林昱

摘 ?要： 為滿(mǎn)足舞臺(tái)場(chǎng)景設(shè)計(jì)真實(shí)感、高效率要求，采用3DMAX完成三維虛擬的舞臺(tái)場(chǎng)景建模和虛擬設(shè)計(jì)。利用3DMAX多媒體制作軟件制作舞臺(tái)場(chǎng)景三維模型，首先制作舞臺(tái)各部分子模型，通過(guò)材質(zhì)編輯和添加貼圖增加舞臺(tái)逼真效果，組合多個(gè)子模型進(jìn)行適當(dāng)布局和調(diào)整獲取完整的三維舞臺(tái)場(chǎng)景模型;完成3DMAX三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景建模后在VRP編輯器中展示，利用3DMAX?for?VRP導(dǎo)出插件，基于天空盒技術(shù)渲染舞臺(tái)環(huán)境，通過(guò)動(dòng)作、角色模塊添加場(chǎng)景角色和動(dòng)作效果，實(shí)現(xiàn)三維虛擬舞臺(tái)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景逼真程度高于同類(lèi)型方法，三維建模性能突出，該方法適用于三維虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)以及特效場(chǎng)景制作。

關(guān)鍵詞： ?虛擬設(shè)計(jì); 三維模型; 舞臺(tái)場(chǎng)景; 場(chǎng)景建模; 舞臺(tái)環(huán)境渲染; 3DMAX

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.8?34; TP391.41 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）19?0103?04

Abstract： In order to meet the requirements of realistic and efficient stage scene design， 3DMAX is used to complete the 3D virtual stage scene modeling and virtual design. The three?dimensional model of stage scene is made by using 3DMAX multimedia production software. Firstly， the sub?models of various parts of the stage are made， the stage realistic effect is increased by material editing and texturing， and the complete three?dimensional stage scene model is obtained by combining multiple sub?models with appropriate layout and adjustment. After the 3DMAX virtual stage scene modeling is completed， it is displayed in VRP editor and the plug?in is derived by 3DMAX?for?VRP. The plug?in is used to render the stage environment on the basis of Skybox technology， and scene roles and action effects are added by means of action and role modules to realize three?dimensional virtual stage design. The experimental results show that the three?dimensional virtual stage scene designed by this method is more realistic than that made by the other similar methods， and the three?dimensional modeling performance is outstanding. This method is suitable for three?dimensional virtual scene design and special effect scene production.

Keywords： virtual design; 3D model; stage scene; scene modeling; stage environment rendering; 3DMAX

0 ?引 ?言

近幾年，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)不斷進(jìn)步，促使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在科學(xué)技術(shù)飛速前進(jìn)的大環(huán)境下，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維景觀建模技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，此類(lèi)技術(shù)已經(jīng)涉及城市規(guī)劃、廣告設(shè)計(jì)、舞臺(tái)設(shè)計(jì)、多媒體教學(xué)等領(lǐng)域[1]。美國(guó)AutoDesk公司于1990年開(kāi)發(fā)出了3DMAX軟件，該軟件是一種基于矢量的三維造型和動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形處理功能，構(gòu)建相應(yīng)的三維模型。本文提出基于3DMAX三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景建模和虛擬設(shè)計(jì)方法，結(jié)合VRP虛擬平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)場(chǎng)景建模的真實(shí)感，為三維舞臺(tái)場(chǎng)景設(shè)計(jì)提供生動(dòng)、逼真、可視化的舞臺(tái)虛擬效果。

1 ?三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景建模和虛擬設(shè)計(jì)

針對(duì)舞臺(tái)場(chǎng)景進(jìn)行三維建模和虛擬設(shè)計(jì)，圖1為采用3DMAX軟件進(jìn)行舞臺(tái)虛擬場(chǎng)景建模與設(shè)計(jì)的步驟。

1） 對(duì)主舞臺(tái)進(jìn)行場(chǎng)景建模;

2） 以舞臺(tái)設(shè)備、布幕、音響、演出道具、懸吊與更換支架系統(tǒng)等附件舞臺(tái)為對(duì)象構(gòu)建子模型;

3） 將構(gòu)建好的主舞臺(tái)模型和附件舞臺(tái)模型按照真實(shí)比例合成，并對(duì)合成后的舞臺(tái)模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整;

4） 添加燈光對(duì)舞臺(tái)效果進(jìn)行渲染;

5） 采用VRP編輯器導(dǎo)出合成模型，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì);

6） 采用天空盒對(duì)舞臺(tái)背景進(jìn)行渲染，再通過(guò)角色模塊和動(dòng)作模塊對(duì)舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)圖添加角色和動(dòng)作，獲取完整的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)圖。

1.1 ?3DMAX三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景建模

1.1.1 ?復(fù)雜三維模型制作

基于3DMAX進(jìn)行三維建模與虛擬設(shè)計(jì)，具有大量特殊無(wú)規(guī)律性的不規(guī)則曲面及曲線的三維模型稱(chēng)為復(fù)雜模型。3DMAX在樣條曲線和曲面方面已經(jīng)有成形的計(jì)算方法，實(shí)際操作過(guò)程中由于多種不確定因素的干擾[2]，采用已有的樣條曲線和曲面的計(jì)算方法不能準(zhǔn)確獲取全部所需數(shù)據(jù)，因此針對(duì)特殊問(wèn)題進(jìn)行特殊分析。舞臺(tái)三維模型如圖2所示，在舞臺(tái)場(chǎng)景虛擬建模時(shí)，由于上方的四周需要有固定燈光的鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而主舞臺(tái)及“十”字舞臺(tái)均為不規(guī)則曲線，因此建模時(shí)采用樣條曲線對(duì)鋼網(wǎng)模型進(jìn)行放樣，為了接近實(shí)際的曲線形狀，要對(duì)曲線曲率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并對(duì)單個(gè)曲線進(jìn)行桿狀實(shí)體化處理，其他部位需要在網(wǎng)格技術(shù)基礎(chǔ)上建立網(wǎng)格模型，相同模型無(wú)需再次生成[3]，只需采用鏡像復(fù)制。

1.1.2 ?其他附件模型的制作

三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景設(shè)計(jì)中，除了主舞臺(tái)，還有舞臺(tái)設(shè)備、燈光、布幕、音響、演出道具、懸吊與更換支架系統(tǒng)等舞臺(tái)附件[4]，以上舞臺(tái)附件模型的獲取依靠Mesh，Patch和NURBS等建模工具，這些建模工具均為3DMAX的高級(jí)建模工具。包含制作完成的舞臺(tái)設(shè)備、燈光、布幕、音響、演出道具、懸吊與更換支架系統(tǒng)等模型的合成圖像如圖3所示。

1） 材質(zhì)與燈光的設(shè)置。舞臺(tái)建模過(guò)程中添加相應(yīng)材質(zhì)后，制作相應(yīng)的貼圖，使整個(gè)舞臺(tái)模型更具立體效果，觀感更加逼真生動(dòng)。材質(zhì)可以凸顯事物的特點(diǎn)，因此3DMAX軟件應(yīng)用包含材質(zhì)編輯器[5]，建立三維虛擬舞臺(tái)模型時(shí)，采用材質(zhì)編輯器為模型增添圖案、文字等元素，增強(qiáng)對(duì)象的真實(shí)感。圖案或者文字的添加方式為：以計(jì)算機(jī)為媒介將經(jīng)過(guò)Photoshop軟件處理的圖片以貼圖方式貼在三維虛擬模型表面，由此提高三維模型逼真效果。

基于3DMAX設(shè)計(jì)三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景模型時(shí)，燈光模擬設(shè)置對(duì)于整個(gè)舞臺(tái)模型具有重要作用，除了之前提過(guò)的材質(zhì)添加和貼圖設(shè)置外，燈光的合理設(shè)置也會(huì)使整個(gè)舞臺(tái)效果更加真實(shí)。不同燈光有不同的質(zhì)感，自然光、人造光、環(huán)境光是較為常用的燈光類(lèi)型[6]，基于3DMAX的三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景模型設(shè)計(jì)中自然光的設(shè)置由直射燈實(shí)現(xiàn)，室內(nèi)光照的設(shè)置由泛光燈實(shí)現(xiàn)，而場(chǎng)景照明則由環(huán)境燈實(shí)現(xiàn)。由于演出一般在室內(nèi)或者室外夜晚情況下進(jìn)行，因此本文舞臺(tái)模型設(shè)計(jì)主要采用泛光燈和環(huán)境燈兩種類(lèi)型，使用多個(gè)泛光燈和環(huán)境燈對(duì)舞臺(tái)效果進(jìn)行渲染，圖4為兩種類(lèi)型燈照射下的舞臺(tái)效果。

2） 模型的合成。舞臺(tái)場(chǎng)景包含的各部分三維虛擬子模型制作完成后，對(duì)整個(gè)舞臺(tái)場(chǎng)景進(jìn)行合成，之前各個(gè)部分的模型都是獨(dú)立完成的三維虛擬子模型，現(xiàn)將各個(gè)部分的子模型組合在一起[7]，布局問(wèn)題和調(diào)整問(wèn)題尤為重要，否則整體布局會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的比例尺為100[∶]1，因此，三維虛擬模型合成的大小可通過(guò)真實(shí)舞臺(tái)布局尺寸、比例尺得到（包括整體舞臺(tái)模型尺寸以及各部分子模型制作尺寸）。

1.2 ?舞臺(tái)場(chǎng)景虛擬設(shè)計(jì)

1.2.1 ?VRP交換功能

VRP（Virtual Reality Platform，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)）主要功能模塊為相機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)特效、頂點(diǎn)著色、法線貼圖、VRP離子庫(kù)、天空盒、動(dòng)作模塊、角色模塊以及Flash空間等[8]，支持Lua語(yǔ)言程序功能使得VRP編輯器更具針對(duì)性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，圖5為VRP交換功能圖。

由圖5可知，VRP編輯器之所以應(yīng)用廣泛、效果突出，主要依賴(lài)于強(qiáng)大的語(yǔ)言編輯能力，面對(duì)多類(lèi)型程序的狀況，語(yǔ)言編輯能力掌握是VRP編輯器交互性實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

1.2.2 ?VRP虛擬舞臺(tái)后期優(yōu)化技術(shù)

1） 場(chǎng)景導(dǎo)入。VRP編輯器利用3DMAX進(jìn)行三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景建模，將通過(guò)3DMAX制作的模型導(dǎo)入VRP編輯器[9]，使用3DMAX?for?VRP將插件導(dǎo)出，將導(dǎo)出后的插件加入到Utilities面板中，單擊Utilities面板工具欄中的“VRPlat?form”按鈕，出現(xiàn)VRPlat?form插件功能窗口，通過(guò)該功能窗口可對(duì)舞臺(tái)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，將完成的場(chǎng)景編譯成Exe格式文件。

2） 天空盒技術(shù)。VRP編輯器具備多種功能，天空盒技術(shù)是VRP編輯器最重要的功能之一。該技術(shù)可以對(duì)虛擬舞臺(tái)整體環(huán)境及背景進(jìn)行渲染，無(wú)論是室內(nèi)舞臺(tái)還是室外舞臺(tái)，都可以對(duì)舞臺(tái)場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)置。使用VRP編輯器展示三維虛擬場(chǎng)景時(shí)，可以在舞臺(tái)場(chǎng)景中置換天空盒，或者根據(jù)舞臺(tái)場(chǎng)景需求自主創(chuàng)建新的天空盒[10]，天空盒通常為立方體形態(tài)，并由6張通過(guò)Photoshop軟件處理的圖片或3DMAX制作的圖片組成。通過(guò)天空盒功能置換出的圖片效果與全景圖效果并無(wú)差別，因此可利用天空盒功能完成全景演示。

3） 虛擬舞臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)以建模為基礎(chǔ)，通過(guò)3DMAX構(gòu)建需要的舞臺(tái)模型，舞臺(tái)模型的創(chuàng)建可以通過(guò)多邊形編輯器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)貼圖設(shè)置添加背景圖或者文字，完成三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的前期工作。交互實(shí)現(xiàn)以“事件”為介質(zhì)，通過(guò)VRP編輯器將構(gòu)建好的模型導(dǎo)入軟件中，由于VRP軟件不僅有強(qiáng)大的編輯功能，還包含動(dòng)作模塊和角色模塊，添加角色和動(dòng)作都需要這兩個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)?！霸仂o止動(dòng)作”“跑步動(dòng)作”“跳躍動(dòng)作”等都是根據(jù)需求而完成，由此實(shí)現(xiàn)虛擬舞臺(tái)設(shè)計(jì)。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ?舞臺(tái)場(chǎng)景設(shè)計(jì)逼真程度對(duì)比

為驗(yàn)證本文方法設(shè)計(jì)三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景的效果，采用本文方法設(shè)計(jì)一款舞臺(tái)景觀。為突出本文方法設(shè)計(jì)舞臺(tái)虛擬場(chǎng)景的質(zhì)量，采用基于Vega的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法、基于Web3D的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法與本文方法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)分別采用三種方法對(duì)舞臺(tái)模型的5個(gè)子模型進(jìn)行虛擬仿真，表1為采用各方法設(shè)計(jì)虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景逼真度對(duì)比情況。

由表1可知，采用本文方法對(duì)舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)圖像的逼真度平均值比基于Vega方法舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)逼真度平均值高約24.2%，相比基于Web3D的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法高約27.6%;本文方法設(shè)計(jì)各個(gè)子模型的逼真程度均不低于90%，發(fā)揮穩(wěn)定，相對(duì)而言，本文方法設(shè)計(jì)的三維虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景更加具有真實(shí)感。本文方法設(shè)計(jì)的虛擬舞臺(tái)效果如圖6所示。由圖6可知，舞臺(tái)燈光效果突出，舞臺(tái)光照分明，營(yíng)造了一種真實(shí)、立體的虛擬舞臺(tái)場(chǎng)景。

2.2 ?建模性能對(duì)比

為突出本文方法三維建模性能的優(yōu)越性，對(duì)比本文方法、基于Vega的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法、基于Web3D的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法構(gòu)建三維模型的性能，性能指標(biāo)包括是否具備多系統(tǒng)操作、頂點(diǎn)混合、立體繪制等功能，表2為不同方法建模性能對(duì)比結(jié)果。

由表2可知，本文方法建模過(guò)程中，具備多操作系統(tǒng)、頂點(diǎn)混合、嚴(yán)格規(guī)范、立體繪制、全屏反走樣、參數(shù)曲線曲面以及累計(jì)緩存等功能;基于Vega的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法建模時(shí)，不具備頂點(diǎn)混合功能，建模過(guò)程不符合嚴(yán)格規(guī)范;基于Web3D的舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法不具備參數(shù)曲線和曲面，建模過(guò)程同樣不符合嚴(yán)格規(guī)范。綜上可知，本文方法建模性能突出，具備的建模功能多于對(duì)比方法，可以有效改善建模效率，呈現(xiàn)生動(dòng)、可視化的虛擬設(shè)計(jì)效果;且具備參數(shù)曲線、曲面和累計(jì)緩存功能能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)虛擬模型數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，短時(shí)間內(nèi)識(shí)別虛擬模型的參數(shù)曲線和曲面，使整體設(shè)計(jì)程序快速進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

3 ?結(jié) ?論

本文提出一種基于3DMAX三維虛擬的舞臺(tái)場(chǎng)景建模和虛擬設(shè)計(jì)方法，該方法設(shè)計(jì)舞臺(tái)虛擬場(chǎng)景結(jié)合VRP虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)功能，在該平臺(tái)中呈現(xiàn)所構(gòu)建的三維模型，通過(guò)3DMAX?for?VRP將舞臺(tái)模型導(dǎo)入到VRP編輯器中，通過(guò)VRP插件的功能窗口進(jìn)行舞臺(tái)場(chǎng)景虛擬設(shè)計(jì)，使用VRP軟件中的天空盒技術(shù)渲染虛擬舞臺(tái)整體環(huán)境及背景，通過(guò)動(dòng)作模塊和角色模塊實(shí)現(xiàn)角色和動(dòng)作添加，呈現(xiàn)豐富的虛擬舞臺(tái)設(shè)計(jì)效果。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法相比同類(lèi)型舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)方法具有真實(shí)還原的優(yōu)勢(shì)，建模性能優(yōu)越。3DMAX多媒體制作軟件適用于多媒體教學(xué)、廣告設(shè)計(jì)以及特效場(chǎng)景制作等方面，獲取的場(chǎng)景圖效果逼真，具有廣闊的發(fā)展前景。

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