环境虚拟化及路径漫游的实现

唐雪梅 王佳佳 何小龙

摘 要：本文以我校一实验中心为现实模型，应用三维场景建模技术，实现路径漫游。介绍了制作的思路和实现过程，给出了部分图片。通过实践，总结出了针对初学者三维建模时应注意的事项、常见问题及原因。3DSMAX2010、V-Ray Adv 2.10.01、AE、PS作为本项目所涉及软件，3DSMAX-建模、VR-渲染、PS-图片处理、AE-合成漫游动画。目的是探讨三维场景建模技术，激发浓厚的学习兴趣。

关键词：环境虚拟化；路径漫游；渲染；纹理

引言

随着时代的发展，环境虚拟化与漫游控制受到越来越多的重视，技术日新月异、发展迅猛。其中虚拟化的应用非常广泛，如文物古迹、工业仿真、室内设计、城市规划、军事模拟、3D游戏等方面。然而这些效果的实现都得借助于一些三维软件。本文选择的三维软件是3DSMAX。因为3DSMAX在建模渲染中比传统的计算机辅助设计软件，如pro/E、UG、Solidworks具有操作简单，入门快、输出效果更真实等优点[1]。应用3DSMAX材质与贴图技术能够让建模物体具备颜色、质感等逼真视觉效果，让模型呈现出真实、多彩的魅力[2]。

1 场景建模

实验中心包括大小共18个室内场景和一个室外场景（走廊）如图1所示。具体步骤和实现流程如图2所示。建模第一阶段：把每个场景的框架建立好，再按实际排列好如图3；第二阶段：细化每个场景内部组成如图4（4号实验室内部情况）。

图1 实验中心分布图

图2整个场景实现流程图

第一阶段制作三维墙体模型：顶视图创建一个矩形，拉伸3000mm转换成可编辑多变形删除底面，利用壳Shell修改器命令设置厚度为220mm，同样画两个矩形充当门和窗户，转换可编辑样条线，附加到一起，选中墙体点击布尔运算（Subtraction）切出门和窗。用同样的方法依次把每个场景的墙体模型都建立出来。

图3 实验中心墙体线框图

图4 实验室4室内场景图

2 场景渲染

因研究的主体是现实世界中存在的。我们需要获得与真实场景中相同的材质肌理才能保证模型和现实相吻合。下面从采集数据、纹理贴图、渲染材质三个步骤实现逼真效果。

2.1 数据采集

纹理数据：实验中心建筑群里材质主要包含有4种典型材质分别是金属纹理材质（椅脚、书柜门手、金属门、多媒体讲台、储物柜、护栏等）、木质纹理材质（书桌、书柜、办公桌等）、大理石纹理材质（走廊地砖、教室地砖、厕所地砖、墙砖等）、玻璃纹理材质（玻璃窗、镜子、灯管、储物镜等）；其他数据：教室里的名言警句、文字标语、挂画等数据。

2.2 纹理映射

纹理贴图是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术并且操作简便，仅需把采集好的材质映在模型表面，适当使用UVW贴图命令轻微调节即可表现丰富的纹理细节。如图5所示在没有添加灯光的情况下只给其中的会议桌、椅子、空调模型赋予一层各自匹配的材质，纹理就表现出来了，如果加上灯光把反射属性凸显出来真实感就出来了。

图5 会议室1材质贴图

2.3 渲染材质

本文涉及到的渲染材质主要有如下两种。多维子对象材质渲染：把模型中赋予不同贴图的曲面设置好各自的ID号，然后选择多维子对象材质渲染，先选择面号再赋材质，如选择ID号1就可给1号曲面贴材质。如笔记本电脑就会用到此材质渲染。V-Ray材质渲染效果如下：

根据电脑运行速度快慢，设置的图像分辨率可大可小，图4分辨率为1200×900个像素点。渲染前整个场景就是一个白模如图3所示，没有任何灯光和质感。渲染后有着丰富的肌理，场景顿时豁然开朗的感觉。

3 建模注意事项

3.1 建大场景时，不要在配置低的电脑上操作，避免软件自动退出、文件丢失、文件无法打开等情况。

3.2 遇到模型建到最后发现不是想要的效果，ctrl+z可以返回，但3DSMAX回去的次数是有限制的，切勿一直按ctrl+z否则软件会报错，自动弹出，导致模型未能保存，只能重新建立。因此在每次比较关键的一步时把此刻的模型复制一次隐藏起来，如果出错了，可以把复制的模型显示出来，在此基础上作修改--省时、保险。

3.3 一个视图里的模型越多，点数和面数就越多，到后面阶段电脑运行会比较慢。针对这种情况，习惯性地把需要调整的模型孤立出来，单独对它进行操作。也可以采取隐藏不需要的模型来提升电脑当前的运行速度。

3.4 超级布尔命令不适宜多次使用，否则模型会出现很多问题，比如布尔对象消失、破面等现象。

3.5 采集图像时大部分是普通相机拍摄的，拍摄时要求尽量保持相机的水平，避免相机镜头在上下方向上偏转过大，尤其仰视拍照时图形变形较大，不过一般拍摄的图片都会在PS中进行处理。

3.6 在3DSMAX中图案投影又叫图形合并。图案投影在实体上，应满足的条件图案应是样条线，而多边形是不能进行此命令的。

3.7 模型中已进行贴图的MAX源文件路径设置好后就不能够进行移动修改，否则系统无法找到某些贴图，提示丢失贴图。

4 路径约束控制器动画制作

路径约束动画是通过摄像机和路径来控制整个动画的运转的。首先把帧标记打开，默认是100帧，根据实际情况可以增加、减少帧数，创建一个自由相机，添加任一条曲线作为路径，Follow勾选。采用渲染图片序列，最后导进AE中合成动画视频即路径漫游的实现。路径约束控制器动画是非常简单的一种三维动画制作方法，观察方便、可以及时发现问题并纠正。图8中路径是一条沿着走廊的曲线，高度大约在1200-1500mm左右。图9中路径是在办公室内画的一个封闭的圈，环绕四周观看。

5 初学者可能遇到的常见问题

如表1所示：

6结束语

环境虚拟化越来越来多的被采纳，虚拟现实场景中的模型是实际中的物体再现，建立造型模型是构造虚拟现实场景的基础，模型构造的质量直接影响到虚拟场景的真实感和沉浸感，一次需要根据对象的特点选取不同的建模方法[3]。随着建模场景内容越来越多，软件运行变慢、渲染难度增加，这也是需面临解决的问题，还值得进一步深究。

参考文献

[1]李强.三维虚拟场景系统研究[D].西安电子科技大学，2008（1）.

[2]曾峰.基于GIS的三维数字校园系统设计研究[D].大连海事大学，2013（5）.

[3]刘兴建.肇庆工商学院虚拟校园的设计与实现[D].华南理工大学，2012（11）.

[4]徐健.三维虚拟仿真关键技术和示范应用[D].江西师范大学，2013（6）.

[5]黄静，张红忠.3dsmax在虚拟现实中的应用[J].测绘与空间地理信息，2013（2）.

[6]刘晓茜，曹卫群，张璐.3维复杂树木场景建模及动画制作[J].中国图像图形学报，2010（1）.

[7]Liying Huang，Yijian Pei.Film and Television Animation Design Based On Maya and AE. 2010 3rd International Congress on Image and Signal Processing.2010.

[8]Mark Christiansen， Adobe After Effects CS4 Visual Effects andCompositing Studio Techniques，2009-01.

作者简介：唐雪梅（1991-），女，四川省遂宁市人，西南科技大学在读本科生，从事工业造型与虚拟三维设计学习研究。