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基于虛擬現實的三維建模技術的研究

  作者:吳桐桐 周國輝  發布時間:2019-04-09
關鍵詞:三維建模 CAD

0 引言

    虛擬現實技術(VirtualReality,VR)通過使用計算機,運用一定的技術手段建造一個仿真的三維虛擬環境。VR技術通常具有如下的特征:

    1)沉浸感。是指對象作為主角置身于虛幻世界中的逼真感受。

    2)交互性。是指參與者對模擬世界中物體的可干預性以及從虛擬環境中得到效果反饋的自然程度。

    3)自主性。強調VR技術應該擁有廣闊的可幻想空間,能夠拓展人類認知的領域,不僅可以逼真重現客觀世界,還可以構建虛幻的、甚至是奇幻的世界狀態。

    當今時代日新月異,隨著計算機領域相關技術的迅猛發展,VR系統構建及技術進入網絡應用已然成為時下的一個實踐性熱點研究課題。具體來說,三維建模技術是VR系統的基礎,如果沒有專業VR建模工具提供支撐,VR系統將很難成功建立。而在完成復雜的虛擬現實場景的模擬建模時,研究中更多地使用了三維模型制作軟件。其中,3DMAX建模軟件是最趨廣泛與普及應用的。通過利用3DMAX建造虛擬環境或物體,安裝與其相對應的插件用于結果輸出,就能夠相對準確可靠地創建環境模型文檔了。

1 虛擬現實建模技術

    在設計VR系統之前,首先需要創建一個虛擬環境(Environment)。在眾多因素中,視覺將關系到最為直觀和形象的用戶體驗,所以環境構建中,實時動態、逼真合理的呈現即成為至關重要的功能需求。

    一旦模型建立起來,即可稱作一個系統的建立。系統能夠擁有一個物體或是多個群體,這樣的表現可以構成系統的模型。也就是說,系統模型以一個或多個方式存在。建模最初要完成的步驟,是給系統擬定一個標準,虛擬世界里存在眾多的對象物體,相對層次較為繁雜,因而必須包括其中全部涉及的對象。下面則對這一技術內容展開論述研究。

    1.1 幾何建模

    三維視覺建模可細分為幾何建模(GeometricModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、對象行為建模(ObjectBehaviorModeling)等。而在虛擬世界構建中高效關鍵的設計手段就是幾何建模。

    物體對象的幾何信息可以用幾何建模(GeometricModeling)來描述,虛幻世界中的各個對象都可由形狀和外形2個要素來構成,而這2個要素又將分別由對象的其他因素來綜合確定。

    1.1.1 Polygon(多邊形)建模

    Polygon(多邊形)建模是基礎建模技術,就是用比較少量的網格多邊形進行編輯建模。運用這種方法,需要先刻畫一個基本的規則幾何體,再根據需求進一步修改對象細節部分,最后通過各種手段技術來營建虛擬現實的場景和對象。多邊形建模的缺點是不能夠生成曲面,但其操作簡單方便,而且時效性頗佳。polygons建模多用于游戲、動畫等領域中。

    多邊形包括4個基本元素:頂點、邊、面、紋理坐標。

    下面,本文將運用多邊形建模技術建造一個盾牌,實現過程用到了多邊形建模技術中,對物體面的變換、點的拉伸、以及多個幾何體互相拼接的過程,模型展示如圖1~圖3所示。

多邊形建模1 

圖1 多邊形建模1

多邊形建模2 

圖2 多邊形建模2

多邊形建模3 

圖3 多邊形建模3
 

1.1.2  NURBS(非均勻有理B樣條曲線)建模

    不同于多邊形建模,NURBS建模多是專門用來建造曲面對象。研究中可用曲線和曲面來刻畫NURBS建模對象,因此在NURBS里面建造一個銳利的邊則是不可能的完成任務。NURBS曲線的特征是可以在任意點上分割和合并,而Polygon的曲線卻無法做到這樣。NURBS建模通常適用于工業模型、產品設計。

    下面,本文即運用NURBS建模設計一個杯子,在設計實現中將首先運用CV曲線工具設計出杯子的曲線,如圖4所示;再通過旋轉工具繪制杯子的初步模型,如圖5所示;接下來則
通過編輯曲線上的點來進一步修改杯子的輪廓,以達到理想的模型效果,如圖6所示;最后得到圖7,杯子模型最終完成。

    1.1.3 Subdivision(細分表面技術)建模

    Subdivision(細分表面技術)是近年來新興的一類建模技術。技術中匯集了NURBS(非均勻有理B樣條曲線)建模和Polygon建模的特點和優勢,適合搭建一些層次感豐富復雜的模型。而且,其建模工具簡單,操作方便,創作靜幀作品時是個不錯的選擇。

曲線建模1 

圖4 曲線建模1

曲線建模2 

圖5 曲線建模2

曲線建模3 

圖6 曲線建模3

曲線建模4 

圖7 曲線建模4

    Subdivision建模具有光滑的表面,因而并不存在對象表面的連續性問題。刻畫到細節的時候,比如高精度的調節,就是利用level參數進行區域性的調節。特別地,Subdivision(細分表面技術)能夠用于應對要求更高的建模。

    綜上,將可根據用戶的實際需求來選擇最為恰當的建模方法,如此才能快速有效地達成效果目標。

    1.2 虛擬現實中的物理建模

    繼幾何建模發展流行之后,另外一種建模應運而生,就是物理建模。物理建模重點取決于科學合理的動態約束和運動方程的確立及求解。更改限制條件,互動環境即可自動解答更新的運動方程而且不存在顯著延遲現象。研究中,多是通過模擬對象的位移、碰撞檢測、旋轉、表面形變等方面來實現模型搭建。

    下面將針對2種較為經典的物理建模技術:分形技術和粒子系統,分別給出技術綜述。

    1.2.1 分形技術

    分形技術用來表示具有自相似特征的數據集。一些復雜的不規則形狀對象的建模可以運用自相似這種結構。該技術最早應用于山川及水流的地理特性建模。分形技術雖然有其操作簡單的優點,但是計算量過大,技術實時性也隨即降低,所以只是適用于靜態遠景的建模中。

    1.2.2 粒子系統

    粒子系統屬于經典的物理建模系統。簡單的操作即可完成復雜運動的建模,由此構成了粒子系統。在虛擬現實中,粒子系統可以來表示焰火、流水、風雪、大雨、瀑布等自然現象。在虛擬現實中,粒子系統主要用于動態的、運動的物體建模。

    1.3 虛擬現實中的行為建模

    幾何建模與物理建模相結合,僅是可以局部呈現出一個視覺上感受真實的畫面特點,而若要建造一個逼真的虛擬環境世界,則還需要行為建模的參與和加入。

    對象的運動與行為描述均可以通過行為建模的方式來執行設計操作。行為建模能夠準確貼切地描述虛擬現實的特點,如果沒有行為模型的實效支撐,那么任何VR的構建均不會存在任何意義。

    在構造模型時,不但要設計實現模型外觀等表現特性,同時更要關聯實現模型物理特性,進而符合真實存在的行為習慣和應激的能力。

    如果說幾何建模(GeometricModeling)技術主要是計算機圖形學領域的研究發展所得,那么,物理建模(PhysicalModeling)和行為建模(ObjectBehaviorModeling)就是多學科領域交叉的研究產物。必須結合多個領域的研究技術成果,才能夠建立優質、
且高端完善的行為模型。

2 3DMAX模型在虛擬現實中的應用

    2.1 虛擬現實建模語言———VRML

    VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是一種能夠在網絡上發揮影響與作用的可以構建立體虛幻空間的仿真程序語言。運用網絡的用戶能夠瀏覽到由VRML創建的3D虛幻現實,改變時下網絡與用戶應用互動的局限性,使得用戶與計算機的需求互動更加便捷,從而全面展示了虛擬場景的沉浸性、交互性和自主性。

    VRML語言具有描述性質,可以構造三維立體環境或物體。在構造的虛擬環境中,每個場景均由許多的節點來設計、部署并構成,因而對這些節點進行概述,并且生成wrl文件。

    VRML與HTML相同,可以理解為是ASCII碼的描述性的語言。具體來說,就是一種碼文件,可用普通計算機中都包含的文本編輯器編寫,還能使用VRML語言的專業編輯器來編寫源程序。通過使用VRML,用戶可以自行構造出符合特定需
求的模擬桌面場景。

    2.2 3DMAX模型在VRML中的應用

    VRML(虛擬現實建模語言)運用節點搭建環境,但是用節點來描述模型卻難能達到具體逼真的現實設計效果,而且也不容易模擬包含復雜面的形體。若運用3DMAX則能夠彌補這一不足。現對其實現過程給出具體分析闡述。

    1)用MAX模型建立VEML文件。

    2)若要構建VRML的三維立體虛幻空間,首先需要啟用3DMAX,如此,將能夠輸出VRML97的文件。點擊3DMAX進入系統,并且使用各種建模方法搭建VR系統的實體化之后,就要單擊Create/Helpers,選擇VRML97;此時,會出現一個工具面板,面板上列示12個VRML輔助工具,分別是:Anchor(錨傳感器)、AudioClip(音頻剪裁板)、Background(背景)、Billboard(廣告牌)、Fog(霧)、InlineObject(在線幫助)、LOD(細節級別)、NavInfo(瀏覽信息)、ProxSensor(范圍傳感器)、Sound(聲音)、TimeSensor(時間傳感器)、TouchSensor(觸動傳感器);相應地,就可添加協調輔助的工具,隨后單擊“File/Export”就會出現一個“SelectfiletoExport”對話框,點擊“保存類型”的下拉列表框,選取“VRML97(*.WRL)”類型文件,確定文件名后單擊“保存”;其后,出現“VRML97EXPORTER”對話框,選取系統默認值,點擊“OK”生成一個文件,文件的后綴就是WRL。

    3)將MAX模型導入到VRML場景中。簡單說來,即是先將3DMAX模型導出,保存為3DS格式,再合并VRML。那些運用VRML開發設計的虛幻環境中,大部分實體都能夠在3DMAX中完成模型創建,最后獲得VRML形式的文件。比如,在建筑漫游環境里虛擬一部電梯(loft)。電梯模型可以運用前述提及的Polygon(多邊形建模)來構建生成,并保存為VRML格式文件。而后,可結合TouchSensor、TimeSensor和PositionInterpolator節點來達到電梯門拉開與關閉的場景視覺效果。

3 結束語

    隨著當今計算機軟、硬件技術的迅速發展,VR技術的應用日趨廣泛,不僅在教育、軍事、醫療、建筑、航空等領域參與了成果創造,而且在娛樂、制造業等方面也發揮了重要的作用。

    但在這方面的研究中,仍然存在諸多不足。因此,在計算機新興技術開拓發展的進程中,定會有更多、更新的可行方案來解決當下存在的研究難題,虛擬現實中的三維建模技術也必將獲得更大的發展空間及更為可觀的應用前景。

責任編輯:覃暉
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