三维可视化建模技术在虚拟现实中的应用

陈芬

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221000)

三维可视化建模技术在虚拟现实中的应用

陈芬

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221000)

三维可视化建模技术是一种新型技术，随着计算机及网络信息技术等的发展，这项技术已经广泛地应用在教育、工业、科研等多个领域。虚拟现实技术借助了计算机及网络等技术特点，将非常生动形象的三维视觉、听觉及触觉等生成并展现了出来，用户能够在这个虚拟的世界中进行浏览与交互，其中的三维可视化建模技术在此起着重要作用，下面我们将具体分析探讨这项技术在虚拟现实中的应用。

三维可视化建模技术；虚拟现实；应用

1 引言

三维可视化建模技术的核心是三维真实可感，三维可视化建模技术已经广泛地应用在社会的各个领域中，例如地形建模、物流拆卸过程建模及虚拟校园等等，其根据不同的实际情况，会选取不同的建模方法与建模工具，下面我们将分析虚拟现实中三维可视化建模常用方法及工具，为实际生活中的建模提供相应的依据与指导。

2 虚拟现实中三维可视化建模的常用方法

2.1 几何建模

几乎所有的物体都能够看作由一些几何体建构而成，例如人体及建筑模型等等，我们可以将这些作为几何信息进行处理。物体的几何形状通常情况下是非常直观而形象的，因此采用几何建模比较便利而常用。几何建模在其过程中分为两个方面：体素与结构，结构将体素作为基础，重新组合成新的对象。几何模型构建通常使用方式是层次结构，这个结构将数据结构中的树型层次结构作为其基本原理，用树型结构层次清晰地展示出来，例如对于大楼建模来说，其中的体素就是大厅、楼梯、门、窗等等，它们重新组合构成一个层次结构[1]，在对建筑物大厅建模或者是修改时，首先要建门、接着建窗，修改窗，门与大厅就会发生改变，这生动形象地体现了建模的灵活性及整体性。

2.2 物理建模

物理建模考虑的是物体的物理属性，采用物理属性中的分形技术及粒子系统来建模。分形技术能够将具有相同属性及相似特征的物体描述出来，例如山川、河流等就可以用三角形随机地生成建构模型，然后取三角形边上中点位置将其分割成4个三角形，每个中点设定一个定值，采用递归方式还原真实山体，这种建模技术非常适合于不规则的复杂物体尤其是静态物体。

2.3 行为建模

前两种建模都是最基础的，都是对虚拟现实中物体的基本模型构造，这两种建模方式将物体的外形、特征等创造出来，并给予其基本属性例如形状、色泽及感光度等等，但是这并不能真正完全地体现出虚拟现实中物体的完整性及自主性，创建在真实世界中的物体，还需要其他行为与能力，因此需要采用行为建模。行为建模指的是物体建模过程中需要遵循的客观规律，例如创建人体模型时，不单单有表面的特征，还要将人体的一般能力如简单的行走和呼吸时肌肉骨骼等的变化反映出来，它与前两种建模方式相比，集合了更多学科知识，例如对“天气变化仿真系统”进行建模时，首先进行云层、雨雪及冰雹等的基本建模，然后结合自然因素如风向，将其强弱、走向及初始等多方面给出反射性条件，确保天气预报的真实可靠及客观规律[2]。

3 虚拟现实中三维可视化建模常用工具

虚拟现实过程中使用到了三维可视化建模技术，需要实时地模拟环境，因此物体模拟模型必须是逼真而实效的。三维技术的迅速发展，催生了多个软件厂商设计开发出更多的建模语言及软件，其中的虚拟现实建模语言（VRML）是HTML的一种3D模拟，它能够将三维物体及其行为很好地描述出来。主流的工具有VrmlPad，它对自己的一套对象集节点进行定义，建立自己所需要的模型对象，但是这种工具建模是比较复杂的尤其对于大型场景模拟，但是在静态场景效果、动画及行为脚本方面则比较好操作。更加复杂的虚拟现实场景所需模型文件及制作软件是3DMaX，它能够安装相应的输出插件，能够直接地建立起场景模型文件，虚拟现实模型的设计与制作需要使用更方便、更全面的曲面工具NURBS技术，还可以使用类似的三维模型制作软件如Maya、Plasma等等[3]。开发设计人员应该结合建模具体要求，了解计算机及软件本身要难易程度后，在提高三维图形质量等方面进行攻克与努力。

4 三维可视化建模技术在虚拟校园中的应用

这里将三维可视化建模技术应用在虚拟校园中，虚拟校园系统一共分成几部分内容：场景规划、单体地物及实时虚拟动画等等。在构建虚拟校园过程中，首先需要确定这里要使用的几种模型构造方法。

4.1 项目建模方法

现在三维建模中经常使用的建模方法主要有多边形建模、NURBS及细分曲面技术建模等等，每种建模方式及方法都有自身的优缺点，三维软件中的3DMaX、Maya等都具有这些建模技术，而其中比较优秀的是3DMaX的多边形建模技术与Maya的NURBS建模技术，而Rhino又包含了NURBS建模功能，能够构建出精度高的模型，然后与其他三维软件联合使用，这里的虚拟校园项目采用3DMaX软件来创建三维模型，多边形建模适用于建筑物，而且其中只要有足够多的细节，这种建模方式就能够将多种不同建筑很好地表现出来。数字虚拟校园使用3DMaX软件构建3D虚拟场景，依据校园内的地理环境、地形特点，将校园总体划分为若干个区域，每个区域内的景物及特征也要确定、表现出来，在使用3DMaX软件构建主要建筑物三维模型时，尤其需要注意的是其细化程度，根据实际建筑特点选取合适建模方法，对于规则平面几何体最好使用多边形方法，对于复杂曲面几何体使用面片建模或者是NURBS建模，对于远处楼宇等建筑物可以使用简单几何体赋予贴图形式表现，对于室内物体可以使用较为复杂几何体辅助以精细贴图，满足仿真要求[4]。模型建好后，接着进行模型贴图工作，这里需要用到数码相机，最后是优化各个区域内的模型。虚拟校园场景中有大量的模型，模型在制作方面比较精细、绘图质量也是非常高的，但是也大大增加了面数，绘制速度随之降低，在视觉效果与系统性能间存在矛盾，这在多细节层次模型生成中是比较常见的，矛盾解决可以使用LOD思想，这种思想方法在解决复杂场景及计算机能力不匹配方面是非常好的，对于区域场景中的不同物体或物体不同部分使用不同细节层次来描述。当虚拟物体离视点较远时，采用简单、粗糙的LOD模型绘制，距离较近时，使用较精细的LOD模型绘制。模型及场景全部都集成好之后，接下来就需要实现虚拟漫游，虚拟场景一般用于交互，因此需要根据实际情况来开展碰撞检测，例如当人们通过门从室外进入室内时，遇到墙会被挡住，这样就较好地虚拟出来一个真实世界，也反映了虚拟环境的真实性，需要对这些碰撞进行检测与计算碰撞反应，将绘制结果及时地更新，防止出现物体穿透现象，以免虚拟环境的真实感被破坏[5]。

4.2 实施步骤

项目建模实施步骤主要分为以下几个过程：总体过程、识图、拍照及制作。下面我们将具体分析实施步骤与过程。首先是总体过程实施：模型制作人员应该到实地现场进行考察，对建筑物有一个较好理解，在建模时应该是360度全方位地细致刻画浏览较多的场景，拍摄过的照片应该使用Photoshop来处理，然后将其应用于贴图，贴图做出的效果应该真实清晰，模型图片的纹理数量应该严格控制在一定范围内，纹理模型之间不能够有共面，一定要将看不见的面删除掉，减少大场面渲染速度。第二步就是识图，模型制作人员应该根据航拍图，将制作的区域与内容确定好，确保模型位置与航拍建筑物位置的一一对应，模型精度主要分为三种：一级是精模、二级是中模、三级是简模，对于一级模型来说，应该注重细节刻画，重点刻画底楼、各个出入口及门场等重点活动区，另外屋顶及立面也是需要认真刻画的；二级模型主要有制作范围内的重点模型a级、次重点B级；三级模型基本上使用贴图就能够完成。第三步是拍照，在拍摄室外建筑时，应该先拍整体，再拍近景，如果全景较大较广无法一次性拍摄下来，应该分次拍摄，然后使用Photoshop进行拼接，在拍摄时应该选择比较合适的光线[6]。最后一步是制作，在制作虚拟模型过程中，应该注意到相邻建筑物的墙中多余的点、线及面应该删除，应该使用Photoshop对贴图处理过再使用，对建筑物的材质效果要严格区分与辨别，根据建筑物材质调整其光泽，在最后系统集成过程中，模型要先进行整理，统一要提交的文件名称，模型、材质及贴图名称等都需要一致，这些内容虽然一致，但是还要能易于识别。学校建筑物建模过程中，会用到CaD施工图，通常会将这个施工图导入到3DMaX软件中，使用捕捉描绘出轮廓，最后形成三维模型，学校中比较规则的建筑如教学楼、学生宿舍及体育馆等都能够使用这种方式建模。

5 结语

虚拟现实像其他新兴科学技术一样，是多个学科及领域交叉的产物，具有范围广、潜力大等优点，在解决一些理论问题与技术障碍上是较好的，尤其对于实体建模及实时交互来说，他们对VRML系统成败具有关键性决定作用。三维可视化建模技术对于虚拟环境来说具有真实性及感知性等多种直观作用，并且在不同建模工具及语言网络技术发展下，将会有更好的解决方法，推动虚拟现实系统的有效构建，促进人类思维及创造力的发展。

[1]万宁，冯梅．关于虚拟现实中的三维可视化建模技术[J]．太原科技，2007，(1)：70-72．

[2]陈亚东，董春华，王丽等．城市地下空间信息三维可视化技术的研究[J]．内蒙古农业大学学报（自然科学版），2009，30(1)：201-204．

[3]李玉林，苗放，袁俊超等．基于数字地球平台的三维虚拟酒店建设[J]．铁路计算机应用，2009，18(6)：35-37．

[4]何晶．三维可视化物流拆卸过程监控方法[J]．物流技术，2014，(12):445-447，449．

[5]陈阿林，胡朝晖，祁相志等．校园虚拟现实三维场景建模技术及实现方法研究[J]．重庆师范大学学报（自然科学版），2007，24(4)：37-40．

[6]胡建平，董春华，陈亚东等．虚拟现实技术在城市三维地学模拟中的应用[J]．计算机工程与设计，2009，30(8)：2001-2003，2007．

[7]郝帅．虚拟现实在仿真中的应用研究[J]．电脑与电信，2011，9：48-49．

Application of 3D Visualization Modeling Technology in Virtual Reality

Chen Fen
(Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 22100,Jiangsu)

3D visualization modeling technology is a new technology,with the development of computer and network information technology,this technology has been widely used in education,industry,scientific research and other fields.Virtual reality technology,which is based on computer and network,will generate and display a very vivid image of three-dimensional vision,hearing and touch.Users can browse and interact in this virtual world.3D visualization modeling technology paly an important role in the virtual world.Here we will explore the specific analysis of the technology in the Application of virtual reality.

3D visualization modeling technology;virtual reality;application

TP393.09

A

1008-6609(2015)12-0070-03

陈芬，女，江苏江阴人，本科，讲师，研究方向：3ds max建模。