畢業(yè)設(shè)計(jì)虛擬校園三維模型設(shè)計(jì)制作

1、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)論文目錄2111111111111111111111111111111114J i=i 1111111111111111111111111111111141. 論文的選題背景與研究意義11111111111111111111151-1 選題的背景 1111111111111111111111111151.2 論文的研究意義 11111111111111111111111152. 當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要問題與發(fā)展方向11111111111111152.1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景建模的問題1111111111111111152.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景繪制的主要問題1111111111111

2、1162.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)今后的發(fā)展方向11111111111111111173. 虛擬校園系統(tǒng)的三維建模111111111111111111111173.1 場(chǎng)景的建模技術(shù) 11111111111111111111111173.1.1基丁圖形繪制的建模技術(shù)11111111111111111173.1.2基丁圖像的建模繪制技術(shù)11111111111111111183.1.3基丁圖形與圖像的混合建模技術(shù)11111111111111193.2層次細(xì)節(jié)模型生成和繪制1111111111111111111193.3 系統(tǒng)的建模方法111111111111111111111111104. 建模設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)表

3、現(xiàn)111111111111111111111111114.1 三維建模的原則111111111111111111111111114.2 實(shí)體建筑的構(gòu)建111111111111111111111111124.2.1構(gòu)建實(shí)體建筑的基本原理111111111111111111124.2.2 實(shí)體建筑的構(gòu)建 1111111111111111111111125. 建模中常見的問題 1111111111111111111111111165.1 過分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié) 1111111111111111111111111165.2實(shí)體拼接組合的位置關(guān)系不正確11111111111111111165.3 存在冗余多邊形

4、11111111111111111111111117結(jié)束語181111111111111111111111111111111參考文獻(xiàn)19、，20J 11111111111111111111111111111111摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)也 日益成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。通常傳統(tǒng)的校園三維立體圖內(nèi)容單一，缺乏實(shí)體感，實(shí)用價(jià) 值受到限制，而虛擬校園是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到“數(shù)字校園”的研究中，為校園的規(guī) 劃和設(shè)計(jì)提供了一種全新的手段。虛擬校園三維模型不僅能自然、真實(shí)、形象地表達(dá)現(xiàn) 實(shí)世界的對(duì)象，而且拓展了現(xiàn)實(shí)校園的時(shí)間和空間維度，從而擴(kuò)展其功能。本文在分析了

5、虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)的概念、基本特征及其在國(guó)內(nèi)外發(fā)展應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合校園的具體情況，構(gòu)建了基丁We也勺VCS虛擬校園系統(tǒng)采用圖形與圖像混合建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 VCS4擬校園系統(tǒng)的三維建模，并對(duì)虛擬世界中復(fù)雜 物體建模技術(shù)進(jìn)行了探索，總結(jié)出了樹木、花草等復(fù)雜對(duì)象建模的一般方法，分析并解 決了幾何體的紋理映射問題，極大地減少了場(chǎng)景制作的工作量。關(guān)鍵詞：虛擬校園，三維建模，12AbstractWith the development of computer technology,communications technology,and other relative t

6、echnology,the simulation technology based on virtual reality is a hot research issue at present.Thetraditional campus's illustration is always too simple and lacks the reality.As a result its practical value is often limited.Introducing virtual reality technology into the research of numerical c

7、ampus can provide a new method for campus design and planning.Virtual campus 3D model space not only offer the natural,real, visual and vivid representation of real world but also can develop time and space of campus,sequentially extend its function. This paper expatiates on concept and characters o

8、f the Virtual Reality system.It expounds the status of the development and application of VR also. The virtual campus system based on web is realized according to some concrete conditions of campus.It includes 3D modeling,roaming,multimedia playing and real time interactionThe technology of Graphic

9、and Image-Based Modeling and Rendering is adopted,and 3D model of virtual campus system were accomplished.The geometry modeling of complex object is explored in VR,and commonly means were summed up such as trees,flower and grass etc.This paper also analyzed texture mapping problems of big and small

10、geometry object,which can reduce workload of building scene.Keywords:Virtual campus system,3D model前言虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種高逼真的模擬環(huán)境，通過多種傳感器接口使使用者“沉浸”到這種環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)使用者與該虛擬環(huán)境直接進(jìn)行“交互”的技術(shù)。立體 式虛擬校園能給使用者創(chuàng)建一個(gè)使他感受到身臨其境的環(huán)境，建模技術(shù)是整個(gè)立體式虛擬校園建立的基礎(chǔ)，是建立立體式虛擬校園的關(guān)鍵技術(shù)，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的骨架。本文以濰坊學(xué)院虛擬校園的設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，以濰坊學(xué)院校園為虛擬空間，以建立 濰坊學(xué)院虛擬校園為目的

11、，探討了建立立體式虛擬校園的建模技術(shù)與數(shù)據(jù)表現(xiàn)方法。論 文從三維模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示著手，從本質(zhì)上探討了三維模型的表示方式，為所有建 模的原理提供了理論依據(jù)。論文分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的三維建模技術(shù)的方法、特點(diǎn)， 針對(duì)虛擬校園中的各種不同類型的物體的建模方法及其數(shù)據(jù)表現(xiàn)方法分別進(jìn)行了深入 地探討。針對(duì)校園中出現(xiàn)的地形，實(shí)體建筑，自然景觀，粒子系統(tǒng)等實(shí)體的建模方法做 了詳細(xì)的分析，這些建模方法具有一定的針對(duì)性，符合事物自身的特點(diǎn)，對(duì)不同類型的 事物具有很強(qiáng)的代表性，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)的一些重要概念和方法。1. 論文的選題背景與研究意義1.1選題的背景虛擬現(xiàn)實(shí)(簡(jiǎn)稱VR股術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)建立的人

12、工媒體空間，它是模擬的，但乂是具有真實(shí)感的，通過多媒體傳感交互設(shè)備使人進(jìn)入一種虛擬的環(huán)境，并提供一種模擬現(xiàn) 實(shí)的操作環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感觀世界，使人們對(duì)所 研究的對(duì)象和環(huán)境獲得身臨其境的感受，從而提高人類認(rèn)知的廣度和深度，拓寬人類認(rèn) 識(shí)客觀世界的“認(rèn)識(shí)空間”和“方法空間”，最終達(dá)到更本質(zhì)地反映客觀世界的實(shí)質(zhì) 1。 VR有三個(gè)最突出的特征：沉浸感(Imnlersoin)，讓參與者有身臨其境的真是感覺；交互性 (Interactino),通過使用虛擬交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)參與者與虛擬環(huán)境 (virtualEnvironment)對(duì)象的 自然交互與操作；構(gòu)想(Imaginatio

13、n),是指虛擬環(huán)境可以使人沉浸其中并且獲取新的知 識(shí)，提高感性和理性的認(rèn)識(shí)，啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維1 2。目前，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨成熟，“數(shù)字地球”與“數(shù)字城市”的逐步完善，網(wǎng)絡(luò)教育與數(shù)字校園的結(jié)合已 成為一種必然的趨勢(shì)，人們已經(jīng)不滿足丁對(duì)校園環(huán)境的瀏覽，基丁教學(xué)、教務(wù)、校園生 活為一體的三維可視化虛擬校園建設(shè)孕育而生?；∵@種情形，建立立體式虛擬校園是 非常必要的。1.2論文的研究意義“虛擬校園”包括信息的獲取、處理和應(yīng)用，采取不同方式的遙感與非遙感手段獲 得海量的校園數(shù)據(jù)，將校園信息按地理坐標(biāo)組織，對(duì)校園內(nèi)部及周邊環(huán)境進(jìn)行建模，在 計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)的校園原貌3。本文將濰坊學(xué)院校園的基礎(chǔ)設(shè)施

14、以逼真的三維景觀 形式表達(dá)，不僅可以提高學(xué)校教學(xué)、科研、后勤保障等管理工作的效率，還可用丁 Intenret 上發(fā)布，向國(guó)內(nèi)外展示學(xué)校校園風(fēng)光、歷史沿革、科研成果、院系和專業(yè)設(shè)置、教學(xué)設(shè) 施與成果、國(guó)內(nèi)外合作交流等廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。虛擬校園的建立，將會(huì)提高 我校的知名度，對(duì)我校的發(fā)展及形象宣傳具有重要的價(jià)值和積極作用。虛擬校園中的三 維建模是整個(gè)立體式虛擬校園建立的關(guān)鍵。三維建模技術(shù)是整個(gè)立體式虛擬校園建立的 基礎(chǔ)，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的骨架。2. 當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要問題和發(fā)展方向技術(shù)上，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要問題集中體現(xiàn)在場(chǎng)景建模、場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制幾方面， 分述如下:2.1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中

15、場(chǎng)景建模的問題在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中首先要做的第一步是生成虛擬場(chǎng)景，也就是我們通常所說的場(chǎng)景建模。當(dāng)前世界范圍內(nèi)圍繞虛擬場(chǎng)景建模問題的解決方式主要有以下兩種，其一是基丁 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的三維幾何模型建模 G(ocmeyrt一 BasdeMdoelni助，乂稱為基丁圖形的建 模(Grpahics一 BasdeMdoelin幻，另一種建模方式是近幾年發(fā)展起來的基丁圖像的建模 (mIgae 一 BasdeMdoeling)技術(shù)，它采用待建三維虛擬空間的多幅圖像樣本，在一定的 圖像處理算法和視覺計(jì)算算法的基礎(chǔ)上來構(gòu)造三維場(chǎng)景。這兩種建模方法各有優(yōu)缺點(diǎn)， 基丁計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的幾何模型建模的優(yōu)點(diǎn)是，用戶可以方便地與

16、虛擬場(chǎng)景中的虛擬對(duì)象 進(jìn)行交互，也可以方便地獲取虛擬對(duì)象的深度信息，由丁深度信息是三維圖形最基本的 特征，同時(shí)“以人為本”的交互性能深受大家的宵睞，基丁圖形的建模方式在眾多虛擬 現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是幾何模型三維場(chǎng)景的真實(shí)感是建立在對(duì)幾何物體表 面材質(zhì)的光照模型基礎(chǔ)上的，其陰影和紋理要在基丁某種光照模型的計(jì)算下，通過硬件 繪制，并配以圖形加速性能顯示出來，這在場(chǎng)景模型復(fù)雜的情況下，將會(huì)因計(jì)算量較大， 而產(chǎn)生延時(shí)，從而使場(chǎng)景的復(fù)雜度受到限制；基丁圖像的三維場(chǎng)景建模是在對(duì)場(chǎng)景己有 圖像集合處理的基礎(chǔ)上生成的，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小，對(duì)硬件的要求不如幾何建模那樣 高，缺點(diǎn)是場(chǎng)景中的虛擬物體是圖

17、像中的二維對(duì)象，因而用戶很難，甚至不能與這些虛 擬對(duì)象進(jìn)行交互操作，此外基丁圖像的三維場(chǎng)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在用戶的使用 過程中，僅能定點(diǎn)游覽或小范圍的變動(dòng)視點(diǎn)，而不能隨意漫游，極大地限制了該方法的 使用。一個(gè)較好的策略是結(jié)合這二種建模方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的性能更加 完善，目前的混合建模方法由此而生。通常虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的場(chǎng)景都較為龐大繁雜，而且 一般的圖形圖像API都不支持繪制復(fù)雜的對(duì)象，如果直接在應(yīng)用程序中生成，非常煩瑣 復(fù)雜、工作量巨大，同時(shí)計(jì)算機(jī)的軟硬件要求很高。目前通用的做法是預(yù)先生成系統(tǒng)的 相關(guān)模型，然后在應(yīng)用程序中進(jìn)行調(diào)用。國(guó)外有一些專用的建模工具(并配備專用的引擎工具)

18、如：MULTIGENCREAIER、WORLDTOOL等，而國(guó)內(nèi)這方面還沒有較為成熟的 應(yīng)用軟件，因此進(jìn)行這方面的工作很有現(xiàn)實(shí)意義。一種變通的做法是利用如3DsMAXAUQTCAD3DsTuDIO等通用軟件進(jìn)行建模，由丁這些通用軟件并沒有為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提 供專用的接口，使用這些通用軟件的一個(gè)主要問題是需要了解這些軟件的文件格式，開 發(fā)專用的接口，以便虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)者的要求調(diào)用建成的場(chǎng)景模型。2.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景繪制的主要問題虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景模型的復(fù)雜度和交互實(shí)時(shí)性之間的矛盾是虛擬場(chǎng)景繪制中存 在的主要問題，也是制約虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸技術(shù)。實(shí)時(shí)三維圖形繪制和加速技術(shù) 是目前

19、計(jì)算機(jī)圖形、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中重要的研究領(lǐng)域和極富挑戰(zhàn)性的課題。隨著虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)應(yīng)用的深入，計(jì)算機(jī)所繪制的場(chǎng)景日益復(fù)雜、逼真，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了計(jì)算機(jī)硬件繪制 能力。盡管計(jì)算機(jī)圖形軟、硬件技術(shù)水平飛速發(fā)展，許多圖元的繪制可通過硬件來實(shí)現(xiàn)加速，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的應(yīng)用需求。而且，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的許多應(yīng)用領(lǐng)域 （如：協(xié) 同式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬場(chǎng)景漫游、飛行仿真、 vR游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療和數(shù)字地球等）都 要求用戶能在交互式的幀頻率下同場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和理解。2.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)今后的發(fā)展方向目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)發(fā)生著日新月異的變化，從國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展情況來看，虛擬現(xiàn) 實(shí)的研究結(jié)合當(dāng)前的各種計(jì)算機(jī)技術(shù)和各行業(yè)的

20、發(fā)展而飛速前進(jìn)，與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合發(fā)展了網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。由單投影應(yīng)用發(fā)展到多投影應(yīng)用，與智能化技 術(shù)相結(jié)合發(fā)展了智能虛擬環(huán)境，根據(jù)建模方式的不同虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技 術(shù)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展。3. 虛擬校園系統(tǒng)的三維建模構(gòu)造一個(gè)三維虛擬校園系統(tǒng)的主要工作之一是運(yùn)用三維場(chǎng)景建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)中 生成逼真、等同現(xiàn)實(shí)世界的虛擬世界。由丁人的信息感知主要來源丁視覺，而虛擬世界 的逼真程度直接影響整個(gè)虛擬校園的沉浸感，因此，三維場(chǎng)景模型構(gòu)造在整個(gè)系統(tǒng)中占 有非常重要的地位。隨著對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中三維模型逼真度要求的不斷提高，選擇合適 的建模工具以及掌握必要的三維模型生成技術(shù)將有助丁虛擬環(huán)境

21、的建立。3.1場(chǎng)景的建模技術(shù)3.1.1基于圖形繪制的建模技術(shù)基丁圖形繪制的建模技術(shù)（Graphic-Based Modeling andRenderingGBMR簡(jiǎn)稱幾何建模法）是充分利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)行虛擬環(huán)境的建模和繪制。首先對(duì)真實(shí)世 界進(jìn)行抽象，用多邊形構(gòu)造虛擬景觀（包括地形、建筑、實(shí)體、樹木等）的三維幾何建模， 并建立虛擬環(huán)境中的光照和材質(zhì)模型，然后進(jìn)行紋理映射及控制參數(shù)設(shè)定，利用計(jì)算機(jī) 由模型實(shí)現(xiàn)多邊形處理、著色、消隱、光照以及投影等一系列繪制過程， 產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景， 在輸出設(shè)備上實(shí)時(shí)渲染繪制視景畫面，從而完成對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的漫游和交互5。幾何建模法實(shí)現(xiàn)的虛擬場(chǎng)景大多具有精確對(duì)應(yīng)的幾何

22、模型，得到的場(chǎng)景顯得比較細(xì)膩、逼真， 同時(shí)便丁用戶與虛擬場(chǎng)景中虛擬對(duì)象的交互，以及對(duì)虛擬對(duì)象的深度信息進(jìn)行直接獲 取。即使在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，只要有相關(guān)的建筑圖紙，按照對(duì)應(yīng)比例與尺寸，一樣能夠完 成場(chǎng)景的構(gòu)建與漫游，即能夠?qū)崿F(xiàn)虛物實(shí)化 6。幾何建模法應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)路線 比較成熟，國(guó)內(nèi)外都研發(fā)了許多建模工具及控制集成軟件，這些都使得幾何建模法目前 實(shí)際應(yīng)用比較廣泛。但在場(chǎng)景模型比較復(fù)雜的情況下，幾何建模技術(shù)也存在一些不足： 一是對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)建模太過煩瑣， 工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；二是當(dāng)場(chǎng)景模型復(fù)雜時(shí), 實(shí)時(shí)顯示的計(jì)算量較大，而使用戶與虛擬場(chǎng)景無法實(shí)時(shí)交互，用戶對(duì)場(chǎng)景中虛擬對(duì)象的 操作也無法得到

23、實(shí)時(shí)的反饋，場(chǎng)景難以達(dá)到完全逼真；三是場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染繪制對(duì)計(jì)算機(jī) 軟硬件要求較高。這將使場(chǎng)景的復(fù)雜性因硬件的處理能力而受到限制，從而使對(duì)復(fù)雜場(chǎng) 景的建模難以實(shí)現(xiàn)。3.1.2基于圖像的建模繪制技術(shù)基丁圖像的建模繪制技術(shù)(Image-Based Modeling Rendering舊MR)是指用預(yù)先獲得的一組圖像(合成的或真實(shí)的)來表示場(chǎng)景的形狀和外觀；而新圖像的合成則是通過 適當(dāng)?shù)亟M合原有圖像來實(shí)現(xiàn)7?；D像建模的方法可以克服復(fù)雜場(chǎng)景三維建模的困 難，并且可以使用真實(shí)世界的圖像提供更豐富的細(xì)節(jié)，較容易得到與真實(shí)環(huán)境相近的效 果，生成圖像的質(zhì)量獨(dú)立丁場(chǎng)景的復(fù)雜性。其計(jì)算量較小，也不受場(chǎng)景復(fù)雜度的限

24、制， 且對(duì)硬件的要求也不及基丁圖形的建模高，還可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。但由丁場(chǎng)景中的虛擬 物體是圖像中的二維對(duì)象，因而用戶很難甚至不能與這些二維對(duì)象進(jìn)行交互，出現(xiàn)漫游 失真，該方法適合丁基丁真實(shí)自然場(chǎng)景的三維虛擬環(huán)境的建立。另外，獲得實(shí)景圖像需 要高性能的照相與攝影器材，得到的大量圖像文件也需要大量的存儲(chǔ)空間，這些都使它 的應(yīng)用受到了一些限制8。從以上對(duì)兩種技術(shù)的介紹可以看出：與 GBM比較，IBMR的優(yōu)點(diǎn)在?。航Ｈ菀祝翰恍韬馁M(fèi)大量的人力和技巧，通常的 舊MR意義下的建模過程主要是一 個(gè)系統(tǒng)如何組織和聯(lián)系現(xiàn)有獲得數(shù)據(jù)的問題，而不是需要所有的幾何細(xì)節(jié)。用戶需要做 的事情主要是拍攝照片以及一些簡(jiǎn)單的交

25、互操作，即使需要一些額外的幾何信息，舊MR系統(tǒng)一般也是主要通過計(jì)算機(jī)視覺的知識(shí)進(jìn)行自動(dòng)的提取和匹配，而不需要人工的繁復(fù)勞動(dòng)0繪制快：不需要復(fù)雜的計(jì)算，直接從已有的視圖中合成新視圖，繪制時(shí)間不依賴丁 場(chǎng)景的復(fù)雜度，它所構(gòu)造的場(chǎng)景模型一旦建立，在繪制輸出時(shí)和場(chǎng)景的復(fù)雜度沒有關(guān)系, 只跟采樣與顯示分辨率有關(guān)。在場(chǎng)景復(fù)雜度增加時(shí)，它的顯示輸出時(shí)間是一個(gè)常數(shù)，不 會(huì)因?yàn)閳?chǎng)景復(fù)雜度增加而引起“屏閃”現(xiàn)象。由丁繪制速度快，可以在低檔微機(jī)上實(shí)時(shí) 生成場(chǎng)景，無需高檔的圖形專用硬件，這是 舊MR技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。真實(shí)感強(qiáng)：由丁所有景物的形狀、光照、材質(zhì)和紋理等效果都是來自真實(shí)拍攝的照 片，而不是通過模型計(jì)算生成

26、光照與紋理圖像，真實(shí)場(chǎng)景的顯示容易達(dá)到很高的逼真效 果，是傳統(tǒng)基丁幾何方法無法比擬的，這是 舊MR技術(shù)相對(duì)丁傳統(tǒng)幾何建模繪制技術(shù)最 明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。計(jì)算量?。夯缀蔚姆椒ㄐ枰?chǎng)景完整的、精確的表達(dá)，繪制 時(shí)也要對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)。 相反，舊MR技術(shù)只需要離散的相片采樣，繪制時(shí)也 只要對(duì)與當(dāng)前視點(diǎn)相鄰的圖像進(jìn)行處理，因此計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小丁傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)建模 910。3.1.3基于圖形與圖像的混合建模技術(shù)可以看出GBMR舊MF兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果采用基丁圖形與圖像混合建模 技術(shù)就能將兩者的優(yōu)點(diǎn)集丁一體，在應(yīng)用中揚(yáng)長(zhǎng)避短。既避免復(fù)雜場(chǎng)景幾何模型的大量 計(jì)算，乂滿足實(shí)時(shí)性要求11?；旌辖?/p>

27、模技術(shù)的基本思想是先利用 舊MR構(gòu)造虛擬場(chǎng)景 的環(huán)境來獲得逼真的視覺效果，同時(shí)對(duì)虛擬環(huán)境中用戶要與之交互的對(duì)象利用GBMFFS進(jìn)行實(shí)體構(gòu)建，這樣既增加了場(chǎng)景真實(shí)感，乂能保證實(shí)時(shí)性與交互性，提高用戶的沉浸 感，在實(shí)際應(yīng)用上，這種技術(shù)將很有意義12。盡管基丁圖形與圖像的混合建模技術(shù)集 基丁圖形渲染建模與基丁圖像建模的優(yōu)點(diǎn)丁一體，但是其實(shí)現(xiàn)也帶來很多技術(shù)上的困難 和人機(jī)交互的難度，如兩種場(chǎng)景的無縫連接和交互時(shí)的場(chǎng)景變換等問題尚待優(yōu)化，因此，這種圖形與圖像的混合使用與真正意義上的混合建模技術(shù)還有很大的距離。為了避免復(fù)雜場(chǎng)景幾何模型的大量計(jì)算，構(gòu)造真實(shí)感強(qiáng)、逼真度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的校園場(chǎng)景，VCS虛擬校園系

28、統(tǒng)采用基丁圖形與圖像的混合建模技術(shù)作為三維場(chǎng)景模型建立的最主要建模 技術(shù)13。3.2層次細(xì)節(jié)模型生成和繪制同一個(gè)物體，把它放到遠(yuǎn)近不同的位置，人的眼鏡所能看到的該物體細(xì)節(jié)的詳細(xì)程 度是不一樣的，在視點(diǎn)離物體比較遠(yuǎn)的情況下，再詳細(xì)的模型，也只能看到大概的輪廓, 因此如果此時(shí)仍然選用細(xì)節(jié)非常詳細(xì)的物體模型參與該模型遠(yuǎn)景的生成，則是一種浪 費(fèi)，應(yīng)該用一個(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單但乂能表現(xiàn)其主要輪廓的模型取而代之。有效的辦法是， 根據(jù)這一視覺規(guī)律，預(yù)先為同一個(gè)物體建造一組詳細(xì)程度有差別的幾何模型，計(jì)算機(jī)在 生成視景時(shí)，根據(jù)該物體所在位置離視點(diǎn)距離的大小，調(diào)入相應(yīng)詳細(xì)程度的模型參與視 景的生成，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，增強(qiáng)

29、視景的“實(shí)時(shí)”效果，其實(shí)現(xiàn)方法就是為物體建造一 組詳細(xì)程度不同的模型。目前的層次細(xì)節(jié)技術(shù)的研究主要集中丁如何建立原始網(wǎng)格模型的不同層次細(xì)節(jié)模 型以及如何建立相鄰層次的多邊形網(wǎng)格模型之間的幾何形狀過渡。對(duì)丁原始網(wǎng)格模型的不同層次細(xì)節(jié)的模型建立，我們假設(shè)場(chǎng)景的模型都是三角形網(wǎng)格（在實(shí)際應(yīng)用中，為了繪制方便，三維場(chǎng)景最后一般都被轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格 ），從網(wǎng)格的幾何及拓?fù)涮匦猿霭l(fā)，存在著三種不同基本簡(jiǎn)化操作，分別是：(1) 頂點(diǎn)刪除操作。刪除網(wǎng)格中的一個(gè)頂點(diǎn)，然后對(duì)它的相鄰三角形形成的空洞作 三角剖分，以保持網(wǎng)格的拓?fù)湟恢滦浴?2) 邊壓縮操作。把網(wǎng)格上的一條邊壓縮為一個(gè)頂點(diǎn)，與該邊相鄰的兩個(gè)三角形退

30、化(面積為零)，而它的兩個(gè)頂點(diǎn)融合為一個(gè)新的頂點(diǎn)。(3) 面收縮操作。把網(wǎng)格上的一個(gè)面片收縮為一個(gè)頂點(diǎn)，該三角形本身和與其相鄰 的三個(gè)三角形都退化，而它的三個(gè)頂點(diǎn)收縮為一個(gè)新的頂點(diǎn)。3.3系統(tǒng)的建模方法虛擬場(chǎng)景模型是整個(gè)實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響運(yùn)行的效果和場(chǎng)景 的逼真度，過多的模型細(xì)節(jié)會(huì)嚴(yán)重降低基丁 We以景圖形的繪制效率，因此在建模過程 中往往要在模型的細(xì)節(jié)度和復(fù)雜性之間尋求平衡，必要時(shí)用紋理代替模型細(xì)節(jié)。完全用 VRM帝言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的并毫無直觀性可言，而3DSMAX雖大的三維建模功能剛好可以彌補(bǔ)VRMia方面的不足3DSMAX是一種功能強(qiáng)大的可視化建模工具，

31、 只要綜合利用3DSMAX提供的各種建模方法和工具，就可以得到合乎用戶需要的模型， 一般對(duì)丁復(fù)雜的造型采用它，3DS MA)紋持VRM夜件格式的輸出，通過 VRMLS件輔助 工具，可以直接輸出場(chǎng)景，包括幾何造型、材質(zhì)、動(dòng)畫等，大大簡(jiǎn)化了VRML®程復(fù)雜度14。在VCS虛擬校園系統(tǒng)場(chǎng)景的構(gòu)建中，充分利用了 3DS MAX8.0合用戶提供的多種建 模方法，分別如下所示：(1) 直接創(chuàng)建幾何體對(duì)象。3DS MAXJ置了許多基本的幾何體模塊，比如球體、立方 體、圓柱體、三角錐等，用戶只要拖動(dòng)鼠標(biāo)定義對(duì)象的尺寸，或者在命令面板中直接用鍵盤輸入各種位置、大小信息，3DSMA雙會(huì)生成一些基本幾何體

32、，在對(duì)這些基本幾 何體進(jìn)行一系列的編輯，既可以得到所要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象。(2) 使用樣條曲線圖形。樣條曲線是一種根據(jù)數(shù)學(xué)原理彎曲的特殊類型曲線，它們 通常是在三維空間中繪制的二維曲線，3DSMA)通過給二維圖形添加厚度(Extrude)、旋 轉(zhuǎn)(Lathe)樣條曲線來創(chuàng)建三維對(duì)象。(3) 使用網(wǎng)格(Mesh)對(duì)象。網(wǎng)格對(duì)象是大多數(shù)3D文件類型使用的默認(rèn)模型類型，包括流行的3D格式3DSDXF都是以網(wǎng)格的形式存儲(chǔ)的。3DSMAW以把一些簡(jiǎn)單的幾何體 轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格對(duì)象，然后通過編輯修改器(Modifier)對(duì)網(wǎng)格對(duì)象的次對(duì)象，如頂點(diǎn)(Vertex)，邊(Edge)、面(Face)、多邊形(Polygon)

33、和體元素(Element)進(jìn)行編輯，從而 得到想要得到的復(fù)雜模型15。 使用面片(Patch)對(duì)象。面片的使用方法類似丁網(wǎng)格，它們的區(qū)別僅在丁生成圖 形的數(shù)學(xué)原理基丁 Web VCSffi擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建不同，網(wǎng)格對(duì)象用平面方程來包圍幾 何體的表面，面片則是用 Bezier曲線來逼近物體表面，它是多邊形網(wǎng)格對(duì)象的補(bǔ)充。(5) 使用復(fù)合(Compound)對(duì)象。它主要是通過對(duì)已得到的 簡(jiǎn)單模型進(jìn)行變形 (Morph)，離散(Scatter)、包裹(Conform)、連接(Connect)、形體合并(ShapeMerge)、 布爾運(yùn)算(Boolean)、放樣(Loft)等過程生成用戶需要的復(fù)雜模型

34、16。(6) 用 NURB對(duì)象。NURB健 Non-Uniform Rational B Splines(非均勻有理 B 樣條曲線)的首字母縮略詞，從這個(gè)名字就可以知道它是基丁NURBSS線原理來構(gòu)造三維物體的。(7)放樣(Loft)對(duì)象。放樣是來自造船業(yè)的一個(gè)術(shù)語，它借用了造船業(yè)的思想，先創(chuàng)建并定位橫截面，然后定義一個(gè)放樣路徑，讓橫截面沿路徑拉伸，從而得到三維對(duì)象17在3DS MAX中對(duì)三維模型建模成功后，保存為 VRMLC件格式，但是這種文件數(shù)據(jù) 量大，為適合網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，就必須對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，即在保證模型不失真的情況下優(yōu) 化模型，盡可能減少文件的數(shù)據(jù)量。然后輸出的文件在Vrmlpad2.

35、0編輯環(huán)境下由VRML本身的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一些場(chǎng)景或物體的組合以及交互性和動(dòng)態(tài)行為等。4. 建模設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)表現(xiàn)4.1三維建模的原則建造模型時(shí)，要明確建模的目的和要求。目的和要求不同，模型建造的復(fù)雜度也必 然不同。一般來說，模型的建造要遵循兩條最基本原則 ：第一，數(shù)據(jù)的可靠性。建模時(shí), 收集的數(shù)據(jù)和有關(guān)信息必須準(zhǔn)確可靠，否則必然造成很大偏差。因此不但要收集到最新 的、準(zhǔn)確的資料信息，而且要到實(shí)地進(jìn)行考察。第二，模型必須與原型具有某種程度的 相似性。這就是相似性原理，它是建模的基礎(chǔ)。在虛擬校園建模中，這就要求對(duì)沒有準(zhǔn) 確數(shù)據(jù)的物體不能杜撰數(shù)據(jù)，而是要通過一些方法估計(jì)出大體符合實(shí)際的數(shù)據(jù)信息。模 型建好后

36、，還應(yīng)該反復(fù)驗(yàn)證，直到滿意為止 。4.2實(shí)體建筑的構(gòu)建4.2.1構(gòu)建實(shí)體建筑的基本原理實(shí)體建筑是虛擬場(chǎng)景中的主體部分， 實(shí)體建筑的建模主要運(yùn)用的是體素構(gòu)造表示的 原理，使用建模工具從形狀和外觀上對(duì)實(shí)體進(jìn)行模擬，按照建筑物的外部形狀，逐步分 解為容易構(gòu)造的簡(jiǎn)單模型，然后進(jìn)行正則集合運(yùn)算形成復(fù)雜的建筑模型，同時(shí)采用紋理 映射等輔助技術(shù)手段，增加模型的真實(shí)感。4.2.2.實(shí)體建筑的構(gòu)建(1) 獲得建模數(shù)據(jù)。濰坊學(xué)院虛擬校園的建筑外觀與幾何形狀等要求的數(shù)據(jù)主要來 自學(xué)校的建筑圖紙，包括平面圖、剖面圖、立面圖及建筑效果圖等。(2) 確定模型的層次結(jié)構(gòu)。由丁系統(tǒng)使用的建模工具Cerator采用樹狀層次結(jié)構(gòu)

37、來組織管理模型，所以建模時(shí)首先要按照建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次分解。(3) 進(jìn)行可視建模過程4，。按照所確定的模型層次結(jié)構(gòu)和建筑圖紙，在 Cerator 中利用建模工具箱逐層進(jìn)行可視建模。注意模型的尺寸形狀要與建筑圖紙標(biāo)注的相同。 建模的原則是快和省?？焓侵钢粚?duì)外部可視的部分進(jìn)行建模，用多邊形快速構(gòu)建模型的外部框架；省是指要盡量減少所使用的多邊形的個(gè)數(shù)，使用最少的多邊形獲取相同的真 實(shí)感。在不影響外觀效果的前提下，盡量合并能夠合并的面。(4) 去除冗余多邊形。描述實(shí)體模型表面的數(shù)據(jù)經(jīng)常存在冗余現(xiàn)象，這里的冗余多 邊形主要是指在實(shí)體外部觀察模型時(shí)不可視的部分。例如，樓體的底座面、內(nèi)墻面及樓 層之間的連

38、接面等。由丁場(chǎng)景瀏覽時(shí)它們處丁不可見的位置，因此去除它們并不影響實(shí) 體的視覺效果，而消除這些冗余多邊形則可以在很大程度上降低整個(gè)場(chǎng)景的復(fù)雜度。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)論文(5) 使用紋理映射。對(duì)丁門、窗、陽臺(tái)欄桿等每棟建筑都具有且數(shù)量較大的細(xì)節(jié)部分， 我們一般采用紋理映射的方法，在對(duì)應(yīng)位置的多邊形表面上貼上紋理圖片，用來替代詳 細(xì)的模型。這樣處理可以減少模型的多邊形數(shù)目和復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染時(shí)間 和響應(yīng)速度。只要視點(diǎn)不過丁靠近建筑物，紋理映射并不會(huì)降低建筑物模型的逼真程度。以下就是模型制作過程中的建造的幾個(gè)實(shí)體建筑模型:4.16號(hào)教學(xué)樓4.2 4號(hào)教學(xué)樓圖4.3 7號(hào)教學(xué)樓濰坊學(xué)院本科畢業(yè)論文

39、圖4.5公寓樓群一角圖4.6 圖書館5. 建模中常見的問題5.1過分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)一般來說，模型的細(xì)節(jié)程度是影響其逼真性的重要因素之一。細(xì)節(jié)程度越高，模型 越逼真。但是.建立模型的目的是為了給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)虛擬環(huán)境，并在其中實(shí) 現(xiàn)漫游等任務(wù)。因此在建模時(shí)還需要考慮到整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。如果在建模時(shí)過分強(qiáng) 調(diào)細(xì)節(jié)，對(duì)丁所有結(jié)構(gòu)和表面特征都采用多邊形來實(shí)現(xiàn)，而忽略了數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)的優(yōu) 化設(shè)計(jì)，不僅會(huì)使工作量驟然增大，而且可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度下降， 性能降低。 因此，在建模過程中一定要有整體觀念，意識(shí)到模型細(xì)節(jié)和系統(tǒng)性能之間的相互制約性， 不可盲目追求真實(shí)而無限細(xì)化模型。5.2實(shí)體拼接組合的位

40、置關(guān)系不正確許多物體不是用一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀就可以描述，它們常常是由多個(gè)實(shí)體拼接而成 的。但這并不是簡(jiǎn)單的搭積木，如果拼接組合的位置關(guān)系不正確，會(huì)引起模型局部閃爍， 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因有兩個(gè)：(1) 多邊形位置重疊造成的 Z值爭(zhēng)奪。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上多邊形的某些點(diǎn)在空間 位置上具有相同的深度值(Z值)，那么在使用Z buffer消隱算法進(jìn)行圖形顯示時(shí)，無 法正確判斷哪一個(gè)多邊形的點(diǎn)應(yīng)該優(yōu)先顯示。丁是出現(xiàn)有的幀顯示這個(gè)多邊形上的點(diǎn)，有的幀顯示那個(gè)多邊形上的點(diǎn)，從而引起畫面的閃爍。進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩噙呅渭羟谢蜃用嬖O(shè) 置就可以避免這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。(2) 用凹多邊形表示實(shí)體表面。大多數(shù)圖形系統(tǒng)都明確規(guī)定，

41、不能使用凹多邊形繪 制實(shí)體表面。一般地，圖形系統(tǒng)對(duì)實(shí)體表面的凹多邊形進(jìn)行自動(dòng)切分或補(bǔ)償，將一個(gè)凹 多邊形分解或拼湊成為多個(gè)凸多邊形。但這種自動(dòng)轉(zhuǎn)變很可能與最初的建模設(shè)想不吻 合，丁是最好的解決方法就是在建模時(shí)就將凹多邊形切分成若干凸多邊形的組合。5.3存在冗余多邊形描述實(shí)體模型表面的數(shù)據(jù)經(jīng)常存在冗余現(xiàn)象，單獨(dú)建模的實(shí)體在進(jìn)行模型整合時(shí)也 會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)冗余。消除這些冗余的表面多邊形可以在很大程度上降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜 度。除了上述三種問題之外，建模過程中不合理的技術(shù)運(yùn)用還時(shí)常產(chǎn)生紋理閃爍、光照 和透明效果失真等一系列問題。解決這些問題的方法各不相同，如光照失真問題，一般 由丁使用了過大的多邊形引起的，可采取多邊形分割的方法予以解決20結(jié)束語虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是近幾年來國(guó)內(nèi)外科技界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，其發(fā)展也是日新月異。將 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到虛擬校園