基于虛擬現(xiàn)實的三維小區(qū)仿真設(shè)計

摘要：利用3DS MAX三維技術(shù)，通過仿真小區(qū)建筑、道路、綠地、公共設(shè)施等模型，對社區(qū)設(shè)施與環(huán)境進行了虛擬再現(xiàn)。對小區(qū)平面地圖的獲取、社區(qū)二維平面圖形的創(chuàng)建、小區(qū)數(shù)據(jù)的采集以及小區(qū)三維模型的構(gòu)建等方面進行了介紹，重點闡述了在3D環(huán)境下三維模型的創(chuàng)建及材質(zhì)、燈光的設(shè)置等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：3DS MAX；三維小區(qū)；仿真；構(gòu)建；仿真設(shè)計

0 引言

計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)有了很大的發(fā)展空間。不論是室內(nèi)仿真技術(shù)還是室外仿真技術(shù)，3ds max都有著其獨到的優(yōu)勢。本文將從小區(qū)資料的收集、底圖的生成、三維模型的創(chuàng)建、三維貼圖的使用、場景中燈光設(shè)置到小區(qū)三維仿真渲染輸出等方面介紹三維小區(qū)的仿真設(shè)計技術(shù)。具體設(shè)計流程如圖1所示。

1 平面底圖的制作

二維平面圖形的制作好壞直接影響三維圖形的效果。三維小區(qū)的仿真基于小區(qū)的二維平面圖形，而平面圖形的形狀及比例決定了小區(qū)三維仿真的比例及位置的真實性與準(zhǔn)確性。

為了得到真實的小區(qū)二維圖形，可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取相應(yīng)小區(qū)衛(wèi)星圖片作為創(chuàng)建三維小區(qū)的底圖。如通過單擊谷歌網(wǎng)站(http：／／wwwgoogle.cn)中的“地圖”按鈕，打開“Goog|e地圖一Windows In／ernet Explorer”網(wǎng)頁，選擇“衛(wèi)星”地圖，從打開的網(wǎng)頁中找到相應(yīng)的小區(qū)衛(wèi)星地圖，再通過截圖軟件就可截取小區(qū)地圖部分。在截圖中應(yīng)注意地圖的實際比例，準(zhǔn)確掌握小區(qū)實際面積的大小及相關(guān)建筑物與其他三維實體、道路、花壇、綠地等所占面積信息。

2 原始數(shù)據(jù)的收集、整理

小區(qū)數(shù)據(jù)的采集任務(wù)艱巨，工作量大。它包括獲取建筑物外觀圖片、各種三維圖形的外觀材質(zhì)與貼圖及其他一些實景圖片。材質(zhì)包括建筑物外墻材質(zhì)、玻璃材質(zhì)、門窗材質(zhì)、路面材質(zhì)、屋頂材質(zhì)、草坪與花壇材質(zhì)及其他一些必要的材質(zhì)等。材質(zhì)與貼圖的獲取可以通過數(shù)碼相機進行實景拍攝或其他的一些途徑獲取。實景模型包括小區(qū)的建筑、道路、人文景觀、綠化、運動設(shè)施、服務(wù)設(shè)施、生活設(shè)施及其他一些公共輔助設(shè)施等模型。小區(qū)面積往往不大，在獲取建筑外觀圖形時應(yīng)盡可能地從不同的方位和角度進行拍攝，包括房頂圖片的獲取。要做到圖片拍攝清晰、完整，建筑物輪廓清楚。圖片一定要合理地編號，使圖片拼湊起來方便、快捷，準(zhǔn)確，能完整地表達(dá)建筑物的外觀輪廓，為較好地構(gòu)建三維小區(qū)奠定良好的基礎(chǔ)。

3 材質(zhì)、貼圖的形成

3ds Max中有很多種貼圖方法，最簡單的是利用位圖。在三維小區(qū)的制作中，位圖是較為常用的一種二維貼圖。大部分模型的表面貼圖都需要與現(xiàn)實中的實體相吻合，而這一點通過其他程序貼圖是很難實現(xiàn)的。也許通過程序貼圖可以模擬出一些紋理，但也與真實的紋理有一定差距。在3ds max中選擇以數(shù)碼相機拍攝獲取的位圖作為三維對象的貼圖。具體制作過程如下：從實地拍攝的數(shù)碼相片中選取合適角度的照片在Photoshop中進行拉伸扭曲，得到所需貼圖單元，保存為JPg格式，需要貼圖時直接調(diào)用即可。

4 三維模型的創(chuàng)建及材質(zhì)貼圖的使用

4.1 三維模型的創(chuàng)建

4.1.1 單位及標(biāo)高的設(shè)置

4.1.1.1 單位曲設(shè)置

構(gòu)建三維小區(qū)的關(guān)鍵就是構(gòu)建小區(qū)的三維模型，特別是構(gòu)建三維建筑模型。在3DS MAX中創(chuàng)建三維模型前，首先應(yīng)在該軟件中設(shè)置好單位比例，如：將顯示單位比例設(shè)置為公制中的“米”，系統(tǒng)單位設(shè)置為毫米。

4.1.1.2 標(biāo)高的設(shè)置

標(biāo)高是構(gòu)建三維模型的—個參照高度，它包括樓層標(biāo)高及整個建筑物總體標(biāo)高。這兩個標(biāo)高都應(yīng)該控制好，在實際構(gòu)圖中應(yīng)嚴(yán)格按要求設(shè)計樓層標(biāo)高。在制作標(biāo)高時，一般普通樓層為3.5米高，商住樓(底座一樓)考慮4米高，其它層次考慮3.5米高。

4.1.2 在3DS MAX中使用小區(qū)衛(wèi)星地圖作為底圖參考物

在3DS MAX中創(chuàng)建三維小區(qū)，首先要保證在3ds max中有小區(qū)衛(wèi)星地圖。使用衛(wèi)星地圖作為創(chuàng)建三維小區(qū)的底圖參考物方法如下：在3DS MAX中，根據(jù)衛(wèi)星地圖的形狀及大小，創(chuàng)建一個平面圖形；然后打開“材質(zhì)編輯器”對話框，選擇一個空白材質(zhì)球，選擇Blinn明暗器，單擊“Blinn基本參數(shù)”中的漫反射后面的“None”按鈕，打開“材質(zhì)／貼圖瀏覽器”對話框，從列表中雙擊“位圖”，打開“選擇位圖圖像文件”對話框，找到存放小區(qū)衛(wèi)星地圖的文件夾并打開小區(qū)衛(wèi)星地圖；最后將材質(zhì)球拖放到前面所創(chuàng)建的平面圖形上，該平面圖形上就出現(xiàn)了小區(qū)衛(wèi)星圖片，然后以該平面圖形作為創(chuàng)建三維小區(qū)模型的依據(jù)進行構(gòu)圖。

4.1.3 虛擬三維建筑模型

在創(chuàng)建三維建筑模型時，首先要在小區(qū)平面圖形上找到需要制作的三維建筑圖形的位置，用3ds max創(chuàng)建及編輯命令創(chuàng)建出形狀相似的三維圖形，然后對照數(shù)據(jù)采集表中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，如建筑實體的照片進行建模。

創(chuàng)建三維模型的方法很多，如網(wǎng)格建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等。構(gòu)建三維小區(qū)模型最好選擇多邊形建模方法，因為這種方法比較方便、靈活，也能滿足構(gòu)圖要求。

在構(gòu)建三維實體模型的過程中，三維模型的方位應(yīng)與小區(qū)的實際方位一致。首先，在小區(qū)平面圖形上找到需要創(chuàng)建的三維模型的位置。如果該模型的輪廓形狀比較規(guī)則，可以直接在該位置上創(chuàng)建一個與建筑物輪廓大小相當(dāng)?shù)拈L方體，并將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形；如果建筑物的外形不規(guī)則，可以在“創(chuàng)建”命令面板中的“圖形”面板中選擇“線”命令來勾畫出建筑物的輪廓形狀，然后添加一個“擠出”修改器，擠出的高度為建筑物所要求的高度值。根據(jù)該建筑物的外墻材質(zhì)要求，先給外墻賦予相應(yīng)的材質(zhì)，然后將賦予了材質(zhì)以后的建筑物轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形。右擊“透視圖”的文字“透視”，從彈出的菜單中選擇“邊而”命令，然后利用“可編輯多邊形”的子層次對象中的點、邊、邊界、多邊形、元素等對多邊形進行編輯。選擇編輯多邊形命令中“邊”子對象，使用“編輯邊”卷展欄中的“連接”命令將多邊形分出與該建筑物相同的樓層、利用“切角”命令分出墻體與窗戶的高度值，再一次使用連接命令分出建筑物的單元數(shù)，綜合使用“可編輯多邊形”中的其他子對象層級編輯出陽臺、窗戶、門、樓頂?shù)炔糠帧Ｗ⒁庠诰庉嬤^程中，應(yīng)給不同的對象賦予材質(zhì)，然后再一次將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形后繼續(xù)進行編輯，直至最終編輯出三維模型。

4.1.4 小區(qū)道路的創(chuàng)建

根據(jù)小區(qū)平面圖形的路徑顯示，首先在“創(chuàng)建”命令面板中用“線”命令勾勒出道路的大致輪廓形狀，并將該輪廓線轉(zhuǎn)換為“可編輯樣條線”；然后切換到“修改”命令而板，利用“可編輯樣條線”命令中的頂點、線段、樣條線等次層級對象進行編輯操作，使道路的輪廓形狀與實際道路的輪廓形狀一致；添加一“擠出”修改器將道路輪廓擠出一定的值后就完成了小區(qū)道路模型的建模；最后給小區(qū)道路賦予相應(yīng)的材質(zhì)。

4.1.5 小區(qū)花壇的創(chuàng)建及綠化

在虛擬系統(tǒng)中，小區(qū)的綠化也是一項非常重要的工程，它包括花草、樹木等，這些對象都有一個共同的特點，即重復(fù)性高。在虛擬系統(tǒng)中，花壇的建模應(yīng)盡可能使比較少的面。獲得盡可能少的面的方法是在建立模型時使用合適的方式。當(dāng)把貼圖賦給模型時，也應(yīng)該使用最少的面。這類模型在構(gòu)建時主要用二維的模型結(jié)合透明貼圖來創(chuàng)造出三維的模型效果，即用貼圖來代替細(xì)節(jié)模型。樹木可以直接從“創(chuàng)建”而板的“幾何體”中的下拉列表選“AEC擴展”進行創(chuàng)建。在“AEC擴展”中單擊“植物”按鈕，選擇相應(yīng)的樹木，然后根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)匦薷膮?shù)。

4.1.6 小區(qū)其他公共設(shè)施的創(chuàng)建

小區(qū)公用設(shè)施的創(chuàng)建主要包括道路、電話亭、垃圾箱、照叫路燈、健身娛樂設(shè)施、公告牌、生活服務(wù)設(shè)施、庭院其他景點等的創(chuàng)建。對這些對象，同樣可以采用多邊形命令進行創(chuàng)建。

4.2 材質(zhì)貼圖的使用

建立模型之后的工作就是給模型賦予材質(zhì)和貼圖，如果將模型比作骨架的話，貼圖好比我們的衣裝，可以為整體造型添彩潤色。3DS MAX中最簡單的是Bitmap貼圖，除此之外還有多種貼圖形式。

給對象賦予材質(zhì)時，在“UVW貼圖修改器”的參數(shù)卷腱欄中有7種不同的貼圖坐標(biāo)指定方式，即平面、柱形、球形、收縮包裹、長方體、面、XYZ到UVW等，可以將不同模型看成這七種貼圖坐標(biāo)的近似形狀，根據(jù)模型的形狀選擇相近的貼圖方式坐標(biāo)。因為小區(qū)模型大多數(shù)建筑都是呈矩形，因此box與planar兩種方式比較常用，如建筑物的外墻面就是用box方式來貼圖。box與planar通常還用在重復(fù)的無縫貼圖上而。窗戶的重復(fù)率最高，可使用重復(fù)貼圖法完成整棟樓的窗口貼圖Cylindrical貼圖方式則常用在圓柱面的貼圖上。

在給對象賦予材質(zhì)并選擇相應(yīng)的貼圖坐標(biāo)后應(yīng)，往往可發(fā)現(xiàn)貼圖的形狀并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，為此可作如下處理。

在修改器列表中選擇UVW展開，即添加一個“UVW展開”修改器，在其“參數(shù)”卷展欄中單擊“編輯…”按鈕，打開“編輯UVW\"窗口。在“編輯UVW”窗口下方單擊“而子對象饃式”按鈕，選擇“貼圖”菜單一p的“展開貼圖”菜單，打開“展開貼圖”對話框，從下拉列表中選擇“移動到最遠(yuǎn)的面”后確定?？蜻x“編輯UVW”該窗口中的所有面，并移動所選擇的面，直到在透視圖中看到滿意的效果為止。

對于材質(zhì)中的二維貼圖，物體就必須具有貼圖坐標(biāo)。這個坐標(biāo)確定了二維貼圖以何種方式映射在物體上，它不同于場景中的XYZ坐標(biāo)系，它使用的是uv或uvw坐標(biāo)系。

UnwrapUVW貼圖方式一般用于較復(fù)雜的模型貼圖，因為它能夠自定義UVW坐標(biāo)的位置，所以能夠把幾幅圖片都集成在一張貼圖上面，這樣能省下不少資源。

5 場景的燈光設(shè)置

燈光對場景的基調(diào)和氣氛起著決定性的作用，可以說燈光是場景的靈魂。通常情況下，場景設(shè)計的目標(biāo)是相當(dāng)復(fù)雜的，如為表現(xiàn)一種意境、一種狀態(tài)、一種情感或一種關(guān)系等，借助于燈光能為場景提供更大的深度和更廣闊的想象空間，展現(xiàn)豐富的層次。在設(shè)置燈光時，應(yīng)首先設(shè)置主光源，再增加輔助光源來增強真實感。恰當(dāng)?shù)臒艄庹丈淇梢愿淖儾馁|(zhì)的效果，增加場景的重演效果。這種效果不僅僅是在場景的某一位置添加照明，而且可以增加場景的感官效果，使場景充滿生機。

一般來說主光源應(yīng)該與視角(攝象機)呈15-45度角，目標(biāo)點指向主題物體；在側(cè)視圖中，光源位置要高出視角(攝象機)15-45度。輔光的位置在頂視圖上看與主光應(yīng)該是相對方向的。背光在前視圖中一般在主題物體的后面，與視角(攝象機)相對；在側(cè)視圖中放置的位置要超過主題物體的高度一些。

6 仿真渲染輸出

經(jīng)過以上流程，小區(qū)立體圖基本形成，下一步就是輸出圖像，并將它以jPg格式保存。3DS MAX渲染得到的圖象顏色通常較生硬，畫面缺乏層次感，所以，利用photoshop強大的圖形修飾功能對小區(qū)立體圖進行修飾，從而得到一理想的三維小區(qū)仿真設(shè)計效果圖。

7 結(jié)束語

采用3DS MAX軟件可直觀地實現(xiàn)三維小區(qū)的設(shè)計與仿真。從小區(qū)資料的收集處理、底圖生成、模型創(chuàng)建、貼圖使用、燈光設(shè)置到小區(qū)仿真渲染輸出等方面的實現(xiàn)過程并不復(fù)雜，可以看出，3DS MAX軟件功能之強大。相信以后虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會突飛猛進，而3DS MAX軟件在各行各業(yè)的發(fā)展前景也將更為廣泛。