基于虚拟现实的三维建模技术的研究_图文

1、第6卷第2期2016年4月智能计算机与应用INTELLIGENT COMPUTEAND APPLICATIONSVol.6No.2Apr2016基于虚拟现实的三维建模技术的研究吴桐桐,周国辉(哈尔滨师范大学计算机科学与信息工程学院,哈尔滨150025摘要:随着V(虚拟现实技术的快速发展,三维建模技术在其中发挥着重要的作用,是虚拟现实技术的核心。本文研究探讨了V技术和三维建模技术,以及建模软件3D MAX ,还对VML 语言进行了分析论述。关键词:虚拟现实;几何建模;物理建模;行为建模;3DMAX ;VML 中图分类号:TP368文献标志码:A 文章编号:20952163(20160201130

2、3esearch of Visual eality 3D modeling technologyWU Tongtong ,ZHOU Guohui(Computer science and information engineering college ,Harbin normal university ,Harbin 150025,China Abstract :In recent years ,Virtual eality technology has been paid extensive attention in computer field3D modeling technology

3、is the most important part and one of the key technologies of virtual reality ,which is also the foundation of the VsystemIn this paper ,the methods of virtual reality 3D modeling and commonly used tool production softwares 3D MAX ,as well as common language VML ,etc are respectively introducedKeywo

4、rds :Virtual eality ;geometric modeling ;physical modeling ;behavior modeling ;3D MAX ;VML收稿日期:20160322作者简介:吴桐桐(1991,女,硕士研究生,主要研究方向:计算机视觉与模式识别;周国辉(1973,男,博士,教授,主要研究方向:计算机视觉与模式识别。通讯作者:周国辉Email :zhou_ghui163com 0引言虚拟现实技术(Virtual eality ,V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。V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

5、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V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,V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1。具体来说,三维建模技术是V系统的基础,如果没有专业V建模工具提供支撑,V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,3D MAX 建模软件是最趋广泛与普及应用的。通过利用3D MAX 建

6、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V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

7、。11几何建模三维视觉建模可细分为几何建模(Geometric Modeling 、物理建模(Physical Modeling 、对象行为建模(Object Behavior Modeling 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(Geometric Modeling 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。111Polygon (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

8、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 。图1多边形建模1Fig1Polygon modeling 1图2多边形建模2Fig2Polygon modeling 2图3多边形建模3Fig3Polygon modeling 3112NUBS (非

9、均匀有理B 样条曲线建模不同于多边形建模,NUBS 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NUBS 建模对象,因此在NUBS 里面建造一个锐利的边则是不可能的完成任务。NUBS 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。NUBS 建模通常适用于工业模型、产品设计。下面,本文即运用NUBS 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。113Su

10、bdivision (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NUBS (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 。图4曲线建模1Fig4NUBS modeling 1图5曲线建模2Fig5NUBS modeling 2图6曲线建模3Fig6NUBS modeling 3图7曲线建模4Fig7NUBS modeling 4Subdivision 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

11、度的调节,就·411·智能计算机与应用第6卷是利用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。12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著延迟现象。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2。下面将针对2种较为经典的物理建模技术:分形技

12、术和粒子系统,分别给出技术综述。121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。122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。13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

13、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V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3。如果说几何建模(Geometric Modeling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(Physical Modeling和行为建模(Object Behavior Modeling就是多学科领域交叉的研究产物。必须结合

14、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。23D MAX模型在虚拟现实中的应用21虚拟现实建模语言VMLVML(Virtualeality Modeling Language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VML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。VML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。VML

15、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VML语言的专业编辑器来编写源程序。通过使用VML,用户可以自行构造出符合特定需求的模拟桌面场景4。223D MAX模型在VML中的应用VML(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3D MAX则能够弥补这一不足3。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VML的三维立体虚幻空间,首先需要启用3D MAX,如此,将能够输出VML97的文件。点击

16、3D MAX进入系统,并且使用各种建模方法搭建V系统的实体化之后,就要单击Create/Helpers,选择VML97;此时,会出现一个工具面板,面板上列示12个VML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、Inline Object(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“Se

17、lect file to Export”对话框,点击“保存类型”的下拉列表框,选取“VML97(*WL”类型文件,确定文件名后单击“保存”;其后,出现“VML97EXPOTE”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WL。3将MAX模型导入到VML场景中。简单说来,即是先将3D MAX模型导出,保存为3DS格式,再合并VML。那些运用VML开发设计的虚幻环境中,大部分实体都能够在3D MAX 中完成模型创建,最后获得VML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VML格式文件。而后

18、,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,V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。参考文献:1张茂军虚拟现实系统M北京:科学出版社,20012杨克俭,刘舒燕三维人体手臂交互式运动仿真J交通与计算机,1999,17(5:473YANG Kejian,LIU Shuyan,CHEN Dingfang,e