3D MAX 在城市虛擬現實建模中的應用

夏 蕾

（武漢商業服務學院信息工程系，湖北武漢，430056）

在城市規劃領域，傳統的規劃方法以及管理手段已經不能夠滿足現在城市建設的需求。過去的二維信息展示方式不能夠滿足人們對信息獲取的需要，三維信息現實方式正逐漸成為信息展示的主流方向。隨著計算機技術以及測繪技術的不斷發展以及有效結合，三維虛擬現實技術得到了廣泛的關注，在城市規劃以及項目展示中得到了成功運用。3D MAX 是Discreet 公司開發的基于PC 系統的三維動畫渲染和制作軟件，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。本文著重探討其在城市虛擬現實建模中的應用。

1 虛擬現實的簡介

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。在80年代，由Jaron Lanier 最先提出了"虛擬現實"VR 的觀點，目的是為了建立一種新的用戶界面，創造出一種“親臨其境”的感覺。

虛擬現實具有以下幾個基本特征：①浸沒感：也稱之為臨場感，最為理想的模擬環境應該使用戶難以分辨其真假，使用戶能夠全身心的投入到計算機創造的三維虛擬環境中，該環境中的一切事物看上去、聽上去、聞上去以及動起來都是真的。②構想性：具有可想象的空間，能夠拓寬人類認知范圍，可以構想客觀不存在的環境。③多感知性：理想的建模環境應該具備人類所具有的感知功能，包括：觸覺、聽覺、力覺以及運動，甚至是嗅覺、味覺感知等。

④交互性：例如用戶能夠用手區直接抓取模擬環境中虛擬的物體，有一種握著的感覺，并且還能夠感覺到物體的重量，被抓的事物也能夠隨之而移動。

2 城市虛擬現實建模前的準備

在城市虛擬現實中，應用3D MAX 的操作步驟如下圖1 所示：

圖1 城市虛擬現實的制作步驟

在城市虛擬現實建模前應該做好以下幾方面的準備工作：首先，提取建筑物的底圖。因為所獲取的整個城市片區的底圖是DWG 格式，這時就需要使用AutoCAD 將單個建筑物的輪廓線從整個城市片區圖中提取出來，從而作為建模的底圖資料。其次，增加處理紋理格式的作用。一般情況下，選用Photoshop 作為處理照片的軟件，能夠獲得比較逼真的效果，建筑紋理就能夠從相應建筑物照片中獲取。最后，將取得的建筑紋理經過相關人間處理，轉化為JPG 的格式，為下面的3D MAX 的方便應用打下基礎。

3 建模的具體實施過程

城市虛擬現實建模的實施過程從數據的采集、三維實體具體建模環節以及建立虛擬的場景環境三個方面進行的。

3.1 數據的采集

在數據的采集過程中，應該根據實際情況，從而選擇不同的分辨率以及精確度比較高的照片以及圖片。主要是包括：建筑的原始資料：原始資料主要是向有關部門進行提取，有地形圖文件、建筑單體以及大比例尺航攝圖片等，獲取這些資料過后，通過使用AutoCad 進行校正，從而得到一個區域平面圖。同時按照相關比例將獲取到的圖片制作成地形貼圖。貼圖資料：紋理也包括透明紋理以及不透明紋理。透明貼圖采用圖像處理軟件進行處理；不透明貼圖采用數字相機得到相應的數字化相片，然后采用Photoshop 進行校正處理，采用Rgb 格式存儲，建立模型紋理庫。需要注意的是貼圖的長度以及寬度必須是2 的冪次的整數，否則就不能夠獲得真實以及準確的顯示。

3.2 三維實體具體建模

三維實體的建模應該堅持的三個原則：精心構建層次結構庫；在確保建模物體的真實性以及可靠性基礎之上，減少模型所含的面數，有必要時才將模型細化；合理條件下，最大限度壓縮紋理。只要堅持以上三個原則，就能夠實現最小的數據文件、最高的圖像連續性以及較低的實施渲染跳幀率。

建模的主要內容：①城市建筑體建模：一般條件下，對于一般的建筑物，直接采用Mult iGen Creator 軟件進行建模，真實的表現出模型的基本輪廓以及結構，通過調整相關數據從而獲得不同分辨率的模型。對于具有特色的建筑，利用3D MAX 來建模，然后再利用Mult iGen Creator 軟件將3D 文件轉換，進行編輯，減少不必要的多邊形以及面。②城市地形建模：對于大面積以及地理環境比較復雜的地形，采用數字高程模型數據，選擇合適的算法建立三維地表模型，再按照與地表模型相對應的經緯度注明坐標，紋理采用正射影像圖。對于精度要求比較高的地形，一般采用航片灰度圖與地形手工圖相結合構建地形模型；對于精度要求不高的地形，采用航片灰度圖就可以自動生成地形模型。③運動著的人以及物建模：為了能夠在虛擬現實建模中實現動感，對于運動著的人以及物不應該采用簡單的貼圖，而是采用DOF 技術來實現。④小品環境建模：小品環境主要是指電話亭、路燈以及樹木這些環境，重復性比較高，因此，在虛擬現實的建模中，最大限度的減少面的使用。采用貼圖來代替細節模型，模型的屬性設置成實點旋轉，達到形象逼真的效果。

3.3 虛擬場景環境建模

當所有的模型建立完成以后，需要將其放在特定的3D 環境中，當前，使用比較普遍的就是實時場景驅動工具Vega。主要是利用虛擬現實、實時視景仿真以及其他可視化應用軟件。

4 3D MAX 在城市建筑物建模中的具體應用實例

以某城市中的建筑物做為實例來探討3D MAX 在城市建筑物建模中的具體應用。

4.1 首先，建筑物底圖的提取

因為要獲得整個片區的底圖，需要使用AutoCAD 將單個的建筑物輪廓線從整個片區的圖中進行提取，做為模型的底圖資料，如下圖2 所示：

圖2 工作底圖（DWG 格式）

4.2 處理紋理格式

在進行照片的處理過程中通常使用Photoshop 來處理照片，對圖片紋理進行處理時，應該選取有用的紋理圖片，如下圖3 所示：

圖3 某城市中心廣場花壇側面以及正面

4.3 三維模型的制作

圖4 綜合樓的三維模型

4.4 虛擬環境的建模

材質以及貼圖的添加與設置，直接性的決定了模型的真實感以及立體效果，在顯示生活中，體現一個物體的特點以及本質的就是建筑的材質，因此，在這一方面給予3D MAX 技術就能夠很好的提高模型的真實效果。某城市建筑物在建模的過程中采用3D MAX 技術對建筑物的材質以及燈光進行設置，如下圖5、圖6 所示：

圖5 添加材質后的三維模型

圖6 泛光燈照射下的三維模型

5 基于3D MAX 環境城市建模過程中的關鍵技術探討

5.1 DOF(Degr ee of Freedom) 技術

DOF(Degr ee of Freedom) 技術也稱之為自由度，該技術是一個節點，將這個插入到數據庫中，就能夠實現其運動。隨后定義一本地坐標系，使其控制的幾何體能夠圍繞坐標軸進行運動。

5.2 層次結構庫

對于建立的模型庫必須加以調整，建立一個有序以及由條例的層次機構庫，能夠快速并且準確的呈現出在實時漫游系統中的模型，同時也能夠使系統中的資源得到高效利用。

5.3 LOD(Level of Detail) 技術

LOD(Level of Detail) 技術也稱之為細節層次模型。因為對于小型的場景能夠實現流暢的實時漫游，然而，對于大型場景如果還是采取同堂的計算量，就不能夠很好的實現其流暢。然而，使用該技術能夠采用的不同精細程度的模型表示同一個物體，從而提高虛擬場景的顯示速度。

6 結束語

隨著城市規模的不斷擴大，3D MAX 技術在城市虛擬現實建模中的應用也越來越廣泛，因此，必須正確掌握3D MAX 的操作方法以及使用技術，創造“親臨其境”的虛擬環境。該技術具有比較大的造型能力，并且膠容易掌握，同時運行比較方便，掌握其技術，具有廣泛的使用價值。

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