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文檔簡介

1、目錄摘 要 2ABSTRACT 3第一章 虛擬現(xiàn)實簡介 41.1 、概述 41.2 、虛擬現(xiàn)實技術的設計目標 41.3 、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的體系結構 5第二章 3D STUDIO MAX 簡介 6第三章 3D MAX 在 VR 系統(tǒng)構建過程中的應用 73.1 3D MAX 建模的具體實施 73.1.1 數據收集 73.1.2 獲取布局圖 73.1.3 貼圖資料。 83.2 3D MAX 構建模型主要工作 83.2.1 劃分場景單元 83.2.2 主要建筑物建模 93.2.3 次要建筑物建模 93.2.4 注意事項 93.3 3D MAX 模型的構造方法 93.3.1 3D MAX 的幾何建模方法

2、103.3.2 基于圖像的繪制方法 113.4 建模過程中的幾個關鍵問題和解決辦法 123.4.1 3D MAX 在虛擬現(xiàn)實建模中的關鍵問題 123.4.2 建模過程中的幾個關鍵技術的解決辦法 123.5 3D MAX 建模的虛擬現(xiàn)實技術在各領域的發(fā)展 13總結與展望 15參考文獻 16致 謝 171摘要隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展 , 二維的信息展示方式已經不能 滿足人們對信息獲取的需要 , 三維的信息顯示方式已經成為今后信息 展示的主流發(fā)展方向。3D MAX是Autodesk公司的子公司 Kinetix 推出的一種優(yōu)秀的三 維動畫造型軟件,它廣泛用于游戲、廣告、建筑等領域,是目前PC上 最

3、流行的三維動畫造型軟件。 虛擬現(xiàn)實技術是 計算機 技術發(fā)展到一定 階段的產物, 它使計算機適應人而不是人適應計算機, 它的發(fā)展應用 日益廣泛、普及。本文擬就3D MAX在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建模過程中的應 用做一介紹。關鍵詞:3D MAX虛擬現(xiàn)實、建模2AbstractWith the con ti nu ous progress of scie nee and tech no logy and the development of two-dimensional information display modeis can not meet the n eeds of people access t

4、o in formati on,three-dimensionalinformationdisplay information display hasbee n the mai nstream for future developme nt.Autodesk 3D MAX is a subsidiary of Kin etix in troduced an excellent 3D architecture and other fields, is the PC's most popular ani mati on modeli ng software. Virtual reality

5、 tech no logy is the developme nt of computer tech no logy to a certa in 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 modeli ng in the applicati on process to do an in tr

6、oducti on.Keywords: 3D MAX virtual reality 、modeling3第一章 虛擬現(xiàn)實簡介1.1 、概述虛擬現(xiàn)實( Virtual Reality )是近年來十分活躍的技術研究領域。它是一 系列高新技術的匯集,包括計算機圖形學、圖像處理與模式識別、 智能接口技術、 人工智能、 多傳感器技術以及高度并行的實時計算技術。 目前,其應用已廣泛涉 及軍事、教育培訓、工程設計、商業(yè)、醫(yī)學、影視、藝術、娛樂等眾多領域,并 帶來了巨大的經濟效益。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的建模是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立的基礎。 為了給用戶創(chuàng)建一 個能使他感受到身臨其境、 逼真的環(huán)境, 就需要創(chuàng)建盡可能逼

7、真的模型和虛擬場 景。但是,如果模型和場景過于精細,數據量過于龐大,將給虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng) 帶來災難,尤其是比較復雜的場景比如古村落建筑。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的建模, 應該在保證必須的模型質量情況下做到數據量盡量小, 以保證虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng) 的運行效率設計一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)除了硬件條件一般個人無法定制外, 能夠充分 發(fā)揮個人能動性的就只能是在系統(tǒng)軟的方面下功夫了。設計一個 VR系統(tǒng),首要 的問題是創(chuàng)造一個虛擬環(huán)境, 這個虛擬環(huán)境包括三維模型、 三維聲音等, 在這些 要素中,因為在人的感覺中,視覺攝取的信息量最大,反應亦最為靈敏,所以創(chuàng) 造一個逼真而又合理的模型, 并且能夠實時動態(tài)地顯示是最重要的。 虛

8、擬現(xiàn)實系 統(tǒng)構建的很大一部分工作也是建造逼真合適的三維模型。1.2 、虛擬現(xiàn)實技術的設計目標(1) 要使參與者有 "真實" 的體驗。這種體驗就是 "沉浸" 或" 投入" ,即全心地 進入,簡單地說就是產生在虛擬世界中的幻覺。 理想的虛擬環(huán)境應達到用戶難以 分辯真假的程度, 甚至比真的還 "真" 。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注 意力。為了達到這個目標, 就必須具有多感知的能力, 理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應具 備人類所具有的一切感知能力,包括視覺、聽覺、觸覺,甚至味覺和嗅覺。(2) 系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是

9、基于自然技能的人機交互手段。 這些手段使得參與者能夠對虛擬環(huán)境進行實時的操縱, 能從虛擬環(huán)境中得到反饋 信息,也能便系統(tǒng)了解參與者的關鍵部位的位置、 狀態(tài)、變形等各種系統(tǒng)需要知 道的數據。實時性是非縱, 能從虛擬環(huán)境中得到反饋信息, 也能便系統(tǒng)了解參與 者的關鍵部位的位置、 狀態(tài)、變形等各種系統(tǒng)需要知道的數據。 實時性是非常重 要的,如果在交互時存在較大的延遲, 與人的心理經驗不一致, 就談不上以自然 技能的交互,也很難獲得沉浸感。為達到這個目標,高速計算和處理就必不可少。1.3 、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的體系結構 虛擬現(xiàn)實技術的體系結構分為分布式虛擬現(xiàn)實和非分布式虛擬現(xiàn)實兩種體 系結構。非分 布 式虛

10、 擬現(xiàn)實 系統(tǒng)結構 - 真實 用戶環(huán)境 VUE(Veridical User Environment), 它是一個事件驅動、按照一組規(guī)則來處理并發(fā)事件的虛擬現(xiàn)實系 統(tǒng),它將單個的虛擬世界分解成多個 Client/Server 進程,這些進程可以在不同 的處理器上執(zhí)行,并通過消息傳遞相互通信。系統(tǒng)包含3個VR部件:設備服務器 (device servers) 、應用進程 (a lication proce es-也作為一種服務器進程來管理)和會話管理DM(DialogueManager)。設備管理器管理輸入輸出設備;會 話管理是設備服務器的客戶程序, 同時又是應用進程的服務器, 它定義了虛擬世

11、界的交互規(guī)則, 并協(xié)調和傳遞輸入設備服務器產生的事件到應用進程, 然后將響 應事件傳遞到輸出設備服務器, 會話管理通過異步消息傳遞來與其他服務器通信, 并按照規(guī)則傳遞事件。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個支持多人實時通過網絡進行交互的虛擬現(xiàn)實系 統(tǒng),每個用戶在一個VR環(huán)境(真實感3D立體圖形,立體聲)中通過聯(lián)網的計算機 與其他用戶進行交互。DVR的研究開發(fā)工作早在20世紀80年代處就開始了,近 年來網絡技術的飛速發(fā)展更進一步推進了DVR的研究和開發(fā)。第二章 3D Studio MAX 簡介3D MAX是Autodesk公司下的一款3維動畫軟件,已經有十多年的歷史了, 在3維動畫軟件中這是一款非常成功的

12、產品系列,也是具有跨時代的意義,在 3 維的高級建模中主要有4中,多變形建模、面片建模、網格建模、NURB建模,先畫一個 3維模型,選擇高級建模 4個中的一個,多邊形建模主要通過點 、邊 、 面多邊形,改變 3 維物體的形狀,網格建模,面片建模都基本類似,在次級層中 編輯改變的 3 維物體的形狀大小曲面等來實現(xiàn)特定的效果。3D MAX技術廣泛應用于廣告、影視、工業(yè)設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。擁有強大功能的3DMAX 被廣泛地應用于電視及娛樂業(yè)中, 比如片頭動畫和視頻游戲的制作, 深深扎根于玩家心中的勞 拉角色形象就是3DMAX的杰作。在影視特效方面也有一定的

13、應用。而在國內發(fā) 展的相對比較成熟的建筑效果圖和建筑動畫制作中,3DMAX的使用率更是占據了絕對的優(yōu)勢。根據不同行業(yè)的應用特點對3DMAX的掌握程度也有不同的要求, 建筑方面的應用相對來說要局限性大一些, 它只要求單幀的渲染效果和環(huán)境效果, 只涉及到比較簡單的動畫; 片頭動畫和視頻游戲應用中動畫占的比例很大, 特別 是視頻游戲對角色動畫的要求要高一些;影視特效方面的應用則把3DMAX的功能發(fā)揮到了極至。3D MAX因其隨時可以使用的基于模板的角色搭建系統(tǒng)、強大 的建模和紋理制作工具包以及通過集成的 mental ray 軟件提供的無限自由網 絡渲染而享譽世界。67第三章3D MAX在VR系統(tǒng)構

14、建過程中的應用3.1 3D MAX建模的具體實施3.1.1數據收集在這里我們主要是以古鎮(zhèn)虛擬環(huán)境建立為例。在數據收集過程中,應根據建設過程中對于建筑、環(huán)境等場景的要求不同,選擇不同分辨率和精確度的數據和 圖片。3.1.2獲取布局圖向有關部門提取的圖紙資料包括大比例尺航攝相片、地形圖文件、建筑單體及規(guī)劃的工程圖紙文件。原始資料獲得后,利用AutoCad進行校正,將單個建筑物 的輪廓線從攝取照片中提取,作為古鎮(zhèn)模型的底圖資料并且按照一定的比例把圖 片做成地形貼圖,方便后面模型的建立。整理單個集合體的各種建筑尺寸備用。 如下圖:亠- 3.1.3貼圖資料在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中為了增加模型的逼真效果, 通常把

15、取自實際環(huán)境的數碼照片做為紋理,另外部分圖片要進行處理,讓常用的圖像處理軟件比如Photoshop能夠處理RG或RGB格式的文件,設定紋理圖片的大小,要做為紋理的圖片長度 和寬度像素值均要設為2的整數次幕,如256*128,否則模型在實時漫游中紋理可 能發(fā)生扭曲變形。透明貼圖用圖像處理軟件處理透明貼圖后得到。也可從其它資源獲取現(xiàn)場拍攝不到的建筑或景觀的紋理貼圖內容包括建筑物、道路、水面、樹木、草地、小品設施等。如下古鎮(zhèn)貼圖材質的獲?。涸颊掌?.2 3D MAX構建模型主要工作3D MAX建模軟件的使用非常廣泛,具有可操作性強、功能強大、模型精細逼真、質感強等特點,缺點就是數據量大。利用3D

16、MAX勾建模型主要工作有:3.2.1劃分場景單元在古鎮(zhèn)模型構建中,通常需要對真實場景進行劃分,分成相對獨立的幾個 單元。根據本文所涉及的古鎮(zhèn)的實景場景,劃分出了劃分出了紀念館、書院、酒 樓、寺廟等主要建筑物和其他次要建筑物,另外樹木等小品也可以單獨做考慮。3.2.2 主要建筑物建模四個主要建筑物作為場景的核心景點,模型質量要求較高,要有一定的逼真度。因此往往需要使用 3DS MA軟件的Extrude、Mirror、Bevel、Loft、EditSpline 等等命令。 比如在大宗祠的建模中, 宗祠的橫梁、 柱基等等就較多的使用 了 Extrude、Edit Spline命令。另外,為了減少模型

17、的面片和數據量,在保證模 型一定精細度的情況下要盡量減少這些命令的Segment Sides或Steps值,同時,盡可能的使用紋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質量要求不高,可以使用簡單幾何體和紋理映射來完成。3.2.4 注意事項要想在3D MA)中建立模型,并將3D MA)模型轉換為仿真驅動的Ope nF light 模型并且能夠使用,在Ma中建模時我們必須注意以下幾點:(1) 避免不兼容的情況。在本方法中,需要先使用 3DSMA建立模型再導入到MultiGenCreator中進行處理,但是3D MA)做為一個功能強大的建模軟件,有些 指令在 MultiGenC

18、reator 是無法得到識別和支持的,比如復雜的紋理合成、 reference 參數等等。為了保證前面建立模型在后面得到較好讀取,應該避免使 用這些指令,或者在模型導入到 MultiGenCreator 后使用類似的指令。(2) 盡量使用簡單方式。建立的模型要盡量采用比較簡易的Box、Shape等來 表現(xiàn),不要使用NURB、D0lygon、patch建模方式建模。建議在3dma中多采用Shape 加其它命令的方式來建立模型。(3) 在保證模型質量的情況下盡量減少精細度。比如在使用 Shape中的Line 建立模型時要盡量將Interpolation 選項中的Steps值設置到最小的程度,一般設

19、 到13即可滿足要求,Steps值過高會極大的增加轉換后的模型面片數。3.3 3D MAX 模型的構造方法VR系統(tǒng)要求實時動態(tài)逼真地模擬環(huán)境,考慮到硬件的限制和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實時性的要求 ,VR 系統(tǒng)的建模與以造型為主的動畫建模方法有著顯著的不 同,VR的建模大都采用模型分割、紋理映射等技術。3DSMA建模軟件的使用非常 廣泛,具有可操作性強、功能強大、模型精細逼真、質感強等特點,目前VR中的虛擬場景的構造主要有以下途徑:基于模型的方法和IBR (基于圖像的繪制)方法兩種。這兩種方法都可以在 3DSMAX中加以實現(xiàn)和驗證,下面具體展開加以 說明。3.3.1 3D MAX的幾何建模方法( 1)多

20、邊形建模。 多邊形建模技術是最早采用的一種建模技術, 它的思想很 簡單,就是用小平面來模擬曲面, 從而制作出各種形狀的三維物體, 小平面可以 是三角形、 矩形或其他多邊形但實際中多是三角形或矩形。 使用多邊形建模可以 通過直接創(chuàng)建基本的幾何體, 再根據要求采用修改器調整物體形狀或通過使用放 樣、曲面片造型、組合物體來制作虛擬現(xiàn)實作品。 多邊形建模的主要優(yōu)點是簡單、 方便和快速但它難于生成光滑的曲面, 故而多邊形建模技術適合于構造具有規(guī)則 形狀的物體, 如大部分的人造物體, 同時可根據虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的要求, 僅僅通過 調整所建立模型的參數就可以獲得不同分辨率的模型, 以適應虛擬場景實時顯示 的需要

21、。(2) NURB建模。NURBS! Non-Uniform Rational B-Splines (非均勻有理 B樣條曲線)的縮寫,它純粹是計算機圖形學的一個數學概念。 NURB建模技術 是最近 4 年來三維動畫最主要的建模方法之一, 特別適合于創(chuàng)建光滑的、 復雜的 模型, 而且在應用的廣泛性和模型的細節(jié)逼真性方面具有其他技術無可比擬的優(yōu)勢。但由于NURB建模必須使用曲面片作為其基本的建模單元, 所以它也有以下 局限性:NURB曲面只有有限的幾種拓撲結構,導致它很難制作拓撲結構很復雜 的物體(例如帶空洞的物體);NURBS曲面片的基本結構是網格狀的,若模型比較 復雜,會導致控制點急劇增加而難

22、于控制 ;構造復雜模型時經常需要裁剪曲面 ,但 大量裁剪容易導致計算錯誤;NURBS技術很難構造“帶有分枝的”物體。(3)細分曲面技術。細分曲面技術是 1998年才引入的三維建模方法,它解 決了 NURB技術在建立曲面時面臨的困難,它使用任意多面體作為控制網格,然 后自動根據控制網格來生成平滑的曲面。細分曲面技術的網格可以是任意形狀, 因而可以很容易地構造出各種拓撲結構, 并始終保持整個曲面的光滑性。 細分曲 面技術的另一個重要特點是“細分” ,就是只在物體的局部增加細節(jié),而不必增 加整個物體的復雜程度, 同時還能維持增加了細節(jié)的物體的光滑性。 但由于細分 曲面技術是一種剛出現(xiàn)不久的技術,3D

23、 Studio MAXR3對它的支持還顯得稚嫩, 還不能完成一些十分復雜的模型創(chuàng)作。有了以上3D MAX幾種建模方法的認識,就可以在為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)制作相應 模型前 , 根據虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的要求選取合適的建模途徑 ,多快好省地完成虛擬現(xiàn) 實的作品的制作。在虛擬現(xiàn)實作品制作的時候應當遵循一個原則 : 在能夠保證視覺效果的前提 下,盡量采用比較簡單的模型, 而且若能夠用參數化方法構建的對象盡量用參數 化方法構建,同時,在模型創(chuàng)作過程中,對模型進行分割,分別建模,以利于在 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行操作和考察。對于復雜對象的運動或原理演示 , 我們可以預先將對象的運動和說明做成動 畫存為avi文件,然后等待VR

24、系統(tǒng)合適的觸發(fā)事件,播放該avi文件即可。3.3.2 基于圖像的繪制方法傳統(tǒng)圖形繪制技術均是面向景物幾何而設計的, 因而繪制過程涉及到復雜的 建模、消隱和光亮度計算。 盡管通過可見性預計算技術及場景幾何簡化技術可大 大減少需處理景物的面片數目, 但對高度復雜的場景, 現(xiàn)有的計算機硬件仍無法 實時繪制簡化后的場景幾何。 因而我們面臨的一個重要問題是如何在具有普通計 算能力的計算機上實現(xiàn)真實感圖形的實時繪制。IBR技術就是為實現(xiàn)這一目標而 設計的一種全新的圖形繪制方式。 該技術基于一些預先生成的圖像 (或環(huán)境映照 ) 來生成不同視點的場景畫面,與傳統(tǒng)繪制技術相比,它有著鮮明的特點:(1)圖形繪制獨

25、立于場景復雜性,僅與所要生成畫面的分辨率有關。(2)預先存儲的圖像 (或環(huán)境映照 )既可以是計算機合成的, 亦可以是實際拍 攝的畫面,而且兩者可以混合使用。(3)該繪制技術對計算資源的要求不高, 因而可以在普通工作站和個人計算 機上實現(xiàn)復雜場景的實時顯示。 由于每一幀場景畫面都只描述了給定視點沿某一 特定視線方向觀察場景的結果, 并不是從圖像中恢復幾何或光學景象模型, 為了 擺脫單幀畫面視域的局限性, 我們可在一給定視點處拍攝或通過計算得到其沿所 有方向的圖像, 并將它們拼接成一張全景圖像。 為使用戶能在場景中漫游, 我們 需要建立場景在不同位置處的全景圖, 繼而通過視圖插值或變形來獲得臨近視

26、點 的對應的視圖。 IBR 技術是新興的研究領域,它將改變人們對計算機圖形學的傳 統(tǒng)認識,從而使計算機圖形學獲得更加廣泛的應用。3.4 建模過程中的幾個關鍵問題和解決辦法3.4.1 3D MAX 在虛擬現(xiàn)實建模中的關鍵問題(1) 基本建模方面。雖然通過 3D MAX能實現(xiàn)模型精細,效果美好的模型,但整個工程的數據量是驚人的,另外 3D MAX存在于其他軟件結合的問題,有鑒 于此,為了解決兩者兼容問題,3D MAX建模中應盡量使用簡單命令。為了解決 數據量問題,模型在不影響整個虛擬城市質量的前提下應盡可能簡單。(2) 紋理貼圖方面。在模型中,紋理是影響數據量的重要因素。紋理的大小 直接關系到文件

27、的渲染速度和整個數據量大小。 因此,在處理貼圖時, 應將紋理 尺寸(在不影響模型外觀的前提下) 調整到盡可能小。 在特定情況下, 可在 3DMAX 中調整。3.4.2 建模過程中的幾個關鍵技術的解決辦法( 1)數據的讀取。 模型導出數據文件時需要考慮幾點 : 精度各類信息不丟失 ;便于導入模塊的處理。在這里 ,數據的讀取的做法是先在 3D MAX 中將模型用Export 工具導出為 3DS 文件格式, 然后進行數據讀取。這里存在的問題是書格 式轉換后模型出現(xiàn)多余面的處理 , 在這里我們采用面合并和頂點合并的方法合并 在同一個面上的小面和距離較小的頂點。(2)運用實時生成一定詳細程度的三維場景的

28、 LOD(Level of Detail) 技術, 即細節(jié)層次模型小型的場景容易實現(xiàn)流暢的實時漫游 , 但對于過于復雜的大型甚 至巨大型的場景 ,如果對所有模型在任何時候 ( 近景、遠景或被阻擋 ) 都進行同樣 的計算量,那顯然是會極大地影響實時漫游的流暢性,此時運用LOD技術可實現(xiàn) 在不同層次、不同視覺條件下 , 采用不同精細程度的模型來表示同一物體 , 以提高 場景的顯示速度 ,實現(xiàn)實時、交互。也就是說, 為每個物體都手工建立繁簡不同的 模型, 當物體離視點遠時就調用相對簡單的模型 ,而近距離觀察時調用相對復雜 的模型(這樣可以在逼真性和速度之間達到均衡 )因此需設定若干個(35)層 次(每個層次的適用范圍是動態(tài)分配且有交集的 ) 。( 3)對部分模型采用 DOF( Degree of Freedom) 技術, 即自由度。虛擬世 界既需要動態(tài)的也需要靜態(tài)的模型 , 例如人物和車輛應當具有運動的能力 , 這些 屬性的定義和構建必須借助 DOF來實現(xiàn)。自由度(DOF)是一種節(jié)點,可以把這 種節(jié)點插入數據庫以使這個節(jié)點以下的幾何體運動 , 然后定義本地坐標系 , 使它 所控制的幾何體圍繞坐標軸運動。DOF其實代表了一個獨立的定位緩沖系統(tǒng),通 過對它的對話框和窗口屬性的設置 , 能夠定義調整在旋轉、縮放、平移等運動過 程中在每一個坐標軸上的自由度。 從而在一定的

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