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基于虚拟现实的三维建模技术的研究

  作者:吴桐桐 周国辉  发布时间:2019-04-09
关键词:三维建模 CAD

0 引言

    虚拟现实技术(VirtualReality,VR)通过使用计算机,运用一定的技术手段建造一个仿真的三维虚拟环境。VR技术通常具有如下的特征:

    1)沉浸感。是指对象作为主角置身于虚幻世界中的逼真感受。

    2)交互性。是指参与者对模拟世界中物体的可干预性以及从虚拟环境中得到效果反馈的自然程度。

    3)自主性。强调VR技术应该拥有广阔的可幻想空间,能够拓展人类认知的领域,不仅可以逼真重现客观世界,还可以构建虚幻的、甚至是奇幻的世界状态。

    当今时代日新月异,随着计算机领域相关技术的迅猛发展,VR系统构建及技术进入网络应用已然成为时下的一个实践性热点研究课题。具体来说,三维建模技术是VR系统的基础,如果没有专业VR建模工具提供支撑,VR系统将很难成功建立。而在完成复杂的虚拟现实场景的模拟建模时,研究中更多地使用了三维模型制作软件。其中,3DMAX建模软件是最趋广泛与普及应用的。通过利用3DMAX建造虚拟环境或物体,安装与其相对应的插件用于结果输出,就能够相对准确可靠地创建环境模型文档了。

1 虚拟现实建模技术

    在设计VR系统之前,首先需要创建一个虚拟环境(Environment)。在众多因素中,视觉将关系到最为直观和形象的用户体验,所以环境构建中,实时动态、逼真合理的呈现即成为至关重要的功能需求。

    一旦模型建立起来,即可称作一个系统的建立。系统能够拥有一个物体或是多个群体,这样的表现可以构成系统的模型。也就是说,系统模型以一个或多个方式存在。建模最初要完成的步骤,是给系统拟定一个标准,虚拟世界里存在众多的对象物体,相对层次较为繁杂,因而必须包括其中全部涉及的对象。下面则对这一技术内容展开论述研究。

    1.1 几何建模

    三维视觉建模可细分为几何建模(GeometricModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、对象行为建模(ObjectBehaviorModeling)等。而在虚拟世界构建中高效关键的设计手段就是几何建模。

    物体对象的几何信息可以用几何建模(GeometricModeling)来描述,虚幻世界中的各个对象都可由形状和外形2个要素来构成,而这2个要素又将分别由对象的其他因素来综合确定。

    1.1.1 Polygon(多边形)建模

    Polygon(多边形)建模是基础建模技术,就是用比较少量的网格多边形进行编辑建模。运用这种方法,需要先刻画一个基本的规则几何体,再根据需求进一步修改对象细节部分,最后通过各种手段技术来营建虚拟现实的场景和对象。多边形建模的缺点是不能够生成曲面,但其操作简单方便,而且时效性颇佳。polygons建模多用于游戏、动画等领域中。

    多边形包括4个基本元素:顶点、边、面、纹理坐标。

    下面,本文将运用多边形建模技术建造一个盾牌,实现过程用到了多边形建模技术中,对物体面的变换、点的拉伸、以及多个几何体互相拼接的过程,模型展示如图1~图3所示。

多边形建模1 

图1 多边形建模1

多边形建模2 

图2 多边形建模2

多边形建模3 

图3 多边形建模3
 

1.1.2  NURBS(非均匀有理B样条曲线)建模

    不同于多边形建模,NURBS建模多是专门用来建造曲面对象。研究中可用曲线和曲面来刻画NURBS建模对象,因此在NURBS里面建造一个锐利的边则是不可能的完成任务。NURBS曲线的特征是可以在任意点上分割和合并,而Polygon的曲线却无法做到这样。NURBS建模通常适用于工业模型、产品设计。

    下面,本文即运用NURBS建模设计一个杯子,在设计实现中将首先运用CV曲线工具设计出杯子的曲线,如图4所示;再通过旋转工具绘制杯子的初步模型,如图5所示;接下来则
通过编辑曲线上的点来进一步修改杯子的轮廓,以达到理想的模型效果,如图6所示;最后得到图7,杯子模型最终完成。

    1.1.3 Subdivision(细分表面技术)建模

    Subdivision(细分表面技术)是近年来新兴的一类建模技术。技术中汇集了NURBS(非均匀有理B样条曲线)建模和Polygon建模的特点和优势,适合搭建一些层次感丰富复杂的模型。而且,其建模工具简单,操作方便,创作静帧作品时是个不错的选择。

曲线建模1 

图4 曲线建模1

曲线建模2 

图5 曲线建模2

曲线建模3 

图6 曲线建模3

曲线建模4 

图7 曲线建模4

    Subdivision建模具有光滑的表面,因而并不存在对象表面的连续性问题。刻画到细节的时候,比如高精度的调节,就是利用level参数进行区域性的调节。特别地,Subdivision(细分表面技术)能够用于应对要求更高的建模。

    综上,将可根据用户的实际需求来选择最为恰当的建模方法,如此才能快速有效地达成效果目标。

    1.2 虚拟现实中的物理建模

    继几何建模发展流行之后,另外一种建模应运而生,就是物理建模。物理建模重点取决于科学合理的动态约束和运动方程的确立及求解。更改限制条件,互动环境即可自动解答更新的运动方程而且不存在显着延迟现象。研究中,多是通过模拟对象的位移、碰撞检测、旋转、表面形变等方面来实现模型搭建。

    下面将针对2种较为经典的物理建模技术:分形技术和粒子系统,分别给出技术综述。

    1.2.1 分形技术

    分形技术用来表示具有自相似特征的数据集。一些复杂的不规则形状对象的建模可以运用自相似这种结构。该技术最早应用于山川及水流的地理特性建模。分形技术虽然有其操作简单的优点,但是计算量过大,技术实时性也随即降低,所以只是适用于静态远景的建模中。

    1.2.2 粒子系统

    粒子系统属于经典的物理建模系统。简单的操作即可完成复杂运动的建模,由此构成了粒子系统。在虚拟现实中,粒子系统可以来表示焰火、流水、风雪、大雨、瀑布等自然现象。在虚拟现实中,粒子系统主要用于动态的、运动的物体建模。

    1.3 虚拟现实中的行为建模

    几何建模与物理建模相结合,仅是可以局部呈现出一个视觉上感受真实的画面特点,而若要建造一个逼真的虚拟环境世界,则还需要行为建模的参与和加入。

    对象的运动与行为描述均可以通过行为建模的方式来执行设计操作。行为建模能够准确贴切地描述虚拟现实的特点,如果没有行为模型的实效支撑,那么任何VR的构建均不会存在任何意义。

    在构造模型时,不但要设计实现模型外观等表现特性,同时更要关联实现模型物理特性,进而符合真实存在的行为习惯和应激的能力。

    如果说几何建模(GeometricModeling)技术主要是计算机图形学领域的研究发展所得,那么,物理建模(PhysicalModeling)和行为建模(ObjectBehaviorModeling)就是多学科领域交叉的研究产物。必须结合多个领域的研究技术成果,才能够建立优质、
且高端完善的行为模型。

2 3DMAX模型在虚拟现实中的应用

    2.1 虚拟现实建模语言———VRML

    VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是一种能够在网络上发挥影响与作用的可以构建立体虚幻空间的仿真程序语言。运用网络的用户能够浏览到由VRML创建的3D虚幻现实,改变时下网络与用户应用互动的局限性,使得用户与计算机的需求互动更加便捷,从而全面展示了虚拟场景的沉浸性、交互性和自主性。

    VRML语言具有描述性质,可以构造三维立体环境或物体。在构造的虚拟环境中,每个场景均由许多的节点来设计、部署并构成,因而对这些节点进行概述,并且生成wrl文件。

    VRML与HTML相同,可以理解为是ASCII码的描述性的语言。具体来说,就是一种码文件,可用普通计算机中都包含的文本编辑器编写,还能使用VRML语言的专业编辑器来编写源程序。通过使用VRML,用户可以自行构造出符合特定需
求的模拟桌面场景。

    2.2 3DMAX模型在VRML中的应用

    VRML(虚拟现实建模语言)运用节点搭建环境,但是用节点来描述模型却难能达到具体逼真的现实设计效果,而且也不容易模拟包含复杂面的形体。若运用3DMAX则能够弥补这一不足。现对其实现过程给出具体分析阐述。

    1)用MAX模型建立VEML文件。

    2)若要构建VRML的三维立体虚幻空间,首先需要启用3DMAX,如此,将能够输出VRML97的文件。点击3DMAX进入系统,并且使用各种建模方法搭建VR系统的实体化之后,就要单击Create/Helpers,选择VRML97;此时,会出现一个工具面板,面板上列示12个VRML辅助工具,分别是:Anchor(锚传感器)、AudioClip(音频剪裁板)、Background(背景)、Billboard(广告牌)、Fog(雾)、InlineObject(在线帮助)、LOD(细节级别)、NavInfo(浏览信息)、ProxSensor(范围传感器)、Sound(声音)、TimeSensor(时间传感器)、TouchSensor(触动传感器);相应地,就可添加协调辅助的工具,随后单击“File/Export”就会出现一个“SelectfiletoExport”对话框,点击“保存类型”的下拉列表框,选取“VRML97(*.WRL)”类型文件,确定文件名后单击“保存”;其后,出现“VRML97EXPORTER”对话框,选取系统默认值,点击“OK”生成一个文件,文件的后缀就是WRL。

    3)将MAX模型导入到VRML场景中。简单说来,即是先将3DMAX模型导出,保存为3DS格式,再合并VRML。那些运用VRML开发设计的虚幻环境中,大部分实体都能够在3DMAX中完成模型创建,最后获得VRML形式的文件。比如,在建筑漫游环境里虚拟一部电梯(loft)。电梯模型可以运用前述提及的Polygon(多边形建模)来构建生成,并保存为VRML格式文件。而后,可结合TouchSensor、TimeSensor和PositionInterpolator节点来达到电梯门拉开与关闭的场景视觉效果。

3 结束语

    随着当今计算机软、硬件技术的迅速发展,VR技术的应用日趋广泛,不仅在教育、军事、医疗、建筑、航空等领域参与了成果创造,而且在娱乐、制造业等方面也发挥了重要的作用。

    但在这方面的研究中,仍然存在诸多不足。因此,在计算机新兴技术开拓发展的进程中,定会有更多、更新的可行方案来解决当下存在的研究难题,虚拟现实中的三维建模技术也必将获得更大的发展空间及更为可观的应用前景。

责任编辑:覃晖
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