基于3D MAX的虛擬場景設計與研究

聞燕豪 陳 峰

（山東省煤田地質局 物探測量隊，山東 泰安 271021）

0 引言

三維模型獲取是計算機圖形學和計算機視覺領域的一個基本研究問題。然而，利用建模軟件(比如3D MAX和Maya等)手工進行三維模型構建是一項十分繁瑣和代價昂貴的工作。因此，研究如何從現實世界直接和快速地獲取三維模型，成為該領域的熱點研究問題。目前，現實物體的三維結構獲取作為一種數字存儲和記錄技術，在物體建模、場景建模、真實感繪制、機器人導航、目標識別和三維測量等科學和工程領域以及考古學、廣告、娛樂等其他文化領域有廣泛的應用需求。

1 研究現狀

客觀世界在空間上是三維的，而現有的圖像采集裝置所獲取的圖像是二維的。盡管圖像中含有某些形式的三維空間信息，但要真正在計算機中使用這些信息進行進一步的應用處理，就必須采用三維重建技術從二維圖像中合理地提取并表達這些三維信息。三維重建技術能夠從二維圖像出發構造具有真實感的三維圖形，為進一步的場景變化和組合運算奠定基礎，從而促進圖像和三維圖形技術在航天、造船、司法、考古、工業測量、電子商務等領域的廣泛深入的應用。

1.1 三維信息的獲取

三維信息獲取的技術手段多種多樣，通常，人們獲取物體三維模型的方式有三種:第一種方式利用建模軟件構造三維模型；第二種方式通過儀器設備獲取三維模型；第三種方式利用圖像或者視頻來重建場景的三維模型。

圖像是二維數據，但是在關于某一場景或物體的一幅或者多幅圖像中可以找到許多線索，從中人們能夠推知圖像所記錄的場景或物體的幾何信息。這些線索包括物體邊與邊之間的幾何關系、兩幅圖像的視差關系、兩幅圖像中特征點的對應關系以及物體輪廓信息等等。這些線索是場景中物體所具有的，稱為“被動線索”。有時候根據需要還可以創造線索，如在物體表面上用光線打上條紋或者制造出陰影，這樣的人造線索稱為“主動線索”。

對于使用主動線索的方法而言，又可以分為以下兩類。第一類利用場景中已知形狀的物體或者某些簡單幾何元素之間的關系進行建模。第二類使用物體的輪廓信息，物體在圖像上的輪廓是理解物體幾何形狀的一個重要線索。

對于以上所述可以用圖1來表示。

圖1

1.2 3D MAX軟件

3D是three-dimensional的縮寫，就是三維圖形。在計算機里顯示3D圖形，就是說在平面里顯示三維圖形。不像現實世界里，真實的三維空間，有真實的距離空間。人眼有一個特性就是近大遠小，就會形成立體感。計算機屏幕是平面二維的，我們之所以能欣賞到真如實物般的三維圖像，是因為顯示在計算機屏幕上時色彩灰度的不同而使人眼產生視覺上的錯覺，而將二維的計算機屏幕感知為三維圖像?；谏蕦W的有關知識，三維物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色，而凹下去的部分由于受光線的遮擋而顯暗色。這一認識被廣泛應用于網頁或其他應用中對按鈕、3d線條的繪制。

2 三維場景的制作

三維場景的制作主要分8個步驟：

（1）方案分析：按照設計草圖確定各部分的尺寸、材料、樣式以及方案的風格、色調，還要準備一些照片或圖片為參考。方案分析時還要確定建模的順序和方法、燈光布置的初步方案，并確定哪些需要在3DMAX完成，哪些需要在photoshop中調整及合成。

（2）創建框架：這一步是為確定視角做準備，模型應該盡量精簡，但各部分的距離和比例關系應該準確。

用頻移特性求調幅信號f(t)cosω0t和f(t)sinω0t的頻譜。寫出信號的表達式f(t)=u(t+1/4)-u(t-1/4)，ω∈[-8π，8π]

（3）建立攝像機：首先要確定攝像機的視角，視角應突出空間的特點，位置和方向應盡量開闊。

（4）精確建模：建模應在攝像機的視野范圍內做，看不到的部分不用建模。模型的復雜程度應在滿足效果的情況下，越簡單越好，模型過于復雜，在展示效果圖中看不出差別，白白增加了建模和修改的時間以及電腦渲染的時間。

（5）編輯材質和貼圖：在3DMAX中材質與貼圖的建立和編輯都是通過材質編輯器來完成的。并且通過最后的渲染把它們表現出來，使物體表面顯示出不同的質地，色彩和紋理，材質在三維模型創建過程中是至關重要的一環。

（6）設置燈光：打燈光時應盡量參考類似空間的照片或圖片的燈光效果，而不要憑空想象。用3DSMAX里的燈光模擬出真實光線的效果，并要考慮畫面的藝術效果。

（7）渲染輸出：確定渲染輸入的尺寸大小，該大小將決定圖像的用途以及清晰程度。

（8）后期處理：渲染合成展示效果圖并在photoshop中修改亮度、對比度以及細膩的光影變化，還要加上人物、植物、小飾品等配景。這些部分在photoshop中做既省事又出效果。增加配景時又要注意，樣式、顏色和風格應與整個空間協調統一，還要考慮畫面的構圖。

三維場景的制作步驟如圖2所示。

圖2

3 案例分析

本次建模樣本位于山東省煤田地質局物探測量隊(山東中煤物探測量總公司），地址:山東省泰安市泰山大街西段，此次我要做的內容是辦公大樓的三維立體建模。

3.1 基本框架的建立

首先修改系統單位，以方便數據之間的轉換，將辦公大樓的CAD底圖導入3DMAX中，根據平面圖的二維樣條線生成三維模型，用擠出或切片的方法先建立出辦公樓的基本框架?；究蚣苋鐖D3所示：

圖3

3.2 材質編輯

在辦公樓的粗模建立起來以后，要用之前對模型各個角度拍攝之后的照片，對這些照片用photoshop進行分析處理編輯，切出關鍵部位，對模型進行材質的粘貼，需要注意的是這些圖片的大小必須都為2的冪次方，部分所需貼圖如圖4所示。

粘貼材質之后的效果渲染圖如圖5所示。

3.3 燈光的設定

在燈光布置階段，只需按照實際燈光的位置和類型進行布置即可，架設上燈光之后的四個視圖如圖6所示：

圖4

圖5

圖6

3.4 后期處理

用Light scape進行渲染，首先是燈光的定義，包括日光的窗口定義和日光的強度等，然后調整各個材質的參數，準確定義物體的物理屬性，再進行光能分析計算，再進行各項參數的仔細調整，最后渲染輸出，調整圖像的亮度、顏色、飽和度、對比度，修補渲染中留下的缺陷，加入室外的配景，最后完成作品，經過渲染調色之后的圖片如圖7所示。

圖7

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