虛擬現(xiàn)實技術在建筑展示中的應用

沈爍

摘要：如今人們可以使用虛擬現(xiàn)實技術模擬、創(chuàng)建一個仿真的虛擬場景，從而將現(xiàn)實世界中的物體全方位的呈現(xiàn)在人們面前，這種技術可以在各個領域中發(fā)揮它巨大的作用。然而創(chuàng)建一個類似于現(xiàn)實的虛擬環(huán)境仍然是一項不輕松的挑戰(zhàn)，虛擬校園系統(tǒng)代表著其中的一個挑戰(zhàn)。通過虛擬校園，人們可以非常直觀的觀察到校園內部的景觀和設施，從而使用戶能夠更容易熟悉整個校園的概況。在本文中，我們僅通過3D max建模軟件對校園圖書館進行三維建模，并且增加部分漫游動畫來全方位展示。動畫制作主要包括教學樓的建模，材質、燈光、動畫路徑的制作、攝影機的使用。最后動畫渲染輸出。并且通過視頻編輯軟件premiere cs6對動畫進行后期合成處理。

關鍵詞：虛擬校園；3D建模；3Ds max

1前言

隨著2014年底迪士尼與漫威聯(lián)合出品的《超能陸戰(zhàn)隊》影片（參見圖1）在全球的火爆熱映，三維動畫制作再一次成為人們關注的焦點。相比于傳統(tǒng)的二維動畫，三維動畫制作起來更加系統(tǒng)化和便捷化，而且具有更真實的表現(xiàn)性。

三維動畫的制作，通俗來講就是首先依據(jù)現(xiàn)實中存在的物體或者憑空想象在計算機中創(chuàng)建出一個逼真的虛擬世界，然后在這個虛擬世界中設置一定的運動規(guī)則即可。在現(xiàn)實中許多事物的運動和變化往往不可逆轉，然而在計算機的虛擬世界中，許多軟件卻可以非常輕松的解決這個問題。所以。三維動畫在制作過程中具有非常好的容錯性和重塑性。制作三維動畫的基礎是創(chuàng)建合適的三維模型和場景。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，如今人們可以利用三維建模軟件完美的創(chuàng)建出幾乎所有現(xiàn)實中存在或者人們想象中的物體，這使得它的應用幾乎無處不在。國內已經(jīng)有許多所大學利用這項技術制作了相對成熟的虛擬校園系統(tǒng)，虛擬校園系統(tǒng)的出現(xiàn)使得用戶可以足不出戶的了解到校園內的一切景觀和構造。這項高新技術整逐漸走進國內的每一所院校。

本文主要利用3D max三維建模工具對武漢輕工大學金銀湖校區(qū)的圖書館進行建模及渲染動畫展示。為了保證相關設計的可行性，首先會在3D max軟件中對圖書館進行精細建模。其次使用V-ray渲染工具對模型上色及賦予材質貼圖，最后使用Premiere和After Effects對渲染出的動畫片段進行拼接和美化。

3D max擁有強大的三維建模功能，在收集完成圖書館的建筑資料及館藏布局后，可以在軟件中創(chuàng)建出可以任意角度觀察的三維模型。為保證場景整體的美觀度。可以在完成建模后添加相關背景和標志性的貼圖。

V-ray可以在已經(jīng)完成的三維模型上面增加類似于現(xiàn)實世界的材質和貼圖。在對模型的精美處理中比3D max自帶渲染器要更加簡便和美觀。由于3D max渲染出的動畫片段在銜接和展示上存在非常繁冗的問題，使用Premiere和After Effects可以完美的解決這些問題。

2三維漫游動畫簡介

2.1三維建模簡介

創(chuàng)建三維模型是建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境和制作三維動畫的基本前提。為了創(chuàng)建一個能使用戶感到身臨其的虛擬環(huán)境。我們需要建立一個高仿真的模型并附加上合適的場景。但是，一旦模型和場景過于精細，將導致需要處理的數(shù)據(jù)量極其冗余，這將會使虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)非常難以得到正常使用。在虛擬場景中的建模，應該在保證模型的精美真實的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量的計算，以此保證虛擬場景能夠獲得完美的運行效果和效率。

本文選用3Ds max建模工具。3Ds max是歐特克公司研發(fā)的一款基于Windows操作系統(tǒng)的計算機三維圖形軟件，它在三維制作領域被視為一種普及型的軟件。3Ds max憑借其高性價比、低配置要求、可堆疊的建模步驟等突出優(yōu)勢在數(shù)碼影視和電腦游戲行業(yè)中有著廣泛的應用，諸如：《碟中諜》、《帝國時代》、《古墓麗影》等許多深受用戶喜愛的電腦游戲都得到過它的強力支持。

在3D max工具中，有許多不同的建模方法，本文中用到的幾種有：面片建模、多邊形建模、復合建模、堆砌建模。

2.1.1面片建模

面片建模是先用樣條線勾勒出物體的形狀或者輪廓，然后使用曲面修改器編輯從而構建模型。這種建模方式常使用于建筑墻體和非線性規(guī)則物體的制作。例如在構建建筑的墻壁時，可以先使用樣條線勾畫出建筑墻面的平面輪廓圖，設置合適的樣條線厚度，然后使用“擠出”工具即可。

片面建模應用非常廣泛，在針對有一些不規(guī)則的曲面的物體進行建模有非常編輯的應用。不同于多邊形編輯器，面片修改器中將對象的組成點轉換為Bezier角點，以曲線的調節(jié)方法來調節(jié)曲面。片面細分建模在人物等有機物體建模時有著非常廣泛的用途。

2.1.2多邊形建模

多邊形建模是三維建模最常用的方法之一，使用這種方法創(chuàng)建出的模型全由直線組成，常使用于線性構造的建模。首先將一個已存在的基本模型添加可編輯多邊形修改器，然后再對該模型的最基本子對象進行編輯。已經(jīng)添加了多編輯多邊形修改器的模型存在五個子對象：頂點（Vertex），邊（Edge），邊界（Border），面（Polygon），元素（Element）。在計算機圖形學里，任何物體都可以看做由無數(shù)個點相連組成，于是改變這些點的狀態(tài)，就可以做到任何你想要的建模效果。所以，多變形建模可以完美的解決線性建模的任何需要。使用多邊形建模常需要在前、左、上三視圖中互相調節(jié)，在制作線性模型時，常常優(yōu)于其它的建模方法。

2.1.3復合建模

復合建模常用在不規(guī)則模型的細節(jié)處理上。如：蜿蜒曲折的山路，凹凸不平的平面。常用的符合建模工具有：變形、散布、水滴網(wǎng)絡、布爾、放樣、超級布爾（Proboolean）等。其中布爾運算常用在建筑窗戶孔和門孔的創(chuàng)建，它類似于三維模型之間的一種加減法則。先構建一個整體對象，然后再用這個整體對象減去不想要的部分，即可得到合適的模型。復合對象中的放樣工具也是一種非常常見的建模方式，放樣工具通常是將一個二維圖形作為截面，沿著既定的路徑復制延伸，從而得到三維圖形。

2.1.4堆砌建模

堆砌建模更像是一種對模型進行后期處理的方法。配合縮放和移動工具，它可以將各個不同對象完美的拼接為一體。

堆砌建模就如同建筑業(yè)上做房子一樣，將個體一磚一瓦的拼接成一個整體。它是建筑建模上必不可少的一種方法，即先完成各棟樓層的概況，然后合適的拼接在一起，從而完成一個整體。例如，在制作常見商品房模型時，都是首先將主樓體、樓梯、樓頂、陽臺等組成部分先完成，然后選擇合適的位置拼接成一個單元樓即可。

2.2材質和貼圖簡介

在常用的三維建模軟件中，由于初始建模的對象一般使用的都是純色材質，基本無法達到人們所需的模型的視覺效果，所以一般在完成模型的基本建模之后非常有必要對模型進行精細加工——賦予材質和貼圖。材質更像是一種使模型更加逼真的美化工具。由于人們在現(xiàn)實世界中觀察物體常常受到燈光反射、折射等各方面因素的影響，所以為了使三維模型能顯示的更加逼真，需要不斷的精細調節(jié)模型的材質。材質受到高光顏色、光澤度、折射、和透明度等諸多因素影響，在調節(jié)時應盡可能的使其更接近現(xiàn)實。

貼圖可以理解為一種特殊的材質。用戶可以使用現(xiàn)實中拍攝到的圖片附在合適的模型位置上，從而獲得完全仿真的視覺效果。

2.3三維動畫制作簡介

在3D max中，在合適的時間軸上對已完成建模和賦予材質的三維對象添加一定的軌跡和變化，即可自動生成動畫。3D max所采用的是關鍵幀動畫技術，所謂關鍵幀是指在兩個時間點上設置關鍵幀，然后軟件會對比對象在這兩個關鍵幀之間的差異從而自動生成這兩個關鍵幀中間其它幀。具體在3D max中，這種關鍵幀被描述為所選對象在該時間點的狀態(tài)，這種狀態(tài)包含所選對象的位置，大小，材質，形狀等諸多信息。然后，對比兩個時間點狀態(tài)的差異從而運算得到動畫。

由于僅通過3D max渲染得到的動畫存在許多不足之處，比如：模型內部和外部的展示動畫無法做到無縫鏈接等。所以一般情況下，都是先使用3D max渲染出各個需要展示的動畫片段。然后使用Premiere專業(yè)視頻剪輯軟件進行拼接和美化。Premiere可以在各個動畫片段中增加各種轉換特效，這樣可以使得展示動畫更加人性化和美觀。再則，Premiere還可以在已經(jīng)完成的動畫片段上增加合適的背景音樂，這也會使得動畫得到更好的觀賞和宣傳效果。

3實例展示

通過靈活運用3D max工具中的各種建模工具，我們可以很輕松的完成筆者學校圖書館的三維大體模型。然后調節(jié)逼真的材質，賦予合適的貼圖，即可使模型在表現(xiàn)上更加真實。

對于學校圖書館這種復合型的高層建筑，有計劃的分部建模是非常有必要的，之前嘗試過對漫無章法的整體建模，后來發(fā)現(xiàn)一些室內或者內嵌的對象根本無法正常建模，并且這種方法也不適合后期的檢查和精修工作。制定了詳細的分部計劃之后，設計完成的整體也比較順利。類似于一個部分、一個部分的拼接上去的，任何一個部分有了顯示BUG或者比例失調，都可以及時進行修改和重做。這使得圖書館整體建模一氣呵成，干凈利落。當然，由于專業(yè)知識及設計時間有限，在許多本應該做的更好的部分仍然存在許多我當前無法解決的問題。這些專業(yè)知識的缺失在以后的學習工作中需要逐步去填補，從而使得最終產品更加精美、真實。

在完成模型的創(chuàng)建之后，可以設置合適的背景和地面，然后使用攝像機配置軌跡進行動畫制作。攝像機分為兩種，自由攝像機和目標攝像機。相比于目標攝像機，自由攝像機具有更多樣化的拍攝手法，且調節(jié)起來更為便利。在頂視圖中畫出攝像機的運行軌跡。然后再創(chuàng)建攝像機。使用“動畫”下拉欄里的“路徑約束”工具，將攝像機約束在運行軌跡上，在“運動層級”設置攝像機狀態(tài)為“跟隨”，然后合適調整攝像機的鏡頭光圈和拍攝角度，使整個模型能籠罩在攝像機的視角內。使用了路徑約束的攝像機，就默認在場景中添加了攝像機運動視角的關鍵幀動畫，可以使用快捷鍵“C”切換攝像機視角看到。為了使環(huán)境更加和諧。可以在圖書館模型外面設置一個籠罩著的圓柱體，然后使用“法線編輯”修改器將其法線翻轉，再賦予淡藍色漸變貼圖，這樣可以在攝像機視角中營造出類似于藍天的效果。

出于使效果圖更加具有表現(xiàn)性的目的，對一些極其精細的地方并沒有精細建模（比如圖書館內部樓梯），而對于一些標志性的建筑，使用了更為夸張的材質和貼圖（比如圖書館窗戶和空中走廊）。這樣的做法在一定程度上節(jié)省了3D max軟件的內存占用量和緩解了電腦顯卡的壓力。筆者個人感覺。三維建模中。并不是所有的對象都是細節(jié)表現(xiàn)越多越好，延伸到3D max中即并不是組成對象的點或者線段越多，對象就越具有表現(xiàn)力，三維建模既是對專業(yè)知識的應用，也是對精簡工作能力的一種考驗。

在完成了幾個片段的動畫輸出之后，為了使整個動畫視頻看起來更加完整和協(xié)調。可以使用Premiere軟件進行后期處理。本次使用Premiere主要是為了拼接視頻、轉換特效和添加背景音樂。在完成之后類似于3D max，Premiere也需要渲染輸出最終成品，選用默認設置和.mp4格式就可以完成本次設計的全部制作。