3D MAX 在城市虚拟现实建模中的应用

夏 蕾

（武汉商业服务学院信息工程系，湖北武汉，430056）

在城市规划领域，传统的规划方法以及管理手段已经不能够满足现在城市建设的需求。过去的二维信息展示方式不能够满足人们对信息获取的需要，三维信息现实方式正逐渐成为信息展示的主流方向。随着计算机技术以及测绘技术的不断发展以及有效结合，三维虚拟现实技术得到了广泛的关注，在城市规划以及项目展示中得到了成功运用。3D MAX 是Discreet 公司开发的基于PC 系统的三维动画渲染和制作软件，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。本文着重探讨其在城市虚拟现实建模中的应用。

1 虚拟现实的简介

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。在80年代，由Jaron Lanier 最先提出了"虚拟现实"VR 的观点，目的是为了建立一种新的用户界面，创造出一种“亲临其境”的感觉。

虚拟现实具有以下几个基本特征：①浸没感：也称之为临场感，最为理想的模拟环境应该使用户难以分辨其真假，使用户能够全身心的投入到计算机创造的三维虚拟环境中，该环境中的一切事物看上去、听上去、闻上去以及动起来都是真的。②构想性：具有可想象的空间，能够拓宽人类认知范围，可以构想客观不存在的环境。③多感知性：理想的建模环境应该具备人类所具有的感知功能，包括：触觉、听觉、力觉以及运动，甚至是嗅觉、味觉感知等。

④交互性：例如用户能够用手区直接抓取模拟环境中虚拟的物体，有一种握着的感觉，并且还能够感觉到物体的重量，被抓的事物也能够随之而移动。

2 城市虚拟现实建模前的准备

在城市虚拟现实中，应用3D MAX 的操作步骤如下图1 所示：

图1 城市虚拟现实的制作步骤

在城市虚拟现实建模前应该做好以下几方面的准备工作：首先，提取建筑物的底图。因为所获取的整个城市片区的底图是DWG 格式，这时就需要使用AutoCAD 将单个建筑物的轮廓线从整个城市片区图中提取出来，从而作为建模的底图资料。其次，增加处理纹理格式的作用。一般情况下，选用Photoshop 作为处理照片的软件，能够获得比较逼真的效果，建筑纹理就能够从相应建筑物照片中获取。最后，将取得的建筑纹理经过相关人间处理，转化为JPG 的格式，为下面的3D MAX 的方便应用打下基础。

3 建模的具体实施过程

城市虚拟现实建模的实施过程从数据的采集、三维实体具体建模环节以及建立虚拟的场景环境三个方面进行的。

3.1 数据的采集

在数据的采集过程中，应该根据实际情况，从而选择不同的分辨率以及精确度比较高的照片以及图片。主要是包括：建筑的原始资料：原始资料主要是向有关部门进行提取，有地形图文件、建筑单体以及大比例尺航摄图片等，获取这些资料过后，通过使用AutoCad 进行校正，从而得到一个区域平面图。同时按照相关比例将获取到的图片制作成地形贴图。贴图资料：纹理也包括透明纹理以及不透明纹理。透明贴图采用图像处理软件进行处理；不透明贴图采用数字相机得到相应的数字化相片，然后采用Photoshop 进行校正处理，采用Rgb 格式存储，建立模型纹理库。需要注意的是贴图的长度以及宽度必须是2 的幂次的整数，否则就不能够获得真实以及准确的显示。

3.2 三维实体具体建模

三维实体的建模应该坚持的三个原则：精心构建层次结构库；在确保建模物体的真实性以及可靠性基础之上，减少模型所含的面数，有必要时才将模型细化；合理条件下，最大限度压缩纹理。只要坚持以上三个原则，就能够实现最小的数据文件、最高的图像连续性以及较低的实施渲染跳帧率。

建模的主要内容：①城市建筑体建模：一般条件下，对于一般的建筑物，直接采用Mult iGen Creator 软件进行建模，真实的表现出模型的基本轮廓以及结构，通过调整相关数据从而获得不同分辨率的模型。对于具有特色的建筑，利用3D MAX 来建模，然后再利用Mult iGen Creator 软件将3D 文件转换，进行编辑，减少不必要的多边形以及面。②城市地形建模：对于大面积以及地理环境比较复杂的地形，采用数字高程模型数据，选择合适的算法建立三维地表模型，再按照与地表模型相对应的经纬度注明坐标，纹理采用正射影像图。对于精度要求比较高的地形，一般采用航片灰度图与地形手工图相结合构建地形模型；对于精度要求不高的地形，采用航片灰度图就可以自动生成地形模型。③运动着的人以及物建模：为了能够在虚拟现实建模中实现动感，对于运动着的人以及物不应该采用简单的贴图，而是采用DOF 技术来实现。④小品环境建模：小品环境主要是指电话亭、路灯以及树木这些环境，重复性比较高，因此，在虚拟现实的建模中，最大限度的减少面的使用。采用贴图来代替细节模型，模型的属性设置成实点旋转，达到形象逼真的效果。

3.3 虚拟场景环境建模

当所有的模型建立完成以后，需要将其放在特定的3D 环境中，当前，使用比较普遍的就是实时场景驱动工具Vega。主要是利用虚拟现实、实时视景仿真以及其他可视化应用软件。

4 3D MAX 在城市建筑物建模中的具体应用实例

以某城市中的建筑物做为实例来探讨3D MAX 在城市建筑物建模中的具体应用。

4.1 首先，建筑物底图的提取

因为要获得整个片区的底图，需要使用AutoCAD 将单个的建筑物轮廓线从整个片区的图中进行提取，做为模型的底图资料，如下图2 所示：

图2 工作底图（DWG 格式）

4.2 处理纹理格式

在进行照片的处理过程中通常使用Photoshop 来处理照片，对图片纹理进行处理时，应该选取有用的纹理图片，如下图3 所示：

图3 某城市中心广场花坛侧面以及正面

4.3 三维模型的制作

图4 综合楼的三维模型

4.4 虚拟环境的建模

材质以及贴图的添加与设置，直接性的决定了模型的真实感以及立体效果，在显示生活中，体现一个物体的特点以及本质的就是建筑的材质，因此，在这一方面给予3D MAX 技术就能够很好的提高模型的真实效果。某城市建筑物在建模的过程中采用3D MAX 技术对建筑物的材质以及灯光进行设置，如下图5、图6 所示：

图5 添加材质后的三维模型

图6 泛光灯照射下的三维模型

5 基于3D MAX 环境城市建模过程中的关键技术探讨

5.1 DOF(Degr ee of Freedom) 技术

DOF(Degr ee of Freedom) 技术也称之为自由度，该技术是一个节点，将这个插入到数据库中，就能够实现其运动。随后定义一本地坐标系，使其控制的几何体能够围绕坐标轴进行运动。

5.2 层次结构库

对于建立的模型库必须加以调整，建立一个有序以及由条例的层次机构库，能够快速并且准确的呈现出在实时漫游系统中的模型，同时也能够使系统中的资源得到高效利用。

5.3 LOD(Level of Detail) 技术

LOD(Level of Detail) 技术也称之为细节层次模型。因为对于小型的场景能够实现流畅的实时漫游，然而，对于大型场景如果还是采取同堂的计算量，就不能够很好的实现其流畅。然而，使用该技术能够采用的不同精细程度的模型表示同一个物体，从而提高虚拟场景的显示速度。

6 结束语

随着城市规模的不断扩大，3D MAX 技术在城市虚拟现实建模中的应用也越来越广泛，因此，必须正确掌握3D MAX 的操作方法以及使用技术，创造“亲临其境”的虚拟环境。该技术具有比较大的造型能力，并且胶容易掌握，同时运行比较方便，掌握其技术，具有广泛的使用价值。

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