研究.重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007.10，VOL24，(4).