信息化时代基于虚拟三维建模技术的研究

河南省交通规划设计研究院股份有限公司 / 闫帅营

虚拟现实技术的主要运行载体是计算机，实践中常常是通过一定的技术方法，建造出一个立体仿真的三维虚拟空间环境。通常来讲VR技术有具有三点特征：沉浸感、交互性、自主性。沉浸感是指VR的使用者作为场景内的主角，可以将自己置身于虚拟的世界中去，获得逼真的感受；交互性指的是使用者可以通过和虚拟世界中的物体产生有效的互动，从互动中获得真实的感受；自主性强调的是VR技术有着非常广阔的可构建空间，能够将每个人的认知领域通过技术反映出来，不仅可以反映出现实生活中已有的物品，还能将想象中虚构的物品和场景进行搭建。

一、虚拟现实应用技术

如今时代发展迅速，计算机领域的相关专业迎来了一波又一波的技术革新，虚拟现实系统构建技术的应用已经成了当今最具有话题性的实践研究课题。具体来说，现有的虚拟现实技术就是对原先三维建模技术的深化应用。在进行VR系统建模的时候，必须要有专业的建模工具，否则VR系统将难以搭建；因而在进行复杂的虚拟场景搭建，建设三维模型的时候，就应该研究如何更多地使用三维模型制作软件。在专业的建模软件中，3DMAX显然是应用最为广泛且普及的。使用3DMAX进行虚拟环境或物品的搭建构筑时，安装相应的软件插件就可以将模型输出，从而准确可靠地建立环境模型文件。

在进行VR系统的设计之前，应该先创建好一个虚拟环境。在诸多能够为人体产生刺激的因素中，视觉带给人的感受是最为直观形象的。因此在进行VR系统的设计时尤其要注重使用者对视觉效果的要求，构建环境的时候要将实时动态和合情合理的场景内容进行构建。这是使用者对VR技术至关重要的功能需求。例如，利用VR技术设计道路交通模拟场景的时候，就需要将场景的实时动态反映出来，如果设定的场景是在下午六点的交通主干道路口，就需要把车水马龙车辆和过往行人进行三维模型构建，并将红绿灯时间实时的反映到场景中。这样才能让使用者在视觉层面上感受到真实感和沉浸感。

当场景模型搭建起来之后，就可以看做是一个系统建立完成了。在这样一个系统中可能有一个或者多个物体的出现，这些物体在系统中的表现构成了整个系统模型。这也就是说系统的模型总是以一个或者多个的方式存在。在最开始建模的步骤中，要给系统设定出一个标准。在虚拟的世界里，存在着诸多的物体对象，其层次也非常的复杂，因此这个标准中必须要包括全部涉及的对象。接下来将针对这一课题技术展开研究。

（一）虚拟现实中的几何建模

三维视觉建模由多种建模方式组成，其中包括了几何建模、物理建模、行为建模等等。在建模过程中最简单最实用的就是几何建模。几何建模是将物体的几何形状整理成为几何信息，根据信息将模型再描述出来。

1.Polygon建模

Polygon建模又称为多边形建模。多边形建模是建模中最基础的应用技术，它是利用比较少的网络多边形进行编辑和建模。在使用这种方法的时候首先应该刻画出一个基本规则的几何形体，再根据物体的细节对对象进行进一步地补充，最后再通过技术手段营建虚拟现实中的场景和对象。多边形建模的时候不能生成曲面，但是操作非常地简单，且具有很强的时效性。这种建模技术常用于游戏和动画场景的制作。多边形建模中的基本元素为顶点、边、面和纹理图案。例如在进行城市道路交通模拟建模中，使用多边形建模就可以将道路中的红绿灯、指示牌、广告牌等物品进行构建。

2.NUBRS建模

和多边形建模不同，NUBRS建模多是用来构建曲面对象的，在构建过程中可以通过对曲面和曲线的构建来刻画出对象。在使用NUBRS建模的构成中，可以对曲线上任意的点进行分割，再将任意曲线添加进两段曲线中，这是Polygon建模没有办法完成的，但NUBRS建模也同样没法构建出锐利的边角。在设计工业模型和生活产品的时候经常会用到NURBS建模。在城市道路交通模拟中，可以通过NUBRS建模完成车辆大致形状的建模。

3.Subdivision建模

Subdivision建模技术可以看做是将NURBS建模和Polygon建模的优势相互融合，从而形成的一种新型建模方法，对于搭建结构层次感强，造型丰富的对象，可以体现出这项技术的优势，并且这项技术的建模工具非常地简单，操作起来也非常方便，在创作静态作品的时候有着良好的表现。通过Subdivision技术建立出来的模型，其表面都是非常光滑的，模型表面的连续性也不会遭到破坏。在刻画细节的时候，就需要运用level参数对细节部位进行调节。Subdivision技术可以运用于要求比较高的建模上。

以上就是几何建模常用的集中建模方式，可以根据构建的物品不同而选择合适的建模方法，快速有效地完成建模。

（二）虚拟现实中的物理建模

在几何建模的发展流行起来之后，物理建模技术也应运而生了。物理建模的重点是将物体运动的模式和轨迹用科学合理的方式进行重现。在更改限制条件和环境互动之后，物理建模还应该随之更新运动方式，而且不应该出现明显的延迟迹象。在建模之前，首先应该对对象的物理运动方式进行研究，进而构建出对象的物理运动模型。例如在道路模拟中，建立出来汽车在公路上行驶时遇到涉水路面，应该出现驾驶突然出现顿挫感，且地面摩擦力不同，在车辆拐弯时应该有打滑的趋势。这里简单介绍两种最为常见的物理模型建模技术：分形技术和粒子系统。

1. 在对形状复杂、不规则的对象进行建模时，经常会运用到自行四结构，而分形技术就是拥有自相似特征的数据集。这种技术在最开始被运用在地理环境的搭建中，例如搭建山川河流的物理模型。分形技术的操作方法相对较为简单，但是需要的计算量非常大，而且建模出来的实时性也比较差，因此通常被应用在远距离的景观建模中。在道路交通模拟场景中，可以搭建出天气环境以及远景下窜动的人群。

2. 粒子系统算是比较传统的物理模型建模系统了，它只需要通过对粒子系统进行简单的操作处理，就可以完成对运动逻辑很复杂的对象的建模。在虚拟现实搭建中，粒子系统常被用来搭建一些具体的自然现象，例如火焰、瀑布的水流、雨雪等等，主要运用搭建动态的运动的物体模型。在道路交通模拟中，就可以运用粒子系统搭建来往车流穿梭的场景，甚至可以模拟车辆在炎热夏天驾驶时车顶散发的热气。

3. 虚拟现实中的行为建模。当几何模型和物理模型相互结合，就可以构成一个视觉上真实的场景，但是要想让场景更加真实立体，就必须要有行为模型的参与和加入。

对象的行为和运动，都可以通过建立行为模型，让对象执行程序来达成。行为模型可以准确贴切地将虚拟现实中的对象行为真实地表现出来。如果构建出来的对象都没有行为模型的支撑，那么建立出来的VR场景充其量就是一副会动的图画，没有任何意义。

在构建行为模型的时候应该充分考虑对象的外观造型，同时还应该考虑到对象在现实生活中有什么样的物理特性，例如玻璃杯掉地上会破碎等，进而让整个场景的搭建更加地真实；这样人们在进行体验的时候才能因为物品的某些行为而作出应急反映，比如在场景中人拿着杯子掉在地上摔碎了，听到了真实的破碎声音，才能让体验者像在真实世界中一样受到惊吓瞬间手足无措。

几何建模技术其实更像是由计算机图像学这单一领域向前发展得到的建模技术，而物理建模和行为建模就比较复杂，它们是由多个学科共同发展，相互交错形成的建模方式；因此在进行建模的时候，只有把多个学科的知识和研究成果都结合在一起，才能搭建出更加真实高级的模型。

二、3DMAX模型在虚拟现实技术中的应用

（一）虚拟现实的建模语言

VRML是一种仿真程序语言，它可以在网络上发挥影响和作用，构建出立体虚幻空间。通过网络，用户可以浏览到由VRML构建的虚拟空间，从而改变了时下传统的网络和用户之间互动的体验，打破空间的局限性，让用户和计算机之间的互动更加地便捷，从而产生了沉浸感、交互感和自主性。

VRML语言有描述的性质，可以搭建出三维立体环境或者物体。在构造出的虚拟环境中，任何物体都可以被认为是由许多节点设计部署构成的，对这些节点进行描述，就能形成文件。

（二）3DMAX模型在VRML中的应用

VRML是运用节点来搭建整个环境，但是仅用节点对模型进行描述，很难达到具体而逼真的设计效果，并且很难模拟出形态比较复杂的形体；而当3DMAX模型和VRML语言相结合的时候，就可以完美解决这个问题，让场景搭建更加地真实立体。

三、结语

在如今，计算机技术无论是软件还是硬件都有着迅速的发展，这给了虚拟现实技术大展拳脚的舞台。VR技术不仅在教育、交通、医疗、军事等方面能够创造巨大的成果，同时还能大大地丰富人们的生活，在娱乐和制造业中也发挥了巨大的作用。而虚拟现实技术的基础就是三维模型技术，只有在高度信息化的今天，将三维建模技术进行精进，才能让VR技术的应用更加顺风顺水。可是在三维建模技术的研究中，依然有很多不足的地方，因此在计算机技术发展的进程中，一定要重视对这方面问题的解决，开发出更好、更实用的建模方式和软件，模拟出更真实的物理、行动模型，只有这样才能让虚拟现实技术在未来有可观的应用前景。