信息化時代基于虛擬三維建模技術的研究

河南省交通規劃設計研究院股份有限公司 / 閆帥營

虛擬現實技術的主要運行載體是計算機，實踐中常常是通過一定的技術方法，建造出一個立體仿真的三維虛擬空間環境。通常來講VR技術有具有三點特征：沉浸感、交互性、自主性。沉浸感是指VR的使用者作為場景內的主角，可以將自己置身于虛擬的世界中去，獲得逼真的感受；交互性指的是使用者可以通過和虛擬世界中的物體產生有效的互動，從互動中獲得真實的感受；自主性強調的是VR技術有著非常廣闊的可構建空間，能夠將每個人的認知領域通過技術反映出來，不僅可以反映出現實生活中已有的物品，還能將想象中虛構的物品和場景進行搭建。

一、虛擬現實應用技術

如今時代發展迅速，計算機領域的相關專業迎來了一波又一波的技術革新，虛擬現實系統構建技術的應用已經成了當今最具有話題性的實踐研究課題。具體來說，現有的虛擬現實技術就是對原先三維建模技術的深化應用。在進行VR系統建模的時候，必須要有專業的建模工具，否則VR系統將難以搭建；因而在進行復雜的虛擬場景搭建，建設三維模型的時候，就應該研究如何更多地使用三維模型制作軟件。在專業的建模軟件中，3DMAX顯然是應用最為廣泛且普及的。使用3DMAX進行虛擬環境或物品的搭建構筑時，安裝相應的軟件插件就可以將模型輸出，從而準確可靠地建立環境模型文件。

在進行VR系統的設計之前，應該先創建好一個虛擬環境。在諸多能夠為人體產生刺激的因素中，視覺帶給人的感受是最為直觀形象的。因此在進行VR系統的設計時尤其要注重使用者對視覺效果的要求，構建環境的時候要將實時動態和合情合理的場景內容進行構建。這是使用者對VR技術至關重要的功能需求。例如，利用VR技術設計道路交通模擬場景的時候，就需要將場景的實時動態反映出來，如果設定的場景是在下午六點的交通主干道路口，就需要把車水馬龍車輛和過往行人進行三維模型構建，并將紅綠燈時間實時的反映到場景中。這樣才能讓使用者在視覺層面上感受到真實感和沉浸感。

當場景模型搭建起來之后，就可以看做是一個系統建立完成了。在這樣一個系統中可能有一個或者多個物體的出現，這些物體在系統中的表現構成了整個系統模型。這也就是說系統的模型總是以一個或者多個的方式存在。在最開始建模的步驟中，要給系統設定出一個標準。在虛擬的世界里，存在著諸多的物體對象，其層次也非常的復雜，因此這個標準中必須要包括全部涉及的對象。接下來將針對這一課題技術展開研究。

（一）虛擬現實中的幾何建模

三維視覺建模由多種建模方式組成，其中包括了幾何建模、物理建模、行為建模等等。在建模過程中最簡單最實用的就是幾何建模。幾何建模是將物體的幾何形狀整理成為幾何信息，根據信息將模型再描述出來。

1.Polygon建模

Polygon建模又稱為多邊形建模。多邊形建模是建模中最基礎的應用技術，它是利用比較少的網絡多邊形進行編輯和建模。在使用這種方法的時候首先應該刻畫出一個基本規則的幾何形體，再根據物體的細節對對象進行進一步地補充，最后再通過技術手段營建虛擬現實中的場景和對象。多邊形建模的時候不能生成曲面，但是操作非常地簡單，且具有很強的時效性。這種建模技術常用于游戲和動畫場景的制作。多邊形建模中的基本元素為頂點、邊、面和紋理圖案。例如在進行城市道路交通模擬建模中，使用多邊形建模就可以將道路中的紅綠燈、指示牌、廣告牌等物品進行構建。

2.NUBRS建模

和多邊形建模不同，NUBRS建模多是用來構建曲面對象的，在構建過程中可以通過對曲面和曲線的構建來刻畫出對象。在使用NUBRS建模的構成中，可以對曲線上任意的點進行分割，再將任意曲線添加進兩段曲線中，這是Polygon建模沒有辦法完成的，但NUBRS建模也同樣沒法構建出銳利的邊角。在設計工業模型和生活產品的時候經常會用到NURBS建模。在城市道路交通模擬中，可以通過NUBRS建模完成車輛大致形狀的建模。

3.Subdivision建模

Subdivision建模技術可以看做是將NURBS建模和Polygon建模的優勢相互融合，從而形成的一種新型建模方法，對于搭建結構層次感強，造型豐富的對象，可以體現出這項技術的優勢，并且這項技術的建模工具非常地簡單，操作起來也非常方便，在創作靜態作品的時候有著良好的表現。通過Subdivision技術建立出來的模型，其表面都是非常光滑的，模型表面的連續性也不會遭到破壞。在刻畫細節的時候，就需要運用level參數對細節部位進行調節。Subdivision技術可以運用于要求比較高的建模上。

以上就是幾何建模常用的集中建模方式，可以根據構建的物品不同而選擇合適的建模方法，快速有效地完成建模。

（二）虛擬現實中的物理建模

在幾何建模的發展流行起來之后，物理建模技術也應運而生了。物理建模的重點是將物體運動的模式和軌跡用科學合理的方式進行重現。在更改限制條件和環境互動之后，物理建模還應該隨之更新運動方式，而且不應該出現明顯的延遲跡象。在建模之前，首先應該對對象的物理運動方式進行研究，進而構建出對象的物理運動模型。例如在道路模擬中，建立出來汽車在公路上行駛時遇到涉水路面，應該出現駕駛突然出現頓挫感，且地面摩擦力不同，在車輛拐彎時應該有打滑的趨勢。這里簡單介紹兩種最為常見的物理模型建模技術：分形技術和粒子系統。

1. 在對形狀復雜、不規則的對象進行建模時，經常會運用到自行四結構，而分形技術就是擁有自相似特征的數據集。這種技術在最開始被運用在地理環境的搭建中，例如搭建山川河流的物理模型。分形技術的操作方法相對較為簡單，但是需要的計算量非常大，而且建模出來的實時性也比較差，因此通常被應用在遠距離的景觀建模中。在道路交通模擬場景中，可以搭建出天氣環境以及遠景下竄動的人群。

2. 粒子系統算是比較傳統的物理模型建模系統了，它只需要通過對粒子系統進行簡單的操作處理，就可以完成對運動邏輯很復雜的對象的建模。在虛擬現實搭建中，粒子系統常被用來搭建一些具體的自然現象，例如火焰、瀑布的水流、雨雪等等，主要運用搭建動態的運動的物體模型。在道路交通模擬中，就可以運用粒子系統搭建來往車流穿梭的場景，甚至可以模擬車輛在炎熱夏天駕駛時車頂散發的熱氣。

3. 虛擬現實中的行為建模。當幾何模型和物理模型相互結合，就可以構成一個視覺上真實的場景，但是要想讓場景更加真實立體，就必須要有行為模型的參與和加入。

對象的行為和運動，都可以通過建立行為模型，讓對象執行程序來達成。行為模型可以準確貼切地將虛擬現實中的對象行為真實地表現出來。如果構建出來的對象都沒有行為模型的支撐，那么建立出來的VR場景充其量就是一副會動的圖畫，沒有任何意義。

在構建行為模型的時候應該充分考慮對象的外觀造型，同時還應該考慮到對象在現實生活中有什么樣的物理特性，例如玻璃杯掉地上會破碎等，進而讓整個場景的搭建更加地真實；這樣人們在進行體驗的時候才能因為物品的某些行為而作出應急反映，比如在場景中人拿著杯子掉在地上摔碎了，聽到了真實的破碎聲音，才能讓體驗者像在真實世界中一樣受到驚嚇瞬間手足無措。

幾何建模技術其實更像是由計算機圖像學這單一領域向前發展得到的建模技術，而物理建模和行為建模就比較復雜，它們是由多個學科共同發展，相互交錯形成的建模方式；因此在進行建模的時候，只有把多個學科的知識和研究成果都結合在一起，才能搭建出更加真實高級的模型。

二、3DMAX模型在虛擬現實技術中的應用

（一）虛擬現實的建模語言

VRML是一種仿真程序語言，它可以在網絡上發揮影響和作用，構建出立體虛幻空間。通過網絡，用戶可以瀏覽到由VRML構建的虛擬空間，從而改變了時下傳統的網絡和用戶之間互動的體驗，打破空間的局限性，讓用戶和計算機之間的互動更加地便捷，從而產生了沉浸感、交互感和自主性。

VRML語言有描述的性質，可以搭建出三維立體環境或者物體。在構造出的虛擬環境中，任何物體都可以被認為是由許多節點設計部署構成的，對這些節點進行描述，就能形成文件。

（二）3DMAX模型在VRML中的應用

VRML是運用節點來搭建整個環境，但是僅用節點對模型進行描述，很難達到具體而逼真的設計效果，并且很難模擬出形態比較復雜的形體；而當3DMAX模型和VRML語言相結合的時候，就可以完美解決這個問題，讓場景搭建更加地真實立體。

三、結語

在如今，計算機技術無論是軟件還是硬件都有著迅速的發展，這給了虛擬現實技術大展拳腳的舞臺。VR技術不僅在教育、交通、醫療、軍事等方面能夠創造巨大的成果，同時還能大大地豐富人們的生活，在娛樂和制造業中也發揮了巨大的作用。而虛擬現實技術的基礎就是三維模型技術，只有在高度信息化的今天，將三維建模技術進行精進，才能讓VR技術的應用更加順風順水?？墒窃谌S建模技術的研究中，依然有很多不足的地方，因此在計算機技術發展的進程中，一定要重視對這方面問題的解決，開發出更好、更實用的建模方式和軟件，模擬出更真實的物理、行動模型，只有這樣才能讓虛擬現實技術在未來有可觀的應用前景。