中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司　王　嘉

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模研究

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司王嘉

通過介紹虛擬現(xiàn)實(shí)與三維建模的關(guān)系，本文展開了對(duì)其技術(shù)發(fā)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(xiàn)實(shí)的三維建模應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)；三維模型；建模方法

一、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模剖析

1.虛擬現(xiàn)實(shí)與三維建模

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的涵義便是一個(gè)被現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)造出來的虛幻世界，通過計(jì)算機(jī)電子信息采集與生成能力以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的強(qiáng)大計(jì)算能力，能夠模擬出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相似的真實(shí)環(huán)境。用戶可以在其中體驗(yàn)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(tài)進(jìn)行事件的觸發(fā)。

其中關(guān)鍵的技術(shù)便是三維建模，它是虛擬現(xiàn)實(shí)存在的核心，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，不論是娛樂游戲還是身臨其境的影視或是模擬訓(xùn)練的軍事醫(yī)療，都離不開它。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟硬件的更新?lián)Q代讓虛擬現(xiàn)實(shí)得以普及，然而其中涉及到三維技術(shù)仍是一個(gè)待以突破的難關(guān)，要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)首先要擁有一個(gè)可以提供應(yīng)用的虛擬環(huán)境，應(yīng)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(duì)應(yīng)反饋的行動(dòng)也最為迅速及時(shí)，一個(gè)良好的三維模型應(yīng)當(dāng)能夠擁有進(jìn)行逼真的動(dòng)態(tài)效果，因此一個(gè)與現(xiàn)實(shí)接近的三維模型是整個(gè)系統(tǒng)中首要目標(biāo)。

2.三維建模的發(fā)展

三維建模的應(yīng)用軟件雖然在我國(guó)起步?jīng)]有占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但是快速的技術(shù)提高發(fā)展讓其逐漸與國(guó)際接軌。由早期特殊工作站上對(duì)于硬件要求苛刻、本身就價(jià)值百萬的昂貴三維建模技術(shù)到如今小型集體甚至個(gè)人都能擁有的高端三維建模，其在不斷普及。當(dāng)然相比其他普通技術(shù)，其對(duì)硬件的要求仍是較高。［1］

如今VR概念成為世界技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新高潮，擁有著廣大輝煌的前景。三維建模正在逐漸應(yīng)用到娛樂生產(chǎn)行業(yè)，首先是作為如今第三服務(wù)業(yè)占據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展巨大地位的娛樂方面，其在3D視頻的發(fā)展取得了巨大的成果，平面化的電影通過三維建模技術(shù)讓人情不自禁地代入其中，種種內(nèi)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(yīng)用，但是其少量高端應(yīng)用帶來的良好反響與效果讓許多人期待其技術(shù)的提高而帶來的普及。若能足不出戶而體驗(yàn)世界美景，能夠在千里之遙的地方真實(shí)感受實(shí)體商店中的服飾乃至其他各種商品，這一切都將對(duì)世界帶來絕大的變革。

而在工業(yè)方面，各大行業(yè)制造商都都早已運(yùn)用到三維建模技術(shù)，許多汽車、飛機(jī)制造巨頭在車間運(yùn)用其模擬數(shù)據(jù)從而更好地探索制造工業(yè)并預(yù)測(cè)成品效果。在軍事方面，三維建模所營(yíng)造出來的虛擬場(chǎng)景將是軍隊(duì)訓(xùn)練的一個(gè)新型平臺(tái)，可以在其中試驗(yàn)新型戰(zhàn)術(shù)或秘密武器，在虛擬現(xiàn)實(shí)中訓(xùn)練飛行員的飛行技術(shù)、練習(xí)射擊和進(jìn)行格斗演練。同時(shí)三維建模在立體地圖方面的應(yīng)用讓其在指揮作戰(zhàn)時(shí)更加精準(zhǔn)合理。在醫(yī)療方面，三維建模通過對(duì)各種病理案例的模擬可以使醫(yī)生增長(zhǎng)更多經(jīng)驗(yàn)與手藝，并且在培訓(xùn)醫(yī)學(xué)生方面有了更加豐富的操作體驗(yàn)。三維建模的發(fā)展將帶動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)走向各行各業(yè)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)中三維建模的技術(shù)方法

1.常用方法

在虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)的組合排列幾乎可以構(gòu)成世界上一切有形的物體，不論是精密的人體或是風(fēng)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(yīng)用和廣泛傳播的建模方法，它基于兩點(diǎn)出發(fā)——從體素與結(jié)構(gòu)的交互形成。體素是事物的基本組成單位，劃分了系統(tǒng)能夠應(yīng)用的建模范圍，而結(jié)構(gòu)則是對(duì)于體素的排列組合成具體形狀。層次結(jié)構(gòu)是幾何建模結(jié)構(gòu)中較為常用的組合，其主要通過對(duì)數(shù)據(jù)的集合進(jìn)行樹狀型劃分排列成一層層事物。舉個(gè)例子，若要建模一個(gè)醫(yī)院，首先要?jiǎng)澐殖龈鱾€(gè)大型科室如外科、內(nèi)科、急診科、兒科等等，這些便屬于一個(gè)層次，然后在對(duì)內(nèi)科進(jìn)行建模，又可分為諸如眼耳鼻喉等各個(gè)小型就診區(qū)間，每個(gè)區(qū)間中有哪些醫(yī)療設(shè)備，這樣一層層的劃分便形成了整個(gè)三維建模。層次結(jié)構(gòu)的幾何三維建模不但使系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)境事物的統(tǒng)一性清晰并且又可單獨(dú)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(chǔ)是事物的物理性質(zhì)，在粒子系統(tǒng)的構(gòu)造與系統(tǒng)分形技術(shù)的結(jié)合下實(shí)現(xiàn)三維建模。其系統(tǒng)分形能夠?qū)τ谝活悡碛邢嗤再|(zhì)的形似事物進(jìn)行整體描述，例如在對(duì)大型山河建模時(shí)，往往通過三角形或四邊形隨機(jī)勾取一個(gè)地形，旋即在模型上選取各邊中點(diǎn)再對(duì)其進(jìn)行分離，為每一個(gè)分離點(diǎn)規(guī)定一個(gè)量值，通過技術(shù)推測(cè)便能得到一個(gè)頗為真實(shí)的山河模型。［2］對(duì)于沒有具體形狀并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的事物，還有那些巨大的處于靜態(tài)中的事物，往往通過該方式進(jìn)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(xiàn)實(shí)物體存在的基礎(chǔ)，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(zhì)，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(shí)的事物不會(huì)只是一堆死物，行為建模讓其遵循著事物運(yùn)行的基礎(chǔ)規(guī)律進(jìn)行各種活動(dòng)與反應(yīng)。如一具人體模型，他需要進(jìn)行吃喝運(yùn)動(dòng)，要擁有行動(dòng)與表達(dá)能力，其身體內(nèi)部也在不停地進(jìn)行著各種循環(huán)，這樣的三維建模無疑是高難度的，也是明顯優(yōu)于其他建模方法的。作為多學(xué)科技術(shù)體現(xiàn)綜合，在復(fù)雜系統(tǒng)中行為建模有著很好的效果。

2.常用工具

虛擬現(xiàn)實(shí)的對(duì)于建模逼真的要求標(biāo)準(zhǔn)很高，因其對(duì)環(huán)境要進(jìn)行真實(shí)的模擬，實(shí)效性的變換條件讓其相應(yīng)地產(chǎn)生了專業(yè)的建模語(yǔ)言和軟件。在三維數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，許多應(yīng)用商研發(fā)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(yè)語(yǔ)言VRML，其作為應(yīng)用最為廣泛的界面HTML的三維模擬，通過對(duì)于事物三種維度的描述來導(dǎo)出其3D行為。其中最為基礎(chǔ)簡(jiǎn)單的便是Vrml Pad工具，通過定義專屬的節(jié)點(diǎn)集合來創(chuàng)造合適的對(duì)象模型，往往用來在靜態(tài)事物呈現(xiàn)效果增強(qiáng)與可視動(dòng)畫行為的補(bǔ)充腳本。［3］然而其操作起來相對(duì)困難繁瑣，在大型虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模中幾乎不被使用。為了應(yīng)付這種情況，誕生了許多方便的制作軟件來進(jìn)行復(fù)雜的三維建模創(chuàng)作其合適的場(chǎng)景模型行為。最早傳播的軟件是

3DMAX，其能夠直接安裝所隊(duì)形的場(chǎng)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(jìn)的曲面細(xì)分技術(shù)更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染，在諸多曲面工具中其能夠根據(jù)具體情況選擇不同的技術(shù)，其中NURBS技術(shù)使用地最為廣泛，在設(shè)計(jì)制作模型時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。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(dú)特功能。在開發(fā)選擇軟件時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)充分了解所需要的模型難易程度與其功能特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)以提高三維建模效果為第一準(zhǔn)則選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ邚亩訌?qiáng)其場(chǎng)景交互。在分割圖形時(shí)，大多要對(duì)其進(jìn)行映射和紋理處理，這時(shí)可以采用IBR技術(shù)。而在幾何建模中的工具選擇，可以在網(wǎng)格、多邊形、曲線等各有針對(duì)性的幾何方法進(jìn)行建模。其中最為復(fù)雜的NURBS工具在綜合系統(tǒng)諸如生物、器官等事物建模時(shí)功能針對(duì)性尤為強(qiáng)烈，需要操作人員擁有扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、總結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)通過真實(shí)的沉浸感、豐富的交互性、強(qiáng)烈的自主性等特點(diǎn)發(fā)展火熱，正在引起世界新一輪發(fā)展狂潮，三維建模作為其基本技術(shù)在個(gè)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(shù)的綜合應(yīng)用研究十分必要。

［1］趙銘超.虛擬現(xiàn)實(shí)中三維建模技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.天津師范大學(xué)，2011.

［2］吳桐桐，周國(guó)輝.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模技術(shù)的研究［J］.智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2016，02:113-115.

［3］陳晨.基于3DMAX的虛擬現(xiàn)實(shí)三維建筑模型建模技術(shù)初探［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2016，02:94.

王嘉（1980—），女，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)碩士，現(xiàn)供職于中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。