3D MAX 建模

3D MAX 建模 目 录 摘 要............................................................................................................................................... 2 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 3 第一章 虚拟现实简介 ..................................................................................................................... 4 1.1、概述 ...................................................................................................................................... 4 1.2、虚拟现实技术的设计目标 .................................................................................................... 4 1.3、虚拟现实系统的体系结构 .................................................................................................... 5 第二章3D STUDIO MAX 简介 ..................................................................................................... 6 第三章 3D MAX 在VR系统构建过程中的应用 ........................................................................ 7 3D MAX 建模的具体实施 .................................................................................................... 7 3.1 3.1.1 .......................................................................................................................... 7 数据收集 3.1.2 获取布局图 ...................................................................................................................... 7 3.1.3 贴图资料。 ...................................................................................................................... 8 3.2 3D MAX构建模型主要工作 ................................................................................................. 8 3.2.1 划分场景单元 .................................................................................................................. 8 3.2.2 主要建筑物建模 .............................................................................................................. 9 3.2.3 次要建筑物建模............................................................................................................. 9 3.2.4 注意事项 .......................................................................................................................... 9 3.3 3D MAX模型的构造 ..................................................................................................... 9 3.3.1 3D MAX的几何建模方法 .............................................................................................. 10 3.3.2 基于图像的绘制方法 ..................................................................................................... 11 3.4 建模过程中的几个关键问和解决办法 .............................................................................. 12 3.4.1 3D MAX在虚拟现实建模中的关键问题 ........................................................................ 12 3.4.2 建模过程中的几个关键技术的解决办法 ..................................................................... 12 3.5 3D MAX建模的虚拟现实技术在各领域的发展 ............................................................. 13 总结与展望..................................................................................................................................... 15 参考文献......................................................................................................................................... 16 致 谢............................................................................................................................................. 17 1 摘 要 随着科学技术的不断进步和发展,二维的信息展示方式已经不能满足人们对信息获取的需要,三维的信息显示方式已经成为今后信息展示的主流发展方向。 3D MAX 是Autodesk公司的子公司Kinetix推出的一种优秀的三维动画造型软件,它广泛用于游戏、广告、建筑等领域，是目前PC上最流行的三维动画造型软件。虚拟现实技术是计算机技术发展到一定阶段的产物，它使计算机适应人而不是人适应计算机，它的发展应用日益广泛、普及。本文拟就3D MAX 在虚拟现实系统建模过程中的应用做一介绍。 关键词:3D MAX、虚拟现实、建模 2 Abstract With the continuous progress of science and technology and the development of two-dimensional information display mode is can not meet the needs of people access to information, three-dimensional information display information display has been the mainstream for future development. Autodesk 3D MAX is a subsidiary of Kinetix introduced an excellent 3D architecture and other fields, is the PC's most popular animation modeling software. Virtual reality technology is the development of computer technology to a certain stage, and it allows the computer to adapt to people rather than to adapt to the computer, its development has been used widely, popular. This paper on Virtual Reality 3D MAX modeling in the application process to do an introduction. Keywords: 3D MAX、 virtual reality、 modeling 3 第一章 虚拟现实简介 1.1、概述 虚拟现实(Virtual Reality)是近年来十分活跃的技术研究领域。它是一系列高新技术的汇集，包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能、多传感器技术以及高度并行的实时计算技术。目前，其应用已广泛涉及军事、教育培训、设计、商业、医学、影视、艺术、娱乐等众多领域，并带来了巨大的经济效益。 虚拟现实系统中的建模是整个虚拟现实系统建立的基础。为了给用户创建一个能使他感受到身临其境、逼真的环境，就需要创建尽可能逼真的模型和虚拟场景。但是，如果模型和场景过于精细，数据量过于庞大，将给虚拟现实应用系统带来灾难，尤其是比较复杂的场景比如古村落建筑。在虚拟现实系统中的建模，应该在保证必须的模型质量情况下做到数据量尽量小，以保证虚拟现实应用系统的运行效率设计一个虚拟现实系统除了硬件条件一般个人无法定制外，能够充分发挥个人能动性的就只能是在系统软的方面下功夫了。设计一个VR系统，首要的问题是创造一个虚拟环境，这个虚拟环境包括三维模型、三维声音等，在这些要素中，因为在人的感觉中，视觉摄取的信息量最大，反应亦最为灵敏，所以创造一个逼真而又合理的模型，并且能够实时动态地显示是最重要的。虚拟现实系统构建的很大一部分工作也是建造逼真合适的三维模型。 1.2、虚拟现实技术的设计目标 (1)要使参与者有"真实"的体验。这种体验就是"沉浸"或"投入"，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度，甚至比真的还"真"。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。 (2)系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈 4 信息，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非纵，能从虚拟环境中得到反馈信息，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。为达到这个目标，高速计算和处理就必不可少。 1.3、虚拟现实系统的体系结构 虚拟现实技术的体系结构分为分布式虚拟现实和非分布式虚拟现实两种体系结构。 非分布式虚拟现实系统结构--真实用户环境VUE(Veridical User Environment),它是一个事件驱动、按照一组规则来处理并发事件的虚拟现实系统，它将单个的虚拟世界分解成多个Client/Server进程，这些进程可以在不同的处理器上执行，并通过消息传递相互通信。系统包含3个VR部件:设备服务器(device servers)、应用进程(a lication proce es--也作为一种服务器进程来管理)和会话管理DM(DialogueManager)。设备管理器管理输入输出设备;会话管理是设备服务器的客户程序，同时又是应用进程的服务器，它定义了虚拟世界的交互规则，并协调和传递输入设备服务器产生的事件到应用进程，然后将响应事件传递到输出设备服务器，会话管理通过异步消息传递来与其他服务器通信，并按照规则传递事件。 分布式虚拟现实系统是一个支持多人实时通过网络进行交互的虚拟现实系统，每个用户在一个VR环境(真实感3D立体图形，立体声)中通过联网的计算机与其他用户进行交互。DVR的研究开发工作早在20世纪80年代处就开始了，近年来网络技术的飞速发展更进一步推进了DVR的研究和开发。 5 第二章3D Studio MAX 简介 3D MAX是Autodesk公司下的一款3维动画软件，已经有十多年的历史了，在3维动画软件中这是一款非常成功的产品系列，也是具有跨时代的意义，在3维的高级建模中主要有4中，多变形建模、面片建模、网格建模、NURBS建模，先画一个3维模型，选择高级建模4个中的一个，多边形建模主要通过点 、边 、面多边形，改变3维物体的形状，网格建模，面片建模都基本类似，在次级层中编辑改变的3维物体的形状大小曲面等来实现特定的效果。 3D MAX技术广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DMAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DMAX的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DMAX的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3DMAX的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画;片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些;影视特效方面的应用则把3DMAX的功能发挥到了极至。3D MAX因其随时可以使用的基于模板的角色搭建系统、强大的建模和纹理制作工具包以及通过集成的 mental ray 软件提供的无限自由网络渲染而享誉世界。 6 第三章 3D MAX 在VR系统构建过程中的应用 3.1 3D MAX 建模的具体实施 3.1.1 数据收集 在这里我们主要是以古镇虚拟环境建立为例。在数据收集过程中,应根据建设过程中对于建筑、环境等场景的要求不同,选择不同分辨率和精确度的数据和图片。 3.1.2 获取布局图 向有关部门提取的图纸资料包括大比例尺航摄相片、地形图文件、建筑单体及规划的工程图纸文件。原始资料获得后,利用AutoCad 进行校正,将单个建筑物的轮廓线从摄取照片中提取，作为古镇模型的底图资料并且按照一定的比例把图片做成地形贴图,方便后面模型的建立。整理单个集合体的各种建筑尺寸备用。如下图: 7 3.1.3 贴图资料。 在虚拟现实系统中为了增加模型的逼真效果，通常把取自实际环境的数码照片做为纹理,另外部分图片要进行处理， 让常用的图像处理软件比如Photoshop能够处理RGB或RGBA格式的文件, 设定纹理图片的大小，要做为纹理的图片长度和宽度像素值均要设为2的整数次幂，如256*128，否则模型在实时漫游中纹理可能发生扭曲变形。透明贴图用图像处理软件处理透明贴图后得到。也可从其它资源获取现场拍摄不到的建筑或景观的纹理贴图内容包括建筑物、道路、水面、树木、草地、小品设施等。 如下古镇贴图材质的获取: 3.2 3D MAX构建模型主要工作 3D MAX建模软件的使用非常广泛，具有可操作性强、功能强大、模型精细逼真、质感强等特点，缺点就是数据量大。利用3D MAX构建模型主要工作有: 3.2.1 划分场景单元 在古镇模型构建中，通常需要对真实场景进行划分，分成相对独立的几个 8 单元。根据本文所涉及的古镇的实景场景，划分出了划分出了纪念馆、书院、酒楼、寺庙等主要建筑物和其他次要建筑物，另外树木等小品也可以单独做考虑。 3.2.2 主要建筑物建模 四个主要建筑物作为场景的核心景点，模型质量要求较高，要有一定的逼真度。因此往往需要使用3DS MAX软件的Extrude、Mirror、Bevel、Loft、Edit Spline等等命令。比如在大宗祠的建模中，宗祠的横梁、柱基等等就较多的使用了Extrude、Edit Spline命令。另外，为了减少模型的面片和数据量，在保证模型一定精细度的情况下要尽量减少这些命令的Segment、Sides或Steps值，同时，尽可能的使用纹理映射提高模型逼真度。 3.2.3 次要建筑物建模 次要建筑物模型质量要求不高，可以使用简单几何体和纹理映射来完成。 3.2.4 注意事项 要想在3D MAX中建立模型，并将3D MAX模型转换为仿真驱动的OpenFlight模型并且能够使用，在Max中建模时我们必须注意以下几点: (1)避免不兼容的情况。在本方法中，需要先使用3DSMAX建立模型再导入到MultiGenCreator中进行处理，但是3D MAX做为一个功能强大的建模软件，有些指令在MultiGenCreator是无法得到识别和支持的，比如复杂的纹理合成、reference参数等等。为了保证前面建立模型在后面得到较好读取，应该避免使用这些指令，或者在模型导入到MultiGenCreator后使用类似的指令。 (2)尽量使用简单方式。建立的模型要尽量采用比较简易的Box、Shape等来表现，不要使用NURBS、polygon、patch建模方式建模。建议在3dmax中多采用Shape加其它命令的方式来建立模型。 (3)在保证模型质量的情况下尽量减少精细度。比如在使用Shape中的Line建立模型时要尽量将Interpolation选项中的Steps值设置到最小的程度，一般设到1,3即可满足要求，Steps值过高会极大的增加转换后的模型面片数。 3.3 3D MAX模型的构造方法 9 VR系统要求实时动态逼真地模拟环境,考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求,VR系统的建模与以造型为主的动画建模方法有着显著的不同,VR的建模大都采用模型分割、纹理映射等技术。3DSMAX建模软件的使用非常广泛，具有可操作性强、功能强大、模型精细逼真、质感强等特点，目前VR中的虚拟场景的构造主要有以下途径:基于模型的方法和IBR(基于图像的绘制)方法两种。这两种方法都可以在3DS MAX中加以实现和验证，下面具体展开加以说明。 3.3.1 3D MAX的几何建模方法 (1)多边形建模。多边形建模技术是最早采用的一种建模技术，它的思想很简单，就是用小平面来模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或其他多边形但实际中多是三角形或矩形。使用多边形建模可以通过直接创建基本的几何体，再根据要求采用修改器调整物体形状或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品。多边形建模的主要优点是简单、方便和快速但它难于生成光滑的曲面，故而多边形建模技术适合于构造具有规则形状的物体，如大部分的人造物体，同时可根据虚拟现实系统的要求，仅仅通过调整所建立模型的参数就可以获得不同分辨率的模型，以适应虚拟场景实时显示的需要。 (2)NURBS建模。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines(非均匀有理B样条曲线)的缩写，它纯粹是计算机图形学的一个数学概念。NURBS建模技术是最近4年来三维动画最主要的建模方法之一，特别适合于创建光滑的、复杂的模型,而且在应用的广泛性和模型的细节逼真性方面具有其他技术无可比拟的优势。但由于NURBS建模必须使用曲面片作为其基本的建模单元，所以它也有以下局限性:NURBS曲面只有有限的几种拓扑结构，导致它很难制作拓扑结构很复杂的物体(例如带空洞的物体);NURBS曲面片的基本结构是网格状的,若模型比较复杂,会导致控制点急剧增加而难于控制;构造复杂模型时经常需要裁剪曲面,但大量裁剪容易导致计算错误;NURBS技术很难构造“带有分枝的”物体。 (3)细分曲面技术。细分曲面技术是1998年才引入的三维建模方法，它解决了NURBS技术在建立曲面时面临的困难，它使用任意多面体作为控制网格，然后自动根据控制网格来生成平滑的曲面。细分曲面技术的网格可以是任意形状， 10 因而可以很容易地构造出各种拓扑结构，并始终保持整个曲面的光滑性。细分曲面技术的另一个重要特点是“细分”，就是只在物体的局部增加细节，而不必增加整个物体的复杂程度，同时还能维持增加了细节的物体的光滑性。但由于细分曲面技术是一种刚出现不久的技术，3D Studio MAX R3对它的支持还显得稚嫩，还不能完成一些十分复杂的模型创作。 有了以上3D MAX几种建模方法的认识，就可以在为虚拟现实系统制作相应模型前,根据虚拟现实系统的要求选取合适的建模途径,多快好省地完成虚拟现实的作品的制作。 在虚拟现实作品制作的时候应当遵循一个:在能够保证视觉效果的前提下，尽量采用比较简单的模型，而且若能够用参数化方法构建的对象尽量用参数化方法构建，同时，在模型创作过程中，对模型进行分割，分别建模，以利于在虚拟现实系统中进行操作和考察。 对于复杂对象的运动或原理演示,我们可以预先将对象的运动和说明做成动画存为avi文件,然后等待VR系统合适的触发事件,播放该avi文件即可。 3.3.2 基于图像的绘制方法 传统图形绘制技术均是面向景物几何而设计的，因而绘制过程涉及到复杂的建模、消隐和光亮度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对高度复杂的场景，现有的计算机硬件仍无法实时绘制简化后的场景几何。因而我们面临的一个重要问题是如何在具有普通计算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制。IBR技术就是为实现这一目标而设计的一种全新的图形绘制方式。该技术基于一些预先生成的图像(或环境映照)来生成不同视点的场景画面，与传统绘制技术相比，它有着鲜明的特点: (1)图形绘制独立于场景复杂性，仅与所要生成画面的分辨率有关。 (2)预先存储的图像(或环境映照)既可以是计算机合成的，亦可以是实际拍摄的画面，而且两者可以混合使用。 (3)该绘制技术对计算资源的要求不高，因而可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂场景的实时显示。由于每一帧场景画面都只描述了给定视点沿某一特定视线方向观察场景的结果，并不是从图像中恢复几何或光学景象模型，为了 11 摆脱单帧画面视域的局限性，我们可在一给定视点处拍摄或通过计算得到其沿所有方向的图像，并将它们拼接成一张全景图像。为使用户能在场景中漫游，我们需要建立场景在不同位置处的全景图，继而通过视图插值或变形来获得临近视点的对应的视图。IBR技术是新兴的研究领域，它将改变人们对计算机图形学的传统认识，从而使计算机图形学获得更加广泛的应用。 3.4 建模过程中的几个关键问题和解决办法 3.4.1 3D MAX在虚拟现实建模中的关键问题 (1)基本建模方面。虽然通过3D MAX能实现模型精细，效果美好的模型，但整个工程的数据量是惊人的，另外3D MAX存在于其他软件结合的问题，有鉴于此，为了解决两者兼容问题，3D MAX建模中应尽量使用简单命令。为了解决数据量问题，模型在不影响整个虚拟城市质量的前提下应尽可能简单。 (2)纹理贴图方面。在模型中，纹理是影响数据量的重要因素。纹理的大小直接关系到文件的渲染速度和整个数据量大小。因此，在处理贴图时，应将纹理尺寸(在不影响模型外观的前提下)调整到尽可能小。在特定情况下，可在3D MAX中调整。 3.4.2 建模过程中的几个关键技术的解决办法 (1)数据的读取。模型导出数据文件时需要考虑几点:精度各类信息不丢失;便于导入模块的处理。在这里,数据的读取的做法是先在3D MAX 中将模型用Export 工具导出为3DS 文件格式,然后进行数据读取。这里存在的问题是书格式转换后模型出现多余面的处理,在这里我们采用面合并和顶点合并的方法合并在同一个面上的小面和距离较小的顶点。 (2)运用实时生成一定详细程度的三维场景的LOD(Level of Detail) 技术,即细节层次模型小型的场景容易实现流畅的实时漫游,但对于过于复杂的大型甚至巨大型的场景,如果对所有模型在任何时候(近景、远景或被阻挡) 都进行同样的计算量,那显然是会极大地影响实时漫游的流畅性,此时运用LOD技术可实现在不同层次、不同视觉条件下,采用不同精细程度的模型来表示同一物体,以提高 12 场景的显示速度,实现实时、交互。也就是说,为每个物体都手工建立繁简不同的模型,当物体离视点远时就调用相对简单的模型,而近距离观察时调用相对复杂的模型(这样可以在逼真性和速度之间达到均衡) 因此需设定若干个(3,5) 层次(每个层次的适用范围是动态分配且有交集的) 。 (3)对部分模型采用DOF( Degree of Freedom) 技术, 即自由度。虚拟世界既需要动态的也需要静态的模型,例如人物和车辆应当具有运动的能力,这些属性的定义和构建必须借助DOF 来实现。自由度( DOF) 是一种节点,可以把这种节点插入数据库以使这个节点以下的几何体运动,然后定义本地坐标系,使它所控制的几何体围绕坐标轴运动。DOF 其实代表了一个独立的定位缓冲系统,通过对它的对话框和窗口属性的设置,能够定义调整在旋转、缩放、平移等运动过程中在每一个坐标轴上的自由度。从而在一定的限度内作往复运动而形成动态的动作。 (4)建立一个好的层次结构库由于建立的模型库是由3DSMAX 格式转换后的模型和Creator 中建立的模型的共同组合,因此有必要进行模型库的调整,建立一个有序的、有条理的层次结的做法是先在3DSMAX 中将模型用Export 工具导出为3DS 文件格式,然后进行数据读取。这里存在的问题是书格式转换后模型出现多余面的处理,在这里我们采用面合并和顶点合并的方法合并在同一个面上的小面和距离较小的顶点。 3.5 3D MAX建模的虚拟现实技术在各领域的发展 3D MAX在虚拟现实领域中占有相当大的地位。游戏、城市规划项目、房地产规划项目中3D MAX的虚拟效果都成为首选的考虑。3D虚拟技术能使用户自由地在场景中走动，并且可以360度任意观看各个方向的场景全面的三维信息，因而更直观，信息更完整，功能也更加丰富，极大的提高了效率。广泛用于各行业和部门，如:国土资源、水利、 交通、 农林、 环保、 数字城市等。城市规划实例展示(如下图) 13 14 总结与展望 3D MAX建模是时下各种虚拟现实应用技术的基础,越来越受到人们的关注虚拟现实也在旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业都发展得很快。相信在不远的将来，对于现实生活中可见信息，在虚拟现实系统可完全再现，并突破时间，空间的限制，展示现实生活的过去，现在和未来。 15 参考文献 ,1,. 曾芬芳主编.《虚拟现实技术》.上海交通大学出版社, 1997年第一版. ,2,. 黄心渊编著. 《虚拟现实技术与应用》.科学出版社，1999年第一版. ,3,. 张昀、徐自亮. 3D Studio MAX R3().清华大学出版社,1999年第 一版. ,4,. 鲍虎军,彭群生.浙江大学CAD,CG国家重点实验室.基于图像的图形绘 制技术. 1998 第36期 技术专题版专题报道. 16 致 谢 感谢指导老师谷晓蕾老师、赵兆老师、李锡辉老师、在整个学习过程的耐心指导。特别感谢谷老师在三年大学生活对我在学习和生活中的指导和帮助，帮助我开拓研究思路，学习做人做事。谷老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，让我在走入社会中受益匪浅。感谢老师对我的教育培养，我要向谷老师深深地鞠上一躬。 17