環境虛擬化及路徑漫游的實現

唐雪梅 王佳佳 何小龍

摘 要：本文以我校一實驗中心為現實模型，應用三維場景建模技術，實現路徑漫游。介紹了制作的思路和實現過程，給出了部分圖片。通過實踐，總結出了針對初學者三維建模時應注意的事項、常見問題及原因。3DSMAX2010、V-Ray Adv 2.10.01、AE、PS作為本項目所涉及軟件，3DSMAX-建模、VR-渲染、PS-圖片處理、AE-合成漫游動畫。目的是探討三維場景建模技術，激發濃厚的學習興趣。

關鍵詞：環境虛擬化；路徑漫游；渲染；紋理

引言

隨著時代的發展，環境虛擬化與漫游控制受到越來越多的重視，技術日新月異、發展迅猛。其中虛擬化的應用非常廣泛，如文物古跡、工業仿真、室內設計、城市規劃、軍事模擬、3D游戲等方面。然而這些效果的實現都得借助于一些三維軟件。本文選擇的三維軟件是3DSMAX。因為3DSMAX在建模渲染中比傳統的計算機輔助設計軟件，如pro/E、UG、Solidworks具有操作簡單，入門快、輸出效果更真實等優點[1]。應用3DSMAX材質與貼圖技術能夠讓建模物體具備顏色、質感等逼真視覺效果，讓模型呈現出真實、多彩的魅力[2]。

1 場景建模

實驗中心包括大小共18個室內場景和一個室外場景（走廊）如圖1所示。具體步驟和實現流程如圖2所示。建模第一階段：把每個場景的框架建立好，再按實際排列好如圖3；第二階段：細化每個場景內部組成如圖4（4號實驗室內部情況）。

圖1 實驗中心分布圖

圖2整個場景實現流程圖

第一階段制作三維墻體模型：頂視圖創建一個矩形，拉伸3000mm轉換成可編輯多變形刪除底面，利用殼Shell修改器命令設置厚度為220mm，同樣畫兩個矩形充當門和窗戶，轉換可編輯樣條線，附加到一起，選中墻體點擊布爾運算（Subtraction）切出門和窗。用同樣的方法依次把每個場景的墻體模型都建立出來。

圖3 實驗中心墻體線框圖

圖4 實驗室4室內場景圖

2 場景渲染

因研究的主體是現實世界中存在的。我們需要獲得與真實場景中相同的材質肌理才能保證模型和現實相吻合。下面從采集數據、紋理貼圖、渲染材質三個步驟實現逼真效果。

2.1 數據采集

紋理數據：實驗中心建筑群里材質主要包含有4種典型材質分別是金屬紋理材質（椅腳、書柜門手、金屬門、多媒體講臺、儲物柜、護欄等）、木質紋理材質（書桌、書柜、辦公桌等）、大理石紋理材質（走廊地磚、教室地磚、廁所地磚、墻磚等）、玻璃紋理材質（玻璃窗、鏡子、燈管、儲物鏡等）；其他數據：教室里的名言警句、文字標語、掛畫等數據。

2.2 紋理映射

紋理貼圖是計算機圖形學中廣泛應用的一項重要技術并且操作簡便，僅需把采集好的材質映在模型表面，適當使用UVW貼圖命令輕微調節即可表現豐富的紋理細節。如圖5所示在沒有添加燈光的情況下只給其中的會議桌、椅子、空調模型賦予一層各自匹配的材質，紋理就表現出來了，如果加上燈光把反射屬性凸顯出來真實感就出來了。

圖5 會議室1材質貼圖

2.3 渲染材質

本文涉及到的渲染材質主要有如下兩種。多維子對象材質渲染：把模型中賦予不同貼圖的曲面設置好各自的ID號，然后選擇多維子對象材質渲染，先選擇面號再賦材質，如選擇ID號1就可給1號曲面貼材質。如筆記本電腦就會用到此材質渲染。V-Ray材質渲染效果如下：

根據電腦運行速度快慢，設置的圖像分辨率可大可小，圖4分辨率為1200×900個像素點。渲染前整個場景就是一個白模如圖3所示，沒有任何燈光和質感。渲染后有著豐富的肌理，場景頓時豁然開朗的感覺。

3 建模注意事項

3.1 建大場景時，不要在配置低的電腦上操作，避免軟件自動退出、文件丟失、文件無法打開等情況。

3.2 遇到模型建到最后發現不是想要的效果，ctrl+z可以返回，但3DSMAX回去的次數是有限制的，切勿一直按ctrl+z否則軟件會報錯，自動彈出，導致模型未能保存，只能重新建立。因此在每次比較關鍵的一步時把此刻的模型復制一次隱藏起來，如果出錯了，可以把復制的模型顯示出來，在此基礎上作修改--省時、保險。

3.3 一個視圖里的模型越多，點數和面數就越多，到后面階段電腦運行會比較慢。針對這種情況，習慣性地把需要調整的模型孤立出來，單獨對它進行操作。也可以采取隱藏不需要的模型來提升電腦當前的運行速度。

3.4 超級布爾命令不適宜多次使用，否則模型會出現很多問題，比如布爾對象消失、破面等現象。

3.5 采集圖像時大部分是普通相機拍攝的，拍攝時要求盡量保持相機的水平，避免相機鏡頭在上下方向上偏轉過大，尤其仰視拍照時圖形變形較大，不過一般拍攝的圖片都會在PS中進行處理。

3.6 在3DSMAX中圖案投影又叫圖形合并。圖案投影在實體上，應滿足的條件圖案應是樣條線，而多邊形是不能進行此命令的。

3.7 模型中已進行貼圖的MAX源文件路徑設置好后就不能夠進行移動修改，否則系統無法找到某些貼圖，提示丟失貼圖。

4 路徑約束控制器動畫制作

路徑約束動畫是通過攝像機和路徑來控制整個動畫的運轉的。首先把幀標記打開，默認是100幀，根據實際情況可以增加、減少幀數，創建一個自由相機，添加任一條曲線作為路徑，Follow勾選。采用渲染圖片序列，最后導進AE中合成動畫視頻即路徑漫游的實現。路徑約束控制器動畫是非常簡單的一種三維動畫制作方法，觀察方便、可以及時發現問題并糾正。圖8中路徑是一條沿著走廊的曲線，高度大約在1200-1500mm左右。圖9中路徑是在辦公室內畫的一個封閉的圈，環繞四周觀看。

5 初學者可能遇到的常見問題

如表1所示：

6結束語

環境虛擬化越來越來多的被采納，虛擬現實場景中的模型是實際中的物體再現，建立造型模型是構造虛擬現實場景的基礎，模型構造的質量直接影響到虛擬場景的真實感和沉浸感，一次需要根據對象的特點選取不同的建模方法[3]。隨著建模場景內容越來越多，軟件運行變慢、渲染難度增加，這也是需面臨解決的問題，還值得進一步深究。

參考文獻

[1]李強.三維虛擬場景系統研究[D].西安電子科技大學，2008（1）.

[2]曾峰.基于GIS的三維數字校園系統設計研究[D].大連海事大學，2013（5）.

[3]劉興建.肇慶工商學院虛擬校園的設計與實現[D].華南理工大學，2012（11）.

[4]徐健.三維虛擬仿真關鍵技術和示范應用[D].江西師范大學，2013（6）.

[5]黃靜，張紅忠.3dsmax在虛擬現實中的應用[J].測繪與空間地理信息，2013（2）.

[6]劉曉茜，曹衛群，張璐.3維復雜樹木場景建模及動畫制作[J].中國圖像圖形學報，2010（1）.

[7]Liying Huang，Yijian Pei.Film and Television Animation Design Based On Maya and AE. 2010 3rd International Congress on Image and Signal Processing.2010.

[8]Mark Christiansen， Adobe After Effects CS4 Visual Effects andCompositing Studio Techniques，2009-01.

作者簡介：唐雪梅（1991-），女，四川省遂寧市人，西南科技大學在讀本科生，從事工業造型與虛擬三維設計學習研究。