三維場景模型構建研究與實現

王瑜

摘 要：虛擬漫游系統是計算機仿真與虛擬現實技術的綜合應用，創建具有真實感的三維場景是實現虛擬漫游系統的基礎，場景構建離不開三維建模，模型質量好壞將直接影響到用戶體驗。在設計開發基于Virtools的虛擬小區漫游系統時，采用3DS MAX對場景中各物品進行建模，在探討模型構建及優化的基礎上，具體介紹三維場景中物品建模的實現方法，并對模型的導入與整合進行說明。

關鍵詞：virtools；虛擬場景；三維建模

DOIDOI：10.11907/rjdk.171243

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0199-03

0 引言

虛擬漫游系統是計算機仿真與虛擬技術的綜合應用，創建具有真實感的三維場景是實現虛擬漫游系統的基礎，場景構建離不開三維建模，模型質量好壞將直接影響虛擬場景的真實與否，而虛擬場景的真實性又是虛擬漫游系統的顯著特點，漫游能否真實靠的就是建模技術。

以一般居住型小區為例，構建虛擬場景時建模方法很多，可以使用DirectX或OpenGL的圖形函數庫由底層建立，但更實用的辦法是用專業的建模工具根據實際情況自行設計。以一般居住型小區為例，采用3DS MAX配合AutoCAD進行建模，將小區內所有建筑、環境甚至相關室內場景、人物角色等仿制出來，再將其導入Virtools中加以呈現，用戶使用過程中與其中的特定場景發生交互，打破以往的傳播手段和宣傳方式，不僅生動活潑、形式新穎，而且制作出來的成品還可以進行網上瀏覽或直接下載，以全新的視角帶領用戶參觀整個場景。

1 三維模型構建的總體思路

一般居住型小區的虛擬三維場景建模包括小區的地形地貌、小區內的樓群建筑和水系植物等，是整個虛擬現實的基礎，在使用3DS MAX進行建模時，應充分考慮到硬件的限制和虛擬系統實時性的要求，在保證視覺效果不失真的前提下，盡量采用最簡單的方式。對于小區地形地貌建模，道路廣場等相對平坦地形可通過一個平面簡單拉伸、擠壓獲得，山峰臺階等具有起伏變化的地形，可采用層疊法、灰度圖法、整體生成法等方式得到；對于樓群建筑建模則要根據系統展示的側重點，可不必將每面墻體全部顯示出來，采用精細建模、次精細建模和粗略建模等方式完成[1]，模型數量要盡量簡化；對于水系建模主要表現水面的波紋、漣漪和倒影，通常的辦法是整體貼圖，動態水體要盡量少用，以減少系統負荷；對于植物建模因其場景范圍較大，考慮到實時漫游的需求，盡量避免構建真正的實體模型，植物的種類不宜過多，控制Mesh的數量，如在3D Spriters中完成一棵樹后，只需復制若干數量的3D Spriters，然后對其進行樹木紋理綁定，就可以在增加物體數量的同時極大地降低場景的復雜度。

通常情況下，初步建立出來的模型可能存在數據量大、比例不協調、實時顯示效能低等問題，這就要求在建模時注意各個物體的比例協調，貼圖尺寸要盡量小且保持為2的冪次方，多用紋理貼圖，少用幾何貼圖，模型建好導入到Virtools軟件中注意觀察，根據實際情況刪除場景中不可見的面，還可用其它軟件對模型進行調整和優化，確保系統運行的速度和流暢性。

2 場景模型創建方法

2.1 樓房建模

樓房建模一般利用小區原有的AutoCAD平面圖進行構建。在取得原始平面圖以后，因小區內同式建筑較多，所以首先要通過對場景和現場需求的分析，確定建模區塊結構，即將所有樓房劃分成精細建模樓群、次精細建模樓群和粗略建模樓群，這樣有利于對模型進行組織與管理。接下來，為了盡可能準確、直觀地進行室內建模，需要對房屋進行實際丈量，根據采集來的數據對真實面積的大小進行一定比例的縮放，如有必要還需要獲取相應樓房或房間的照片及影像資料，照片一般分辨率較高，可對精細建模樓群細節部分建模，并作為紋理貼圖的主要來源，影像資料分辨率相對較差，可用以顯示樓群的大致輪廓及樓群與樓群之間的位置關系。當大小位置確定以后，即可將CAD文件導入3DS MAX之中，根據對層次結構的分析，采用先簡后繁、由下及上的原則，通過擠壓的方式先搭建粗略的樓層框架，再根據不同樓房的不同特色，如單元門的朝向、窗戶的朝向、樓房頂層的結構、戶型等，逐層逐塊利用3DS MAX進行建模。

在建模時，一方面要區別不同類別模型，對精細建模樓群采用精確幾何體構建，而對次精細、粗略建模樓群盡量使用面數較少的幾何體構建即可；另一方面，還要注意模型面的數量，即無論什么類型樓群，在構建時面的數量要有所控制，數量如果太大，會產生漫游速度過慢、場景不真實的問題，嚴重時還會在虛擬漫游中出現“穿越”或“眨眼”現象，在成品渲染時也會因面數過多而導致渲染速度過慢以及渲染后文件體積過大的問題，所以在建模時要注意刪除冗余的多邊形。對樓房建模情況如圖1所示。

2.2 房間建模

樓房建模完畢以后，需要對每款不同樣式的房間進行建模，因為最終需要漫游的是具體房間，而不是樓房，所以對室內建模屬于精細建模，也是漫游系統的重點。房間測量需要進行實地勘察，在弄清楚基本樣式以后，可先將其草圖大致描繪出來，主要是為了分清墻壁及窗戶、門、過道等分布情況，然后在軟件中按實際尺寸縮小比例，采用多種建模方式建出房屋模型效果，在表現出必要細節的前提下盡量減少場景繁雜度。模型建立完畢后，將各模型按要求進行合并，對其進行材質貼圖和燈光照射，材質用來表現物體表面屬性，燈光用來表現物體表面的顏色、光亮程度和不透明度，兩者緊密相聯，不單獨調節另一種，在燈光運用較繁雜的情況下，模型渲染前可能需要調節光能傳遞[2]，將各參數調至最佳，保證渲染質量和渲染時間，最終效果如圖2所示。

2.3 室內家電建模

房間建模完成以后需要再依次完成屋內家具、吸頂燈、電視機、電視柜、沙發等建模，這些物品建模仍需按標準尺寸完成，但需要注意的是建模過程中必須對所有對象事先進行分析，也就是說，要對所建模對象進行位置、大小、是否需要交互等情況進行預判，對某些又近又大的對象來說，建模時要求的精度要高一些；而對某些又遠又小的對象來說，建模精度要求就低一些。另外建立的對象是否需要進行交互也是值得關注的問題，比如電視機是否能打開、沙發是否進行碰撞偵測、吸頂燈能否點亮等，如果需要交互，建模時就必須將這些物品的明顯標志以獨立面的形式建立。一般來說，鑒于室內設計屬于比較繁雜的場景，所有需要交互的物品在建模時最好不要超過800個面[3]。endprint

雖然，建模時不同的模型可采用不同的建模方式，但由于Virtools只支持Polygon（多邊形）建模方式，所以無論初始建模用何種方式，完成后都要轉換成多邊形后再輸出。多邊形建模時還要注意其它細節部分，如要控制角度以免視角發生偏移，建模時控制模型面數以免容量過大，要盡可能減小計算量，需要交互的對象每個部分必須單獨呈現，不能群組，否則將給交互帶來影響，建模房間內物品效果如圖3、圖4所示。

2.4 其它設施建模

小區內路燈僅在位置、方向、大小上有所差異，如果將所有路燈全部建模完成，勢必會造成計算機內存增加、渲染時間過長，對于小區內數量較多、款式相近的路燈，可先只建立一個范例，再采用拷貝的方式，運用實例化技術通過縮放、旋轉得到其它所需模型，從而大大節省內存空間。小區內的樹木也是建模場景中的重要組成部分，樹木的真實度將直接影響場景質量的高低，作為場景中數量最多的模型，用一般的建模方法顯然行不通，樹木建?？刹捎肂illboard多邊形面的方法進行模擬[4]，Billboard 多邊形面主要是利用旋轉軸和法線對齊的方法來完成，無論用戶視點如何改變，只要保證所構建樹木圖像的法線能繞著軸進行旋轉，在用戶眼里相關多邊形面就始終對準視點，從而造成郁郁蔥蔥的表象，這種方法簡單，占用內存空間小。路燈和樹木建模效果如圖5所示。

3 模型導入與整合

在3DS MAX中制作好三維模型后，將模型導入到Virtools中。Virtools默認用于存儲角色、場景以及物體等信息的文件格式是.nmo，但在3DS MAX中不能直接將文件導出為此格式，需要安裝3DS MAX Exporter.exe插件，這種插件版本要與使用的3DS MAX版本保持一致，并要安裝在同一個文件夾下，安裝完畢后點選3DS MAX中File/Export菜單命令，文件類型選擇Virtools Export（*.Nmo，*.Vmo），自定義文件名后即可確定輸出保存。需要注意的是，在輸出文件時一定要將文件名設置為英文，否則在Virtools中會出現命名錯誤，模型導出時對話框如圖6所示。

最上方導出類型選擇輸出為虛擬角色（Export as a Character），在虛擬角色名稱（Chatacter Name）中輸入“Microwave”，在下面的控制器輸出（Controller Output）中將樣本采幀率（Frame per sample）設置為1，動畫物體（Animated objects）也為1，最后點擊確認即可完成操作。

保存的.nmo文件需要導入到Virtools中才可使用，啟用Virtools點選Resources/Import File菜單命令，找出并導入剛剛保存的.nmo文件，就可以看到整個三維場景，調整和排列模型的位置比例，設置一些必要的屬性和參數，最后再添加實行交互的模塊腳本，在項目保存成可編輯的工程文件以后，就可以在Virtools自帶的程序開發包SDK下進行.exe文件開發。

4 結語

虛擬現實技術在各個領域中的應用越來越廣泛，構建沉浸感強、交互速度快的三維場景離不開成熟穩定的建模技術。后續將著重研究貼圖、渲染，嘗試多種幾何建模方法相結合，適當引入新的算法，更好地保證三維場景中各物體建模的質量和實際運行效果。

參考文獻：

[1] 張志強，袁野.精細化城市三維建模技術在數字城市中的應用[J].測繪，2014（4）：158-160，177.

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[3] 李尚林，李琳，曹明偉，劉曉平.面向真實構建的徽州建筑快速建模方法[J].軟件學報，2016，27（10）：2542-2556

[4] 仲于姍.基于Unity的3D虛擬校園漫游系統的開發[D].昆明：云南大學，2015.

[5] 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（4）：113-115.

[6] 姬洪強，呂敬敏.虛擬校園漫游開發中的關鍵技術研究[J].電腦知識與技術，2013（8）：1799-1800.endprint