三維建模在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的研究與應(yīng)用

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了人們新的感官體驗(yàn)形式，也逐漸改變了我們學(xué)習(xí)、工作與生活的方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來發(fā)展前景非常廣闊，需要大量?jī)?nèi)容進(jìn)行填充，而三維建模保證虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)容的制造與生產(chǎn)，對(duì)提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)容效率和質(zhì)量具有重要作用。

關(guān)鍵詞：三維；建模；虛擬現(xiàn)實(shí)

“十三五”時(shí)期是全面建成小康社會(huì)和進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家行列的決勝階段，是深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、全面深化科技體制改革的關(guān)鍵時(shí)期。大力發(fā)展新一代信息技術(shù)，突破虛實(shí)融合渲染、真三維呈現(xiàn)、實(shí)時(shí)定位注冊(cè)、適人性虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等一批關(guān)鍵技術(shù)。在工業(yè)、醫(yī)療、文化、娛樂等行業(yè)實(shí)現(xiàn)專業(yè)化和大眾化的示范應(yīng)用，培育虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)，三維建模對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)容提供方式具有重要作用，優(yōu)化三維建模方式，提供三維建模效率，是促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。

一、功能需求分析

建模需求分析方法參考軟件工程的項(xiàng)目需求分析方法，其主要是根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需求，分析虛擬實(shí)驗(yàn)室的整體表達(dá)框架，實(shí)地調(diào)研實(shí)驗(yàn)室的位置、面積、高度、朝向、溫度、濕度等環(huán)境因素，建筑設(shè)施、實(shí)驗(yàn)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等設(shè)備元素，電源開關(guān)打開、信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)的輸出、信號(hào)的顯示、與其他設(shè)備的連接等操作元素，實(shí)地調(diào)研過程中還需要注意與實(shí)驗(yàn)老師詳細(xì)溝通實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的目標(biāo)、規(guī)劃以及實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行分析歸納，獲得初步的需求分析報(bào)告后，由虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)者對(duì)其進(jìn)行去粗取精、去偽存真、正確理解，使用形式化功能規(guī)約表達(dá)出虛擬實(shí)驗(yàn)室的邏輯模型，編寫詳細(xì)的虛擬實(shí)驗(yàn)室需求規(guī)格書，和用戶確認(rèn)軟件需求的具體條款。

二、系統(tǒng)要求

虛擬實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)過程中，需要著重保證用戶使用的真實(shí)感、易修改、易使用、效率高等特點(diǎn)。因此對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)環(huán)境、時(shí)效、精細(xì)度也有一定的要求。

1.硬件平臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)室采用普通硬件平臺(tái)為支撐環(huán)境，能夠適應(yīng)一般學(xué)生用戶的實(shí)際需求。主頻以上，顯存以上，滿足三維顯示的流暢需求，三維模型細(xì)節(jié)充分，光影效果合理。

2.操作系統(tǒng)

虛擬實(shí)驗(yàn)室采用Windows7為操作系統(tǒng)，符合最廣泛用戶的操作習(xí)慣，且能夠適應(yīng)一般學(xué)生用戶的實(shí)際需求。

3.三維引擎

虛擬實(shí)驗(yàn)室采用為三維引擎，可實(shí)現(xiàn)可視化編程界面完成各種開發(fā)工作，高效腳本編輯，方便開發(fā)；自動(dòng)瞬時(shí)導(dǎo)入，骨骼和動(dòng)畫直接導(dǎo)入，底層支持OpenGL和Direct11，簡(jiǎn)單實(shí)用的物理引擎，高質(zhì)量粒子系統(tǒng)。

4.三維建模

虛擬實(shí)驗(yàn)室采用為三維引擎，能夠容易修改物體的各類參數(shù)，容易與其他場(chǎng)景融合，支持物體、貼圖等方面的刪除、附加等操作，使用建立角色，多邊形建立角色，面片建立角色，可以制成彎曲，扭轉(zhuǎn)等。

5.時(shí)效需求

從人體視覺感知規(guī)律，每秒顯示8圖像幀，才能保持流暢性要求。而為了能夠在民用低端顯卡PC機(jī)上流暢運(yùn)行，選擇幀數(shù)為12幀左右。既滿足了真實(shí)性、也滿足了流暢性需求。

6.精細(xì)度要求

建筑類模型精細(xì)度要求：采集制作北京郵電大學(xué)的單體占地面積大于4*4的非臨時(shí)建筑物外圍輪廓要求模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確特有結(jié)構(gòu)不能省略細(xì)節(jié)表達(dá)準(zhǔn)確。其中平面精度應(yīng)保證其整體誤差控制不超過3米，建筑總體高度誤差控制在1米。

環(huán)境類模型精細(xì)度要求：主要為主樓廣場(chǎng)地面、人行道、噴水池、樹木、綠化、升旗臺(tái)，其輪廓模型根據(jù)1：1000地形圖與現(xiàn)場(chǎng)采集照片做模型與紋理，反應(yīng)其高程、坐標(biāo)特征。

實(shí)驗(yàn)類模型精細(xì)度要求：主要為模擬、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器、電子元器件等，其輪廓根據(jù)實(shí)物抽取，細(xì)節(jié)需精確至每一個(gè)按鈕。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需要完成功能實(shí)例規(guī)定，約定系統(tǒng)的實(shí)例功能；需要規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)流程，確定設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟；需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，整體上把握系統(tǒng)；需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。

1.功能實(shí)例

系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的基本場(chǎng)景包括第三人稱漫游角色控制、場(chǎng)景模型觀察、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景操作等等。

2.系統(tǒng)開發(fā)流程

根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模、特點(diǎn)以及開發(fā)人員的工具、條件，本文系統(tǒng)主要利用實(shí)地照相釆集數(shù)據(jù)，釆用作為三維建模工具，利用對(duì)實(shí)地采集素材進(jìn)行紋理處理，將模型導(dǎo)入中作為開發(fā)引擎，并將模型導(dǎo)入引擎。

（1）數(shù)據(jù)采集。虛擬實(shí)驗(yàn)室的素材采集數(shù)據(jù)主要包括整個(gè)環(huán)境地形、髙程數(shù)據(jù)，建筑、人行道、廣場(chǎng)、水池、綠化以及其他設(shè)施的位置和尺寸。數(shù)據(jù)采集的方式包括兩種，一種是查閱主樓規(guī)劃圖紙以及公示材料，另外一種是進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。由于測(cè)量條件和人力限制，本文采用數(shù)據(jù)查詢方式，并結(jié)合公共地圖引擎上的數(shù)據(jù)作為概要參考，得出需要建模的場(chǎng)景的尺寸。實(shí)驗(yàn)器材的參數(shù)主要是通過實(shí)際測(cè)量得出。

（2）素材采集。虛擬實(shí)驗(yàn)室素材收集的素材主要包括整個(gè)環(huán)境的地形、高程數(shù)據(jù)，主樓、人行道、廣場(chǎng)、水池、綠化、其他設(shè)施、實(shí)驗(yàn)器材的電子照片。通過現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖片，利用進(jìn)行圖像優(yōu)化處理。主要是先對(duì)圖像進(jìn)行裁剪和降噪，并利用魔法筆摳出需要添加紋理的部分，以滿足模型構(gòu)建的需求。

（3）三維建模。基于初步處理的照片，進(jìn)一步利用進(jìn)行處理，構(gòu)建出虛擬實(shí)驗(yàn)室的主樓墻體、瓷磚，人行道地面、四槽，水池噴泉，綠化帶，路燈等等，以及各類實(shí)驗(yàn)元器件、電源開關(guān)打開、信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)的輸出、信號(hào)的顯示、與其他設(shè)備的連接等操作元素的三維模型，對(duì)物體進(jìn)行材質(zhì)貼圖，使模型更具有視覺真實(shí)感。

（4）Unity虛擬對(duì)象。利用將建立的三維模型導(dǎo)入三維引擎中，使其變?yōu)槟鼙徽{(diào)用和處理的虛擬對(duì)象。然后添加動(dòng)態(tài)組件和自定義組件，即可為虛擬對(duì)象加入交互能力，完成各個(gè)虛擬對(duì)象之間的人機(jī)交互、元素交互和視覺交互，從而搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。

（5）虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)布。經(jīng)過的處理，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠運(yùn)行于三維引擎中。為了提高系統(tǒng)的使用性和兼容性，需要將虛擬實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行文件，才能應(yīng)用于每個(gè)用戶的系統(tǒng)之中。因此，利用的發(fā)布功能，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)都能使用的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。

總結(jié)：首先完成對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建需求分析，利用軟件工程的需求分析模型，歸納出虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本功能包括虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景展示、第一人稱漫游、建筑、房間信息、三維建模。然后確定系統(tǒng)的面向用戶及其分別具有的功能。再次，分析虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)環(huán)境需求、時(shí)效需求和精細(xì)度需求，確保虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的高效和真實(shí)性。最后完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，包括功能實(shí)例規(guī)定、系統(tǒng)開發(fā)流程、系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)以及分層設(shè)計(jì)。通過需求分析與總體設(shè)計(jì)，完成三維建模和三維漫游的準(zhǔn)備內(nèi)容。

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