山西工商學(xué)院，山西太原 030001

一、引言

隨著我國(guó)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從目前的網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化，逐步向智能化、普適化、人性化發(fā)展，其主要涉及的領(lǐng)域有設(shè)計(jì)、娛樂、醫(yī)學(xué)、軍事、航空、制造、考古、教育訓(xùn)練、災(zāi)難重現(xiàn)、人機(jī)交互界面、參考咨詢、農(nóng)業(yè)等[1]。

上述應(yīng)用針對(duì)地物實(shí)體外部空間的表達(dá)和模擬，對(duì)室內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面，其研究和應(yīng)用較少，因此迫切需要開展室內(nèi)的視景仿真工作，使得地物內(nèi)部的景象數(shù)字化、靈活化、逼真化。

本文以某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和測(cè)量，并以Presagis Creator13為建模工具，對(duì)內(nèi)部景觀及設(shè)備進(jìn)行了全方位的三維模擬，構(gòu)建了真實(shí)的三維環(huán)境，同時(shí)，本文也對(duì)建模過(guò)程中容易遇到的問題進(jìn)行探討和總結(jié)。

二、室內(nèi)建模軟件及路線

Presagis Creator（以下簡(jiǎn)稱Creator）是加拿大Presagis公司的新一代實(shí)時(shí)仿真建模工具，用于構(gòu)造高優(yōu)化、高精度的實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景，廣泛應(yīng)用于視景仿真、交互式游戲。它擁有對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式,強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項(xiàng)和插件，能高效、最優(yōu)化地生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并與后續(xù)的實(shí)時(shí)仿真軟件緊密的結(jié)合，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。

基于對(duì)校園三維漫游系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)建模過(guò)程中模型復(fù)雜、種類繁多的現(xiàn)狀，得出在三維模型建立之前，需要對(duì)被建模型的本身進(jìn)行全方位了解，并根據(jù)每個(gè)小塊模型之間的聯(lián)系以及模型在虛擬場(chǎng)景的幾何空間位置，同時(shí)結(jié)合OpenFlight層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[3]，來(lái)對(duì)實(shí)體模型的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。為了在建模中省時(shí)省力，本文采用了相對(duì)合理的方案來(lái)規(guī)劃三維建模過(guò)程。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1、由于建模過(guò)程比較復(fù)雜，不僅模型種類不同，對(duì)建模過(guò)程中的精度要求不同，而且每個(gè)模型的點(diǎn)、線、面、體元素很多，不利于提高建模效率，所以需要將模型分類，單獨(dú)整理建模；

2、分類完成后，把可以簡(jiǎn)化的模型歸類，針對(duì)不同模型，選用不同的建模技巧，以達(dá)到最好的視景效果。如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)景中，擺放的實(shí)驗(yàn)桌子、椅子，這時(shí)可以建立一個(gè)典型的模型，之后運(yùn)用建模技巧對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行移動(dòng)，或者鏡像等來(lái)完成對(duì)應(yīng)幾何位置的其他模型，這就相對(duì)的減少了建模工作量。

三、三維建模中的關(guān)鍵技術(shù)

1、模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立

相對(duì)于3DSMax、Sketchup等建模軟件來(lái)講，Creator在模型數(shù)據(jù)管理方面有較多優(yōu)勢(shì)。它可以在基本建模環(huán)境中，為用戶提供功能豐富強(qiáng)大的建模環(huán)境，使用戶可以快速地創(chuàng)建仿真模型。Creator的劣勢(shì)在于它的布爾運(yùn)算功能相對(duì)較差，不支持NURBS建模，對(duì)于實(shí)體較復(fù)雜且要求較精細(xì)的建模比較艱難，不易達(dá)到理想的效果。

由于可視化仿真襯里渲染的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和其本身所具有的交互性特點(diǎn)，決定了可視化仿真系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)跟傳統(tǒng)的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)有不同：

（1）支持多種格式的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

（2）支持多自由度（Degree of Freedom，DOF）、多細(xì)節(jié)層次（Level of Detail ，LOD）建模；

（3）支持光點(diǎn)系統(tǒng)以及動(dòng)畫模擬。

在建模過(guò)程中，為了使模型數(shù)據(jù)快速建立以及被應(yīng)用程序快速讀取，需要盡量減少模型的多邊形數(shù)量，以使模型構(gòu)造最簡(jiǎn)化，同時(shí)也減少對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的占用。

在Creator建模時(shí)要注意幾點(diǎn)原則：

（1）在從其他建模軟件導(dǎo)入模型時(shí)，要注意采用統(tǒng)一的計(jì)量單位和比例尺；

（2）要注意設(shè)備模型的底面與網(wǎng)格的關(guān)系，比如車輛類模型的底面要與網(wǎng)格重合，船艦類模型要與吃水線重合，飛機(jī)類模型要與其中心面重合；

（3）建模過(guò)程中，盡量用貼圖代替面，減少模型的面數(shù)；

（4）貼圖要符合Creator軟件的要求，Creator紋理庫(kù)[4]有128個(gè)調(diào)色板存放紋理，紋理圖像的邊長(zhǎng)必須是2的冪次方個(gè)像素，且貼圖盡量要??；

（5）要設(shè)置合適的LOD節(jié)點(diǎn)和DOF節(jié)點(diǎn)，要隨時(shí)注意模型數(shù)據(jù)庫(kù)中父節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、名稱的改變，避免名稱為默認(rèn)值，產(chǎn)生Default節(jié)點(diǎn)。并且放在同一個(gè)自由度下的節(jié)點(diǎn)不能移動(dòng)到其他節(jié)點(diǎn)；

（6）建模時(shí)，要對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，考慮現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的要求，針對(duì)模型設(shè)計(jì)合理的紋理貼圖，增強(qiáng)模型的真實(shí)感。

在室內(nèi)實(shí)體建模過(guò)程中，由于觀察的視點(diǎn)在實(shí)體內(nèi)部，所以需要建立操作部分的精確視圖。但Creator對(duì)精細(xì)化的建模效果不是很理想，這時(shí)需要結(jié)合其他建模軟件，比如常用的是3DSMax或者Sketchup，將模型存儲(chǔ)為3ds或者dxf格式，然后導(dǎo)入Creator中，經(jīng)過(guò)一定的改造、優(yōu)化（比如刪除多余的面，調(diào)整紋理貼圖大小，添加LOD、DOF節(jié)點(diǎn)等），并導(dǎo)出成Openf l ight格式。

在此過(guò)程中需要注意的是：

（1）導(dǎo)入之前要選定統(tǒng)一的計(jì)量單位，避免導(dǎo)入后不在原位置；

（2）所建立的模型不要分很多段，避免某個(gè)面的細(xì)節(jié)很多。

在模型導(dǎo)入后，面與面之間進(jìn)行整理合并，減少多余的面。如圖1所示是椅子三維模型及數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖。

2、紋理貼圖

紋理貼圖[5]在三維建模中起著重要的作用，因?yàn)榧y理直接反應(yīng)了模型的逼真程度，高質(zhì)量的紋理貼圖不僅可以描述實(shí)體細(xì)節(jié)特征，而且可以簡(jiǎn)化模型。例如一張好的臺(tái)階圖像就可以代替臺(tái)階模型，從而減少了模型的復(fù)雜程度以及對(duì)內(nèi)存的占用。三維模型的逼真程度同時(shí)也映射著紋理圖像的質(zhì)量。

紋理貼圖的本質(zhì)是二維的圖像轉(zhuǎn)換成三維的圖像，在模型中表現(xiàn)出來(lái)真實(shí)的效果[6]。紋理圖像的格式不符合Creator所識(shí)別的格式，或者大小不符合Creator所要求的范圍，這時(shí)所貼模型的面就會(huì)出現(xiàn)模糊不清或者馬賽克狀。處理貼圖時(shí)，在保證視覺效果的前提下，盡量選擇小的圖像代替大的圖像，比如用32px×32px的圖片代替128px×128px的圖片。如圖2所示是實(shí)驗(yàn)室桌子模型貼圖效果圖。

在貼圖過(guò)程中，首先要對(duì)紋理圖像進(jìn)行處理，使紋理、材質(zhì)與環(huán)境效果相互統(tǒng)一，使用PS技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行一系列的處理，同時(shí)需要注意的是要在PS安裝目錄下的File Formats文件夾中安裝rgb插件，這樣輸出的圖片格式符合OpenFilght的要求。

本文中對(duì)某大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)設(shè)備器材的建模時(shí)采用批量生成的方法。在Creator軟件建模環(huán)境中，軟件只對(duì)貼圖文件的路徑及貼圖以何種方式被使用進(jìn)行記錄，因此沒有直接將貼圖文件包含于模型文件中，基于這個(gè)特點(diǎn)，可以將實(shí)體相同的模型，先單獨(dú)建立一個(gè)完整的模型，通過(guò)對(duì)位置及貼圖的修改，即可簡(jiǎn)單的生成新的模型。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)具有相同特征的模型可以大大的減少工作量，在建模中有重要的意義。缺點(diǎn)是比較單一，對(duì)于具有相同結(jié)構(gòu)但外部紋理不同的模型，紋理的制作量比較大，并且不能互用。圖3所示是教學(xué)實(shí)驗(yàn)室部分相似模型的生成。

3、其他種類貼圖的使用

在Creator軟件當(dāng)中，除了上文中提到的紋理（漫反射紋理），還有法線紋理和高光紋理，這兩種紋理是在不增加模型幾何復(fù)雜度的情況下豐富細(xì)節(jié)和增加模型美觀度的，可以通過(guò)Creator自帶工具生產(chǎn)[7]。但是當(dāng)模型加入法線紋理后,相應(yīng)的使用模型的三維渲染引擎也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，通過(guò)GLSL著色語(yǔ)言使法線紋理高光紋理產(chǎn)生效果。本文中所建立的模型要做Presagis Vega Prime三維渲染引擎中渲染完成。如圖4所示是實(shí)驗(yàn)室最終效果圖。

四、總結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然現(xiàn)在做不到像電影《時(shí)光機(jī)器》中虛擬館員那樣，當(dāng)讀者說(shuō)出要查找的內(nèi)容，他就會(huì)一邊跟讀者交流一邊很快地檢索出結(jié)果，放到屏幕上如此神奇。但是在室內(nèi)現(xiàn)實(shí)這塊，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)全景漫游，讓人在屏幕上操作攝像機(jī)在室內(nèi)漫游，就像人在真實(shí)的環(huán)境中散步一樣，可以觀看每個(gè)房間內(nèi)的布局及設(shè)備，使參觀更方便、直觀。

本文結(jié)合先前大學(xué)校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出了Creator軟件與其他軟件對(duì)比的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了建模中的關(guān)鍵技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)技巧，總結(jié)了三維建模中的原則和模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立時(shí)的簡(jiǎn)化方法，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了紋理貼圖過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)，對(duì)三維建模高效、高質(zhì)量的研究和實(shí)現(xiàn)提出了可行的方法。

最后以某大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，對(duì)以上提出的部分技巧進(jìn)行實(shí)例運(yùn)用，驗(yàn)證了在三維建模中針對(duì)不同的實(shí)體模型選用合適的技巧后，不僅可以提高建模的速度，減少工作量，而且加快了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，更降低了對(duì)系統(tǒng)硬件配置的要求。