吳桐桐 周國(guó)輝

摘 要： 隨著VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的快速發(fā)展，三維建模技術(shù)在其中發(fā)揮著重要的作用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心。本文研究探討了VR技術(shù)和三維建模技術(shù)，以及建模軟件3D MAX，還對(duì)VRML語(yǔ)言進(jìn)行了分析論述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；幾何建模；物理建模；行為建模；3DMAX；VRML

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 2095-2163（2016）02-

Research of Visual Reality 3D modeling technology

WU Tongtong ZHOU Guohui

（Computer science and information engineering college，Harbin normal university， Harbin 150025，China）

Abstract：In recent years， Virtual Reality technology has been paid extensive attention in computer field. 3D modeling technology is the most important part and one of the key technologies of virtual reality. 3D modeling technology is the foundation of the VR system .In this paper， the methods of virtual reality 3D modeling and commonly used tool production softwares 3D max and common language VRML， etc are respectively introduced.

Key words：Virtual Reality； geometric modeling；physical modeling；behavior modeling 3DMAX； VRML

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality， VR）通過(guò)使用計(jì)算機(jī)，運(yùn)用一定的技術(shù)手段建造一個(gè)仿真的三維虛擬環(huán)境。 VR技術(shù)通常具有如下的特征：

1）沉浸感。是指對(duì)象作為主角置身于虛幻世界中的逼真感受。

2）交互性。是指參與者對(duì)模擬世界中物體的可干預(yù)性以及從虛擬環(huán)境中得到效果反饋的自然程度。

3）自主性。強(qiáng)調(diào)VR技術(shù)應(yīng)該擁有廣闊的可幻想空間，能夠拓展人類認(rèn)知的領(lǐng)域，不僅可以逼真重現(xiàn)客觀世界，還可以構(gòu)建虛幻的、甚至是奇幻的世界狀態(tài)。

當(dāng)今時(shí)代日新月異，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，VR系統(tǒng)構(gòu)建及技術(shù)應(yīng)用已然成為時(shí)下的一個(gè)實(shí)踐性熱點(diǎn)研究課題[1]。具體來(lái)說(shuō)，三維建模技術(shù)是VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有專業(yè)VR建模工具提供支撐，VR系統(tǒng)將很難成功建立。而在完成復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模擬建模時(shí)，研究中更多地使用了三維模型制作軟件。其中，3D MAX建模軟件是最趨廣泛與普及應(yīng)用的。通過(guò)利用3D MAX建造虛擬環(huán)境或物體，安裝與其相對(duì)應(yīng)的插件用于輸出，就能夠相對(duì)準(zhǔn)確可靠地創(chuàng)建環(huán)境模型文檔了。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)

在設(shè)計(jì)VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）系統(tǒng)之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)虛擬環(huán)境Environment），在眾多因素中，視覺(jué)將關(guān)系到最為直觀和形象的用戶體驗(yàn)，所以環(huán)境構(gòu)建中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、逼真合理的呈現(xiàn)即成為至關(guān)重要的功能需求。

一旦模型建立起來(lái)，即可稱作一個(gè)系統(tǒng)的建立。系統(tǒng)能夠擁有一個(gè)物體或是多個(gè)群體，這樣的表現(xiàn)可以構(gòu)成系統(tǒng)的模型。也就是說(shuō)，系統(tǒng)模型以一個(gè)或多個(gè)方式存在。建模最初要完成的步驟，是給系統(tǒng)擬定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬世界里存在眾多的對(duì)象物體，相對(duì)層次較為繁雜，因而必須包括其中全部涉及的對(duì)象。下面則對(duì)這一課題技術(shù)展開(kāi)論述研究。

1.1 幾何建模

三維視覺(jué)建?？杉?xì)分為幾何建模（Geometric Modeling）、物理建模（Physical Modeling）、對(duì)象行為建模（Object Behavior）等。而在虛擬世界構(gòu)建中高效關(guān)鍵的設(shè)計(jì)手段就是幾何建模。

物體對(duì)象的幾何信息可以用幾何建模（Geometric Modeling）來(lái)描述，虛幻世界中的各個(gè)對(duì)象都可由形狀和外形2個(gè)要素來(lái)構(gòu)成，而這2個(gè)要素又將分別由對(duì)象的其他因素來(lái)綜合確定。

1.1.1 Polygon（多邊形）建模

Polygon（多邊形）建模是基礎(chǔ)建模技術(shù)，就是用比較少量的網(wǎng)格多邊形進(jìn)行編輯建模。運(yùn)用這種方法，先刻畫(huà)一個(gè)基本的規(guī)則幾何體，再根據(jù)需求進(jìn)一步修改對(duì)象細(xì)節(jié)部分，最后通過(guò)各種手段技術(shù)來(lái)營(yíng)造虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和對(duì)象。多邊形建模的缺點(diǎn)不能夠生成曲面，但其操作簡(jiǎn)單方便，而且時(shí)效性頗佳。polygons多用于游戲、動(dòng)畫(huà)等領(lǐng)域中。

多邊形包括4個(gè)基本元素：頂點(diǎn)，邊，面，紋理坐標(biāo)。

1.1.3 Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）建模

Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）是近年來(lái)新興的一類建模技術(shù)。技術(shù)中匯集了NURBS（非均勻有理 B 樣條曲線）建模和Polygon建模的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，適合搭建一些層次感豐富復(fù)雜的模型。而且，其建模工具簡(jiǎn)單，操作方便，創(chuàng)作靜幀作品時(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在對(duì)象表明的連續(xù)性問(wèn)題。刻畫(huà)到細(xì)節(jié)的時(shí)候，比如高精度的調(diào)節(jié)，就是利用level參數(shù)進(jìn)行區(qū)域性的調(diào)節(jié)。特別地，只是Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）能夠用于應(yīng)對(duì)要求很高的建模。

綜上，將可根據(jù)用戶的實(shí)際需求來(lái)選擇最為恰當(dāng)?shù)慕７椒?，如此才能快速有效地達(dá)成效果目標(biāo)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)中的物理建模

繼幾何建模發(fā)展流行之后，另外一種建模應(yīng)運(yùn)而生，就是物理建模。物理建模重點(diǎn)取決于科學(xué)合理的動(dòng)態(tài)約束和運(yùn)動(dòng)方程的確立及求解。更改限制條件，互動(dòng)環(huán)境即可自動(dòng)解答更新的運(yùn)動(dòng)方程而且不存在顯著延遲現(xiàn)象。研究中，多是通過(guò)模擬對(duì)象的位移、碰撞檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)、表面形變等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)模型搭建[2]。

下面針對(duì)2種較為經(jīng)典的物理建模技術(shù)：分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)，分別給出技術(shù)綜述。

1.2.1 分形技術(shù)

分形技術(shù)用來(lái)表示具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。一些復(fù)雜的不規(guī)則形狀對(duì)象的建模可以運(yùn)用自相似這種結(jié)構(gòu)。該技術(shù)最早應(yīng)用于山川及水流的地理特性建模。分形技術(shù)雖然有其操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算量過(guò)大，技術(shù)實(shí)時(shí)性也隨即降低，所以只用在靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模上。

1.2.2 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)屬于經(jīng)典的物理建模系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的操作即可完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的建模，由此構(gòu)成了粒子系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，粒子系統(tǒng)可以來(lái)表示焰火、流水、風(fēng)雪、大雨、瀑布等自然現(xiàn)象。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，粒子系統(tǒng)主要用于動(dòng)態(tài)的、運(yùn)動(dòng)的物體建模。那些帶有動(dòng)態(tài)特點(diǎn)的對(duì)象的建?？梢酝ㄟ^(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)中的行為建模

幾何建模與物理建模相結(jié)合，僅是可以局部呈現(xiàn)出一個(gè)視覺(jué)上感受真實(shí)的畫(huà)面特點(diǎn)，而若要建造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境世界，則還需要行為建模的參與和加入。

對(duì)象的運(yùn)動(dòng)與行為描述均可以通過(guò)行為建模的方式來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)操作。行為建模能夠準(zhǔn)確貼切地描述虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，如果沒(méi)有行為模型的實(shí)效支撐，那么任何VR的構(gòu)建則不會(huì)存在任何意義。

在構(gòu)造模型時(shí)，不但要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型外觀等表現(xiàn)特性，同時(shí)更要關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)模型物理特性和符合真實(shí)存在的行為習(xí)慣和應(yīng)激的能力[3]。

如果說(shuō)幾何建模（Geometric Modeling）技術(shù)主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展所得，那么，物理建模（Physical Modeling）和行為建模（Object Behavior）就是多學(xué)科領(lǐng)域交叉的研究產(chǎn)物。必須結(jié)合多個(gè)領(lǐng)域的研究技術(shù)成果，才能夠建立優(yōu)質(zhì)、高端完善的行為模型。

2 3D MAX 模型在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言———VRML

VRML （Virtual Reality Modeling Language）是一種能夠在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)揮影響與作用的可以構(gòu)建立體虛幻空間的仿真程序語(yǔ)言。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的用戶能夠?yàn)g覽到由VRML創(chuàng)建的3D虛幻現(xiàn)實(shí)，改變時(shí)下網(wǎng)絡(luò)與用戶應(yīng)用互動(dòng)的局限性， 使得用戶與計(jì)算機(jī)的需求互動(dòng)更加便捷，從而全面展示了虛擬場(chǎng)景的沉浸性、交互性和自主性。

VRML 語(yǔ)言具有描述性質(zhì)，可以構(gòu)造三維立體環(huán)境或物體。在構(gòu)造的虛擬環(huán)境中，每個(gè)場(chǎng)景均由許多的節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)部署并構(gòu)成，即可對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概述，由此生成wrl文件。

VRML與HTML相同，可以理解為是 ASCII 碼的描述性的語(yǔ)言。具體來(lái)說(shuō)，就是一種碼文件，可用普通計(jì)算機(jī)中都包含的文本編輯器編寫(xiě)， 還能使用 VRML 語(yǔ)言的專業(yè)編輯器來(lái)編寫(xiě)源程序。通過(guò)使用VRML，用戶可以自行構(gòu)造出符合特定需求的模擬桌面場(chǎng)景[4]。

2.2 3D MAX 模型在 VRML 中的應(yīng)用

VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）運(yùn)用節(jié)點(diǎn)搭建環(huán)境，但是用節(jié)點(diǎn)來(lái)描述模型卻難能達(dá)到具體逼真的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)效果，而且也不容易模擬包含復(fù)雜面的形體。若運(yùn)用 3D MAX 則能夠彌補(bǔ)這一不足[3]?，F(xiàn)對(duì)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程給出具體分析闡述。

（1） 用 MAX 模型建立 VEML 文件。

（2）若想要構(gòu)建VRML的三維立體虛幻空間，首先需要啟用3D MAX，如此，將能夠輸出VRML97的文件。點(diǎn)擊3D MAX進(jìn)入系統(tǒng)，并且使用各種建模方法搭建VR系統(tǒng)的實(shí)體化之后，就要單擊Create/Helpers，選擇VRML97；此時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)工具面板， 面板上列示12個(gè)VRML輔助工具，分別是： Anchor （ 錨傳感器） 、AudioClip（ 音頻剪裁板） 、Background（ 背景）、Billboard（ 廣告牌）、Fog（ 霧）、Inline Object（ 在線幫助） 、LOD （ 細(xì)節(jié)級(jí)別） 、NavInfo（ 瀏覽信息） 、ProxSensor（ 范圍傳感器） 、Sound（ 聲音） 、TimeSensor（ 時(shí)間傳感器） 、TouchSensor（ 觸動(dòng)傳感器） ；相應(yīng)地，就可添加協(xié)調(diào)輔助的工具， 隨后單擊“File/Export”這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“Select file to Export”對(duì)話框， 點(diǎn)擊“保存類型”的下拉列表框， 選取“VRML97（*.WRL）”類型文件， 確定文件名后單擊“保存”；其后，出現(xiàn)“VRML 97 EXPORTER”對(duì)話框， 選取系統(tǒng)默認(rèn)值， 點(diǎn)擊“OK”生成一個(gè)文件，文件的后綴就是WRL。

（3）將 MAX 模型導(dǎo)入到 VRML 場(chǎng)景中

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，即是先將3D MAX模型導(dǎo)出，保存為3DS格式，再合并VRML。那些運(yùn)用VRML開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的虛幻環(huán)境中，大部分實(shí)體都能夠在3D MAX中完成模型創(chuàng)建，最后獲得VRML形式的文件。比如在建筑漫游環(huán)境里虛擬一部電梯（loft）。電梯模型可以運(yùn)用前述提及的Polygon（多邊形建模）來(lái)構(gòu)建生成，并保存為VRML格式文件。而后，可結(jié)合 TouchSensor、TimeSensor 和 PositionInterpolator 節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到電梯門拉開(kāi)與關(guān)閉的場(chǎng)景視覺(jué)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，VR技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，不僅在教育、軍事、醫(yī)療、建筑、航空等領(lǐng)域參與了成果創(chuàng)造，而且在娛樂(lè)、制造業(yè)等方面也發(fā)揮了重要的作用。

但在這方面的研究中，仍然存在諸多不足。因此，在計(jì)算機(jī)新興技術(shù)開(kāi)拓發(fā)展進(jìn)程中，會(huì)有更多、更新可行的方案來(lái)解決當(dāng)下存在的研究難題，虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維建模技術(shù)必將獲得更大的發(fā)展空間及更為可觀的應(yīng)用前景。

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