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)論文目錄摘要 2前言 41.論文的選題背景與研究意義 51.1選題的背景 51.2論文的研究意義 52.當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要問(wèn)題與發(fā)展方向 52.1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景建模的問(wèn)題 52.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景繪制的主要問(wèn)題 62.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)今后的發(fā)展方向 73.虛擬校園系統(tǒng)的三維建模 73.1場(chǎng)景的建模技術(shù) 7 3.1.1基于圖形繪制的建模技術(shù) 7 3.1.2基于圖像的建模繪制技術(shù) 83.1.3基于圖形與圖像的混合建模技術(shù) 9 3.2層次細(xì)節(jié)模型生成和繪制 9 3.3系統(tǒng)的建模方法 104.建模設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)表現(xiàn) 11 4.1三維建模的原則 11 4.2實(shí)體建筑的構(gòu)建 12 4.

2、2.1構(gòu)建實(shí)體建筑的基本原理12 4.2.2實(shí)體建筑的構(gòu)建125.建模中常見(jiàn)的問(wèn)題 16 5.1過(guò)分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié) 16 5.2實(shí)體拼接組合的位置關(guān)系不正確 16 5.3存在冗余多邊形 17結(jié)束語(yǔ) 18參考文獻(xiàn) 19致謝 20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

3、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)建了基于Web的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VCS虛擬校園系統(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(shù)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(wèn)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，AbstractWith the development of computer technology,communications technology,and other relative techno

4、logy,the simulation technology based on virtual reality is a hot research issue at present.The traditional 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 campu

5、s 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 of th

6、e 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 and

7、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 geom

8、etry 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(guò)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，探討了建立

9、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(lèi)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(lèi)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(chēng)VR)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)建立的人工媒體空間，它是模擬的，

10、但又是具有真實(shí)感的，通過(guò)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)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(lèi)認(rèn)知的廣度和深度，拓寬人類(lèi)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(jué);交互性(Interactino)，通過(guò)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(Imagination)，是指虛擬環(huán)境可以使人沉浸其中并且獲

11、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12。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)不滿足于對(duì)校園環(huán)境的瀏覽，基于教學(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?；谶@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、

12、后勤保障等管理工作的效率，還可用于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(zhuān)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(wèn)題和發(fā)展方向技術(shù)上，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要問(wèn)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)中場(chǎng)景建模的問(wèn)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

13、通常所說(shuō)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(wèn)題的解決方式主要有以下兩種，其一是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的三維幾何模型建模G(ocmeyrt一BasdeMdoelni助，又稱(chēng)為基于圖形的建模(Grpahics一BasdeMdoelin幻，另一種建模方式是近幾年發(fā)展起來(lái)的基于圖像的建模(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(jué)計(jì)算算法的基礎(chǔ)上來(lái)構(gòu)造三維場(chǎng)景。這兩種建模方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，基于計(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，由于深度信息是三維圖形最基

14、本的特征，同時(shí)“以人為本”的交互性能深受大家的青睞，基于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于某種光照模型的計(jì)算下，通過(guò)硬件繪制，并配以圖形加速性能顯示出來(lái)，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;基于圖像的三維場(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，此外基于圖像的三維場(chǎng)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，

15、在用戶的使用過(guò)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(zhuān)用的建模工具(并配備專(zhuān)用的引擎工具)如:MULTIGENCREAIER、WORLDTOOL等，而國(guó)內(nèi)這方面還沒(méi)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)

16、實(shí)意義。一種變通的做法是利用如3DsMAX、AUQTCAD、3DsTuDIO等通用軟件進(jìn)行建模，由于這些通用軟件并沒(méi)有為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供專(zhuān)用的接口，使用這些通用軟件的一個(gè)主要問(wèn)題是需要了解這些軟件的文件格式，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的接口，以便虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)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(wèn)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(wèn)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

17、過(guò)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(guò)硬件來(lái)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(lái)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)

18、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。由于人的信息感知主要來(lái)源于視覺(jué)，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)將有助于虛擬環(huán)境的建立。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)基于圖形繪制的建模技術(shù)(Graphic-Based Modeling andRenderingG

19、BMR，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shù)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(guò)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(huà)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)的幾何模型，得到的場(chǎng)景顯得比較細(xì)膩、逼真，同時(shí)便于用戶與虛擬場(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)

20、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(guò)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(wú)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(wú)法得到實(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

21、技術(shù)基于圖像的建模繪制技術(shù)(Image-Based Modeling RenderingIBMR)是指用預(yù)先獲得的一組圖像(合成的或真實(shí)的)來(lái)表示場(chǎng)景的形狀和外觀；而新圖像的合成則是通過(guò)適當(dāng)?shù)亟M合原有圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)7?；趫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)立于場(chǎng)景的復(fù)雜性。其計(jì)算量較小，也不受場(chǎng)景復(fù)雜度的限制，且對(duì)硬件的要求也不及基于圖形的建模高，還可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。但由于場(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，該方法適合于基于真實(shí)自然場(chǎng)景的

22、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GBMR相比較，IBMR的優(yōu)點(diǎn)在于：建模容易：不需耗費(fèi)大量的人力和技巧，通常的IBMR意義下的建模過(guò)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(wèn)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)單的交互操作，即使需要一些額外的幾何信息，IBMR系統(tǒng)一般也是主要通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)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)。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(lài)于場(chǎng)景的

23、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(méi)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。由于繪制速度快，可以在低檔微機(jī)上實(shí)時(shí)生成場(chǎng)景，無(wú)需高檔的圖形專(zhuān)用硬件，這是IBMR技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。真實(shí)感強(qiáng)：由于所有景物的形狀、光照、材質(zhì)和紋理等效果都是來(lái)自真實(shí)拍攝的照片，而不是通過(guò)模型計(jì)算生成光照與紋理圖像，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)基于幾何方法無(wú)法比擬的，這是IBMR技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)幾何建模繪制技術(shù)最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。計(jì)算量小：基于幾何的方法需要建立場(chǎng)景完整的、精確的表達(dá)，繪制時(shí)也要對(duì)

24、整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)。相反，IBMR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)小于傳統(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和IBMR這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果采用基于圖形與圖像混合建模技術(shù)就能將兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體，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，又滿足實(shí)時(shí)性要求11?；旌辖＜夹g(shù)的基本思想是先利用IBMR構(gòu)造虛擬場(chǎng)景的環(huán)境來(lái)獲得逼真的視覺(jué)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GBMR來(lái)進(jìn)行實(shí)體構(gòu)建，這樣既增加了場(chǎng)景真實(shí)感，又能保證實(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

25、技術(shù)將很有意義12。盡管基于圖形與圖像的混合建模技術(shù)集基于圖形渲染建模與基于圖像建模的優(yōu)點(diǎn)于一體，但是其實(shí)現(xiàn)也帶來(lái)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(wú)縫連接和交互時(shí)的場(chǎng)景變換等問(wèn)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虛擬校園系統(tǒng)采用基于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

26、，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)單但又能表現(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(jué)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)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)的研究主要集中于如何建立原始網(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(guò)渡。對(duì)于原始網(wǎng)格模型的不同層次細(xì)節(jié)的模型建立，我們假

27、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

28、的效果和場(chǎng)景的逼真度，過(guò)多的模型細(xì)節(jié)會(huì)嚴(yán)重降低基于Web場(chǎng)景圖形的繪制效率，因此在建模過(guò)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VRML語(yǔ)言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的并毫無(wú)直觀性可言，而3DS MAX強(qiáng)大的三維建模功能剛好可以彌補(bǔ)VRML這方面的不足3DS MAX是一種功能強(qiáng)大的可視化建模工具，只要綜合利用3DSMAX中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)于復(fù)雜的造型采用它，3DS MAX支持VRML文件格式的輸出，通過(guò)VRML插件輔助工具，可以直接輸出場(chǎng)景，包括幾何造型、材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)等，大大簡(jiǎn)化了VRML編程復(fù)雜度14。在VC

29、S虛擬校園系統(tǒng)場(chǎng)景的構(gòu)建中，充分利用了3DS MAX8.0給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 MAX內(nèi)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(pán)輸入各種位置、大小信息，3DSMAX就會(huì)生成一些基本幾何體，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(lèi)型曲線，它們通常是在三維空間中繪制的二維曲線，3DS MAX通過(guò)給二維圖形添加厚度(Extrude)、旋轉(zhuǎn)(Lathe)樣條曲線來(lái)創(chuàng)建三維對(duì)象。(3)使用網(wǎng)

30、格(Mesh)對(duì)象。網(wǎng)格對(duì)象是大多數(shù)3D文件類(lèi)型使用的默認(rèn)模型類(lèi)型，包括流行的3D格式3DS DXF都是以網(wǎng)格的形式存儲(chǔ)的。3DS MAX可以把一些簡(jiǎn)單的幾何體轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格對(duì)象，然后通過(guò)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)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。(4)使用面片(Patch)對(duì)象。面片的使用方法類(lèi)似于網(wǎng)格，它們的區(qū)別僅在于生成圖形的數(shù)學(xué)原理基于Web的VCS虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建不同，網(wǎng)格對(duì)象用平面方程來(lái)包圍幾何體的表面，面片則是用Bezier曲線來(lái)逼近物體表面，它

31、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(guò)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(guò)程生成用戶需要的復(fù)雜模型16。(6)用NURBS對(duì)象。NURBS是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于NURBS曲線原理來(lái)構(gòu)造三維物體的。(7)放樣(Loft)對(duì)象。放樣是來(lái)自造船業(yè)的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，它借用了造船業(yè)的思想，先創(chuàng)建并定位橫截面，

32、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VRML文件格式，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Vrmlpad2.0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(lái)說(shuō)，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

33、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(méi)有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的物體不能杜撰數(shù)據(jù)，而是要通過(guò)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，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

34、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(lái)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)。由于系統(tǒng)使用的建模工具Cerator采用樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)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。快是指只對(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

35、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接面等。由于場(chǎng)景瀏覽時(shí)它們處于不可見(jiàn)的位置，因此去除它們并不影響實(shí)體的視覺(jué)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。(5)使用紋理映射。對(duì)于門(mén)、窗、陽(yáng)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(lái)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)

36、渲染時(shí)間和響應(yīng)速度。只要視點(diǎn)不過(guò)于靠近建筑物，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(guò)程中的建造的幾個(gè)實(shí)體建筑模型：圖4.1 6號(hào)教學(xué)樓圖4.2 4號(hào)教學(xué)樓圖4.3 7號(hào)教學(xué)樓圖4.4 音體樓圖4.5 公寓樓群一角圖4.6 圖書(shū)館5.建模中常見(jiàn)的問(wèn)題5.1過(guò)分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)一般來(lái)說(shuō)，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(guò)分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，對(duì)于所有結(jié)構(gòu)和表面特征都采用多邊形來(lái)實(shí)現(xiàn)，而忽略了數(shù)據(jù)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅會(huì)

37、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(guò)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(wú)限細(xì)化模型。5.2實(shí)體拼接組合的位置關(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一buffer消隱算法進(jìn)行圖形顯示時(shí)，無(wú)法正確判斷哪一個(gè)多邊形的點(diǎn)應(yīng)該優(yōu)先顯示。于是出現(xiàn)有的幀顯

38、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(huà)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，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，于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(wèn)題之外，建模過(guò)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(wèn)題。解決這些問(wèn)題的方法各不相同，如光照失真問(wèn)題，一般由于使用了過(guò)大的多邊形引起的，可采取多邊形分割的方法予以解決結(jié)束語(yǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是近幾年來(lái)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)引入到虛擬校園的研究中，為校園的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了一