基于3DMAX三维虚拟舞台场景建模和虚拟设计

林昱

摘  要： 为满足舞台场景设计真实感、高效率要求，采用3DMAX完成三维虚拟的舞台场景建模和虚拟设计。利用3DMAX多媒体制作软件制作舞台场景三维模型，首先制作舞台各部分子模型，通过材质编辑和添加贴图增加舞台逼真效果，组合多个子模型进行适当布局和调整获取完整的三维舞台场景模型;完成3DMAX三维虚拟舞台场景建模后在VRP编辑器中展示，利用3DMAX?for?VRP导出插件，基于天空盒技术渲染舞台环境，通过动作、角色模块添加场景角色和动作效果，实现三维虚拟舞台设计。实验表明，所设计三维虚拟舞台场景逼真程度高于同类型方法，三维建模性能突出，该方法适用于三维虚拟场景设计以及特效场景制作。

关键词：  虚拟设计; 三维模型; 舞台场景; 场景建模; 舞台环境渲染; 3DMAX

中图分类号： TN919.8?34; TP391.41                  文獻标识码： A                 文章编号： 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

近几年，计算机图形技术不断进步，促使虚拟现实技术的发展突飞猛进，在科学技术飞速前进的大环境下，三维虚拟现实技术和三维景观建模技术具有广阔的发展前景，此类技术已经涉及城市规划、广告设计、舞台设计、多媒体教学等领域[1]。美国AutoDesk公司于1990年开发出了3DMAX软件，该软件是一种基于矢量的三维造型和动画设计软件，通过计算机图形技术实现图形处理功能，构建相应的三维模型。本文提出基于3DMAX三维虚拟舞台场景建模和虚拟设计方法，结合VRP虚拟平台的优势，实现舞台场景建模的真实感，为三维舞台场景设计提供生动、逼真、可视化的舞台虚拟效果。

1  三维虚拟舞台场景建模和虚拟设计

针对舞台场景进行三维建模和虚拟设计，图1为采用3DMAX软件进行舞台虚拟场景建模与设计的步骤。

1） 对主舞台进行场景建模;

2） 以舞台设备、布幕、音响、演出道具、悬吊与更换支架系统等附件舞台为对象构建子模型;

3） 将构建好的主舞台模型和附件舞台模型按照真实比例合成，并对合成后的舞台模型进行适当调整;

4） 添加灯光对舞台效果进行渲染;

5） 采用VRP编辑器导出合成模型，并在计算机内进行舞台虚拟设计;

6） 采用天空盒对舞台背景进行渲染，再通过角色模块和动作模块对舞台虚拟设计图添加角色和动作，获取完整的舞台虚拟设计图。

1.1  3DMAX三维虚拟舞台场景建模

1.1.1  复杂三维模型制作

基于3DMAX进行三维建模与虚拟设计，具有大量特殊无规律性的不规则曲面及曲线的三维模型称为复杂模型。3DMAX在样条曲线和曲面方面已经有成形的计算方法，实际操作过程中由于多种不确定因素的干扰[2]，采用已有的样条曲线和曲面的计算方法不能准确获取全部所需数据，因此针对特殊问题进行特殊分析。舞台三维模型如图2所示，在舞台场景虚拟建模时，由于上方的四周需要有固定灯光的钢网结构，而主舞台及“十”字舞臺均为不规则曲线，因此建模时采用样条曲线对钢网模型进行放样，为了接近实际的曲线形状，要对曲线曲率进行适当调整，并对单个曲线进行杆状实体化处理，其他部位需要在网格技术基础上建立网格模型，相同模型无需再次生成[3]，只需采用镜像复制。

1.1.2  其他附件模型的制作

三维虚拟舞台场景设计中，除了主舞台，还有舞台设备、灯光、布幕、音响、演出道具、悬吊与更换支架系统等舞台附件[4]，以上舞台附件模型的获取依靠Mesh，Patch和NURBS等建模工具，这些建模工具均为3DMAX的高级建模工具。包含制作完成的舞台设备、灯光、布幕、音响、演出道具、悬吊与更换支架系统等模型的合成图像如图3所示。

1） 材质与灯光的设置。舞台建模过程中添加相应材质后，制作相应的贴图，使整个舞台模型更具立体效果，观感更加逼真生动。材质可以凸显事物的特点，因此3DMAX软件应用包含材质编辑器[5]，建立三维虚拟舞台模型时，采用材质编辑器为模型增添图案、文字等元素，增强对象的真实感。图案或者文字的添加方式为：以计算机为媒介将经过Photoshop软件处理的图片以贴图方式贴在三维虚拟模型表面，由此提高三维模型逼真效果。

基于3DMAX设计三维虚拟舞台场景模型时，灯光模拟设置对于整个舞台模型具有重要作用，除了之前提过的材质添加和贴图设置外，灯光的合理设置也会使整个舞台效果更加真实。不同灯光有不同的质感，自然光、人造光、环境光是较为常用的灯光类型[6]，基于3DMAX的三维虚拟舞台场景模型设计中自然光的设置由直射灯实现，室内光照的设置由泛光灯实现，而场景照明则由环境灯实现。由于演出一般在室内或者室外夜晚情况下进行，因此本文舞台模型设计主要采用泛光灯和环境灯两种类型，使用多个泛光灯和环境灯对舞台效果进行渲染，图4为两种类型灯照射下的舞台效果。

2） 模型的合成。舞台场景包含的各部分三维虚拟子模型制作完成后，对整个舞台场景进行合成，之前各个部分的模型都是独立完成的三维虚拟子模型，现将各个部分的子模型组合在一起[7]，布局问题和调整问题尤为重要，否则整体布局会出现不协调现象。三维虚拟舞台场景设计的比例尺为100[∶]1，因此，三维虚拟模型合成的大小可通过真实舞台布局尺寸、比例尺得到（包括整体舞台模型尺寸以及各部分子模型制作尺寸）。

1.2  舞台场景虚拟设计

1.2.1  VRP交换功能

VRP（Virtual Reality Platform，虚拟现实平台）主要功能模块为相机转场特效、顶点着色、法线贴图、VRP离子库、天空盒、动作模块、角色模块以及Flash空间等[8]，支持Lua语言程序功能使得VRP编辑器更具针对性和实际应用价值，图5为VRP交换功能图。

由图5可知，VRP编辑器之所以应用广泛、效果突出，主要依赖于强大的语言编辑能力，面对多类型程序的状况，语言编辑能力掌握是VRP编辑器交互性实现的基础。

1.2.2  VRP虚拟舞台后期优化技术

1） 场景导入。VRP编辑器利用3DMAX进行三维虚拟舞台场景建模，将通过3DMAX制作的模型导入VRP编辑器[9]，使用3DMAX?for?VRP将插件导出，将导出后的插件加入到Utilities面板中，单击Utilities面板工具栏中的“VRPlat?form”按钮，出现VRPlat?form插件功能窗口，通过该功能窗口可对舞台虚拟场景进行设计。最后，将完成的场景编译成Exe格式文件。

2） 天空盒技术。VRP编辑器具备多种功能，天空盒技术是VRP编辑器最重要的功能之一。该技术可以对虚拟舞台整体环境及背景进行渲染，无论是室内舞台还是室外舞台，都可以对舞台场景进行设置。使用VRP编辑器展示三维虚拟场景时，可以在舞台场景中置换天空盒，或者根据舞台场景需求自主创建新的天空盒[10]，天空盒通常为立方体形态，并由6张通过Photoshop软件处理的图片或3DMAX制作的图片组成。通过天空盒功能置换出的图片效果与全景图效果并无差别，因此可利用天空盒功能完成全景演示。

3） 虚拟舞台设计的实现。舞台虚拟设计以建模为基础，通过3DMAX构建需要的舞台模型，舞台模型的创建可以通过多边形编辑器实现，通过贴图设置添加背景图或者文字，完成三维虚拟舞台场景设计的前期工作。交互实现以“事件”为介质，通过VRP编辑器将构建好的模型导入软件中，由于VRP软件不仅有强大的编辑功能，还包含动作模块和角色模块，添加角色和动作都需要这两个模块来实现。“原地静止动作”“跑步动作”“跳跃动作”等都是根据需求而完成，由此实现虚拟舞台设计。

2  实验结果与分析

2.1  舞台场景设计逼真程度对比

为验证本文方法设计三维虚拟舞台场景的效果，采用本文方法设计一款舞台景观。为突出本文方法设计舞台虚拟场景的质量，采用基于Vega的舞台虚拟设计方法、基于Web3D的舞台虚拟设计方法与本文方法进行比较。实验分别采用三种方法对舞台模型的5个子模型进行虚拟仿真，表1为采用各方法设计虚拟舞台场景逼真度对比情况。

由表1可知，采用本文方法对舞台虚拟设计图像的逼真度平均值比基于Vega方法舞台虚拟设计逼真度平均值高约24.2%，相比基于Web3D的舞台虚拟设计方法高约27.6%;本文方法设计各个子模型的逼真程度均不低于90%，发挥稳定，相对而言，本文方法设计的三维虚拟舞台场景更加具有真实感。本文方法设计的虚拟舞台效果如图6所示。由图6可知，舞台灯光效果突出，舞台光照分明，营造了一种真实、立体的虚拟舞台场景。

2.2  建模性能對比

为突出本文方法三维建模性能的优越性，对比本文方法、基于Vega的舞台虚拟设计方法、基于Web3D的舞台虚拟设计方法构建三维模型的性能，性能指标包括是否具备多系统操作、顶点混合、立体绘制等功能，表2为不同方法建模性能对比结果。

由表2可知，本文方法建模过程中，具备多操作系统、顶点混合、严格规范、立体绘制、全屏反走样、参数曲线曲面以及累计缓存等功能;基于Vega的舞台虚拟设计方法建模时，不具备顶点混合功能，建模过程不符合严格规范;基于Web3D的舞台虚拟设计方法不具备参数曲线和曲面，建模过程同样不符合严格规范。综上可知，本文方法建模性能突出，具备的建模功能多于对比方法，可以有效改善建模效率，呈现生动、可视化的虚拟设计效果;且具备参数曲线、曲面和累计缓存功能能够在短时间内对虚拟模型数据进行缓存，短时间内识别虚拟模型的参数曲线和曲面，使整体设计程序快速进入运行状态。

3  结  论

本文提出一种基于3DMAX三维虚拟的舞台场景建模和虚拟设计方法，该方法设计舞台虚拟场景结合VRP虚拟现实平台功能，在该平台中呈现所构建的三维模型，通过3DMAX?for?VRP将舞台模型导入到VRP编辑器中，通过VRP插件的功能窗口进行舞台场景虚拟设计，使用VRP软件中的天空盒技术渲染虚拟舞台整体环境及背景，通过动作模块和角色模块实现角色和动作添加，呈现丰富的虚拟舞台设计效果。实验表明，本文方法相比同类型舞台虚拟设计方法具有真实还原的优势，建模性能优越。3DMAX多媒体制作软件适用于多媒体教学、广告设计以及特效场景制作等方面，获取的场景图效果逼真，具有广阔的发展前景。

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