基于虛擬現實的三維建模研究

中國煤炭科工集團有限公司　王　嘉

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基于虛擬現實的三維建模研究

中國煤炭科工集團有限公司王嘉

通過介紹虛擬現實與三維建模的關系，本文展開了對其技術發展的描述，列舉了其主要的建模方法與工具，研究基于虛擬現實的三維建模應用。

虛擬現實；三維模型；建模方法

一、基于虛擬現實的三維建模剖析

1.虛擬現實與三維建模

虛擬現實（VR）的涵義便是一個被現代科學創造出來的虛幻世界，通過計算機電子信息采集與生成能力以及網絡系統的強大計算能力，能夠模擬出一個與現實相似的真實環境。用戶可以在其中體驗到諸多信息：如視、聽、觸，并且可以通過自身感受而改變自己的狀態進行事件的觸發。

其中關鍵的技術便是三維建模，它是虛擬現實存在的核心，廣泛應用于各個領域，不論是娛樂游戲還是身臨其境的影視或是模擬訓練的軍事醫療，都離不開它。與此同時，計算機軟硬件的更新換代讓虛擬現實得以普及，然而其中涉及到三維技術仍是一個待以突破的難關，要創造一個虛擬現實系統首先要擁有一個可以提供應用的虛擬環境，應包含三維視覺、聽覺等信息。而在所有信息中，人最為依賴最先直觀接觸的便是視覺，其所能被接受的信息量最為豐富，相對應反饋的行動也最為迅速及時，一個良好的三維模型應當能夠擁有進行逼真的動態效果，因此一個與現實接近的三維模型是整個系統中首要目標。

2.三維建模的發展

三維建模的應用軟件雖然在我國起步沒有占據優勢，但是快速的技術提高發展讓其逐漸與國際接軌。由早期特殊工作站上對于硬件要求苛刻、本身就價值百萬的昂貴三維建模技術到如今小型集體甚至個人都能擁有的高端三維建模，其在不斷普及。當然相比其他普通技術，其對硬件的要求仍是較高。［1］

如今VR概念成為世界技術發展的一個新高潮，擁有著廣大輝煌的前景。三維建模正在逐漸應用到娛樂生產行業，首先是作為如今第三服務業占據經濟發展巨大地位的娛樂方面，其在3D視頻的發展取得了巨大的成果，平面化的電影通過三維建模技術讓人情不自禁地代入其中，種種內容豐富、畫面逼真的3D游戲也為人們精神世界帶來了慰藉與趣味。VR在娛樂方面雖然還沒有廣泛應用，但是其少量高端應用帶來的良好反響與效果讓許多人期待其技術的提高而帶來的普及。若能足不出戶而體驗世界美景，能夠在千里之遙的地方真實感受實體商店中的服飾乃至其他各種商品，這一切都將對世界帶來絕大的變革。

而在工業方面，各大行業制造商都都早已運用到三維建模技術，許多汽車、飛機制造巨頭在車間運用其模擬數據從而更好地探索制造工業并預測成品效果。在軍事方面，三維建模所營造出來的虛擬場景將是軍隊訓練的一個新型平臺，可以在其中試驗新型戰術或秘密武器，在虛擬現實中訓練飛行員的飛行技術、練習射擊和進行格斗演練。同時三維建模在立體地圖方面的應用讓其在指揮作戰時更加精準合理。在醫療方面，三維建模通過對各種病理案例的模擬可以使醫生增長更多經驗與手藝，并且在培訓醫學生方面有了更加豐富的操作體驗。三維建模的發展將帶動虛擬現實走向各行各業。

二、虛擬現實中三維建模的技術方法

1.常用方法

在虛擬現實中，三維建模的方法大致可以分為三類。第一類是幾何建模，幾何體通多若干個的組合排列幾乎可以構成世界上一切有形的物體，不論是精密的人體或是風格多樣的建筑都可作為幾何信息加工處理。因此其也是三維建模中最先被應用和廣泛傳播的建模方法，它基于兩點出發——從體素與結構的交互形成。體素是事物的基本組成單位，劃分了系統能夠應用的建模范圍，而結構則是對于體素的排列組合成具體形狀。層次結構是幾何建模結構中較為常用的組合，其主要通過對數據的集合進行樹狀型劃分排列成一層層事物。舉個例子，若要建模一個醫院，首先要劃分出各個大型科室如外科、內科、急診科、兒科等等，這些便屬于一個層次，然后在對內科進行建模，又可分為諸如眼耳鼻喉等各個小型就診區間，每個區間中有哪些醫療設備，這樣一層層的劃分便形成了整個三維建模。層次結構的幾何三維建模不但使系統中各個環境事物的統一性清晰并且又可單獨分離就行修改操作靈活方便。

第二種方式便是物理建模，其考慮基礎是事物的物理性質，在粒子系統的構造與系統分形技術的結合下實現三維建模。其系統分形能夠對于一類擁有相同性質的形似事物進行整體描述，例如在對大型山河建模時，往往通過三角形或四邊形隨機勾取一個地形，旋即在模型上選取各邊中點再對其進行分離，為每一個分離點規定一個量值，通過技術推測便能得到一個頗為真實的山河模型。［2］對于沒有具體形狀并且結構復雜的事物，還有那些巨大的處于靜態中的事物，往往通過該方式進行三維建模。

第三方法則是與眾不同的行為建模。若上述兩種建模方式是虛擬現實物體存在的基礎，那么行為建模就是其靈魂。在VR中，幾何建模賦予事物外形特征，物理建模賦予其各種性質，而行為建模就給予了事物真正存在的自主能力。在世界上真實的事物不會只是一堆死物，行為建模讓其遵循著事物運行的基礎規律進行各種活動與反應。如一具人體模型，他需要進行吃喝運動，要擁有行動與表達能力，其身體內部也在不停地進行著各種循環，這樣的三維建模無疑是高難度的，也是明顯優于其他建模方法的。作為多學科技術體現綜合，在復雜系統中行為建模有著很好的效果。

2.常用工具

虛擬現實的對于建模逼真的要求標準很高，因其對環境要進行真實的模擬，實效性的變換條件讓其相應地產生了專業的建模語言和軟件。在三維數字技術迅猛發展的今天，許多應用商研發出了許多各具特色的三維建模軟件。

本文首先介紹其基本專業語言VRML，其作為應用最為廣泛的界面HTML的三維模擬，通過對于事物三種維度的描述來導出其3D行為。其中最為基礎簡單的便是Vrml Pad工具，通過定義專屬的節點集合來創造合適的對象模型，往往用來在靜態事物呈現效果增強與可視動畫行為的補充腳本。［3］然而其操作起來相對困難繁瑣，在大型虛擬現實的三維建模中幾乎不被使用。為了應付這種情況，誕生了許多方便的制作軟件來進行復雜的三維建模創作其合適的場景模型行為。最早傳播的軟件是

3DMAX，其能夠直接安裝所隊形的場景輸出控件，迅速建立其模型文本。在基本的功能外，它擁有更加先進的曲面細分技術更好地實現實時渲染，在諸多曲面工具中其能夠根據具體情況選擇不同的技術，其中NURBS技術使用地最為廣泛，在設計制作模型時更有優勢。如今三維建模軟件更加豐富，像catia、ug、AutoCAD等軟件也擁有著許多獨特功能。在開發選擇軟件時，相關人員應充分了解所需要的模型難易程度與其功能特點，應當以提高三維建模效果為第一準則選擇適當的工具從而加強其場景交互。在分割圖形時，大多要對其進行映射和紋理處理，這時可以采用IBR技術。而在幾何建模中的工具選擇，可以在網格、多邊形、曲線等各有針對性的幾何方法進行建模。其中最為復雜的NURBS工具在綜合系統諸如生物、器官等事物建模時功能針對性尤為強烈，需要操作人員擁有扎實的技術基礎。

三、總結

虛擬現實通過真實的沉浸感、豐富的交互性、強烈的自主性等特點發展火熱，正在引起世界新一輪發展狂潮，三維建模作為其基本技術在個體與VR中起著首要的橋梁地位，而其仍擁有許多需要改善的問題，因此三維建模技術的綜合應用研究十分必要。

［1］趙銘超.虛擬現實中三維建模技術的研究與應用［D］.天津師范大學，2011.

［2］吳桐桐，周國輝.基于虛擬現實的三維建模技術的研究［J］.智能計算機與應用，2016，02:113-115.

［3］陳晨.基于3DMAX的虛擬現實三維建筑模型建模技術初探［J］.電子技術與軟件工程，2016，02:94.

王嘉（1980—），女，中國礦業大學（北京）計算機應用技術碩士，現供職于中國煤炭科工集團有限公司，研究方向：計算機應用技術。