陳偉強(qiáng)

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是21世紀(jì)高科技發(fā)展的主要趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。借助CPU散熱器模型的構(gòu)建步驟和方法，論述了MAYA三維建模技術(shù)的基本內(nèi)容、主要特征和關(guān)鍵技術(shù)等理論。并介紹了MAYA的基本內(nèi)容原理與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之間的聯(lián)系和應(yīng)用效果，為今后虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展提供了理論材料，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用前景和研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：三維建模；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；模型優(yōu)化；交叉技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.154

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展在一定程度上推動(dòng)了仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將仿真技術(shù)和傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)相融合的交叉技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有高速的計(jì)算和傳輸性能，效果逼真，涉及到實(shí)驗(yàn)室、文化教育、考古、軍事等專業(yè)機(jī)構(gòu)和社會(huì)領(lǐng)域各行業(yè)。虛擬體具有與幾何、生物行為、物理等相融合的基本屬性。隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為了未來發(fā)展關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 MAYA三維建模與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的聯(lián)系

近年來，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域廣泛推廣和應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、系統(tǒng)三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、以及場(chǎng)景的藝術(shù)表現(xiàn)等方面的內(nèi)容，得到了社會(huì)的重視和關(guān)注。MAYA的三維建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)組成部分，是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和步驟。三維建模是計(jì)算機(jī)通過三維軟件把二維建模部門前期設(shè)計(jì)好的圖稿在虛擬空間中制作出的物體模型。模型的造型結(jié)構(gòu)、模型的布線規(guī)律以及模型的三維空間是建模關(guān)鍵的三部分。三維建模作為三維動(dòng)畫項(xiàng)目制作的基礎(chǔ)，三維建模的質(zhì)量在一定程度上對(duì)三維動(dòng)畫的材質(zhì)貼圖和角色的制作過程起著決定性的作用。MAYA軟件具有多邊形建模板塊，能創(chuàng)建三維虛擬環(huán)境和制作三維模擬動(dòng)畫，其采用新的運(yùn)算法則提高了性能。

用戶可通過桌面式、分布式、增強(qiáng)式等形式參與到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，擁有極強(qiáng)的交互性，變革了傳統(tǒng)的人機(jī)交換模式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能構(gòu)筑和啟發(fā)構(gòu)思創(chuàng)建逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，具備完善的交互能力。多感知和交互性功能的強(qiáng)大是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，帶給用戶生理和心理上的真實(shí)體驗(yàn)，也更加注重用戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)空間的實(shí)時(shí)操作和用戶的及時(shí)反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能高效處理海量數(shù)據(jù)，解決了構(gòu)建復(fù)雜模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的難題，消除了用戶因計(jì)算和傳輸滯后帶來的心理障礙。

2 應(yīng)用效果

MAYA的建模功能豐富、體系完善，用戶可以通過粒子系統(tǒng)、衣料仿真、植物創(chuàng)建等進(jìn)行快速創(chuàng)作，是構(gòu)建虛擬組裝和維修學(xué)習(xí)的軟件，三維模型的創(chuàng)建是虛擬組裝和維修學(xué)習(xí)平臺(tái)的基礎(chǔ)，三維模型的表現(xiàn)力對(duì)呈現(xiàn)虛擬平臺(tái)的真實(shí)程度有直接影響。開發(fā)者使用MAYA建模模塊部分創(chuàng)建模型時(shí)，由于受到軟件配置和虛擬平臺(tái)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、互聯(lián)網(wǎng)寬帶交互響應(yīng)的限制。因此，MAYA建模功能的強(qiáng)大表現(xiàn)在創(chuàng)建模型時(shí)能控制模型面數(shù)的數(shù)量，在保證視覺效果不失真的條件下使用適合的布線來進(jìn)行模型的構(gòu)建。MAYA是入門操作簡(jiǎn)便，具備高兼容性，具有人性化和交互性強(qiáng)的三維軟件，能提供多接口技術(shù)，配合

順暢，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理的交互性，優(yōu)化了軟件的性能。同時(shí)，還能靈活使用游戲建模創(chuàng)建時(shí)的部分技巧，以采用標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)來創(chuàng)建模型為例，當(dāng)遇到復(fù)雜的貼圖時(shí)，可以用凹凸紋理來代替來減少幾何體的細(xì)分?jǐn)?shù)，并將多邊形中重合的點(diǎn)線合并、不可見的面刪掉；將模型分離，獨(dú)立建模，以便達(dá)到在虛擬環(huán)境下能順暢瀏覽和互動(dòng)的效果；使用網(wǎng)格中的精簡(jiǎn)命令來優(yōu)化模型面數(shù)等。值得注意的是，三維模型具有相應(yīng)的物理性質(zhì)，但不能相互穿越，這是三維建模與游戲建模的最大區(qū)別。

在資料收集整理和分析方面，使用MAYA軟件創(chuàng)建虛擬組裝電腦時(shí)，需要在前期收集相關(guān)的組裝資料，還需要將多臺(tái)電腦主機(jī)拆解開，歸納和分析主機(jī)的內(nèi)部部件，并將各組件具備的共性和個(gè)性羅列出來，模糊化處理將要構(gòu)建的模型，最后使用流行的電源下設(shè)置式進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)圖，總結(jié)和概括出組裝計(jì)算機(jī)時(shí)采用的主要模塊，如圖1所示。

在創(chuàng)建模型方面，使用數(shù)碼相機(jī)將前期準(zhǔn)備好的主要模塊典型的部件進(jìn)行拍攝或掃描，制作成創(chuàng)建模型時(shí)需要的以正、側(cè)、前面三面為主的參考三視圖形。模型創(chuàng)建可采用兩種方法相結(jié)合的形式，根據(jù)創(chuàng)建模型的需要可選擇多種建模相互結(jié)合或相互轉(zhuǎn)化方式，其一是多邊形建模，其二是曲面建模。多邊形建模主要用于創(chuàng)建模型的主體部分，而曲面建模主要用于彎曲有弧度或者線材的部分。創(chuàng)建散熱器電源建模時(shí)采用多邊形、曲面以及細(xì)分曲面多種建模方式相結(jié)合的形式。

以創(chuàng)建CPU散熱器模型為例，散熱底座部分采用多邊形中的平面多次擠出壓制作，對(duì)生成的模型采用變形修改器中的非線性擴(kuò)張和晶格來調(diào)節(jié)變形。采用MAYA多邊形建模，可高效、安全地將熱管安裝在CPU散熱器中，可以在屏幕上看到三維模型，具體到每個(gè)點(diǎn)和面，不同的尺寸和方向，改變了傳統(tǒng)安裝散熱器的設(shè)計(jì)方法，精確度更高。通過排列這些點(diǎn)和面可以將復(fù)雜的CPU散熱器三維模型構(gòu)建出來，不會(huì)受到安裝熱管散熱器的體積和安裝的限制，更加突出了模型的細(xì)節(jié)部分，且可通過倒角和擠出命令來完成創(chuàng)建。散熱器風(fēng)扇的扇葉創(chuàng)建是使用圓柱體修改默認(rèn)參數(shù)并擠出二級(jí)而形成的，扇葉的扭曲是采取變形命令中的非線性扭曲進(jìn)行操作的。風(fēng)扇的線材和接口使用曲面建模中的放樣命令制成，可對(duì)散熱器局部區(qū)域的多邊形進(jìn)行細(xì)分。當(dāng)模型出現(xiàn)三角形時(shí)，可以通過加線處理變成四邊形，并使用Delete等命令刪除掉多余的點(diǎn)和線，不會(huì)出現(xiàn)重疊面，使模型更加具體化，設(shè)計(jì)出的效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的建模形式。運(yùn)用對(duì)齊工具命令組合加入修飾的零件部分，在對(duì)齊的條件下使用Ctrl+G完成操作，組裝成完整的CPU散熱器，見圖2.

圖2 完整的CPU散熱器

優(yōu)化創(chuàng)建的模型材質(zhì)和貼圖。貼圖是種二維圖像，依附在物體表面，貼圖具有突出復(fù)雜模型簡(jiǎn)化局部細(xì)節(jié)的作用，使模型達(dá)到更加真實(shí)和精細(xì)的效果，還能使模型有反射和鏤空等效果。不同的部件可以采取多種方式相結(jié)合的形式來靈活搭配材質(zhì)。在虛擬的組裝學(xué)習(xí)平臺(tái)中，常常會(huì)接觸到基礎(chǔ)材質(zhì)的使用，基礎(chǔ)材質(zhì)通過特殊的效果可以模擬出機(jī)箱風(fēng)扇發(fā)光的效果，側(cè)透機(jī)箱擋板可以通過調(diào)節(jié)透明或半透明材質(zhì)的透明度來模擬。創(chuàng)建金屬、亞光和磨砂等材質(zhì)使用的方法是調(diào)節(jié)公用材質(zhì)的屬性和鏡面反射著色。一般情況下，主板和內(nèi)存等電路基板使用的是Lamert材質(zhì)，使用Blinn材質(zhì)構(gòu)建螺絲和散熱條等可模擬出銅管等金屬體的質(zhì)感。MAYA三維建模通過控制模型的材質(zhì)和貼面的渲染精確度，可對(duì)模型進(jìn)行加工修改，并通過高模效果來檢測(cè)模型的材質(zhì)和貼圖是否制作到位。材質(zhì)與貼圖的相互結(jié)合可以使模型更加完善，更有質(zhì)感，創(chuàng)建出逼真的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

3 結(jié)束語(yǔ)

MAYA功能完善，具有簡(jiǎn)易學(xué)習(xí)、工作靈活、制作效率高、真實(shí)感極強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能大大提高影視特效制作、游戲開發(fā)、欄目包裝和設(shè)計(jì)行業(yè)等的工作效率。隨著MAYA的推廣和應(yīng)用，在三維動(dòng)畫制作和游戲制作等領(lǐng)域也有所運(yùn)用，其多線程支持功能使開發(fā)者可以利用多核心處理器進(jìn)行三維動(dòng)畫的渲染。MAYA是構(gòu)建虛擬環(huán)境的重要軟件，具有超強(qiáng)的建模、容錯(cuò)能力和擴(kuò)展性，還需要深入研究其三維建模的模型優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等流程和方法，將其運(yùn)用到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，這具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。將MAYA三維建模技術(shù)應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，不僅能減少計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重復(fù)和繁雜工作，還能提高建模創(chuàng)作設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的可視感，提升用戶在三維虛擬場(chǎng)景中的真實(shí)感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種多元信息融合的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，具有三維動(dòng)態(tài)實(shí)景和仿真實(shí)體行為的特點(diǎn)，其通過創(chuàng)建模擬環(huán)境世界，使人們?cè)趥鞲蓄^盔或數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設(shè)備下進(jìn)入虛擬環(huán)境，獲得視覺、聽覺以及觸覺等方面的感受，還能操作虛擬世界中的對(duì)象。

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〔編輯：張思楠〕