基于3smax的虛擬校園建模與仿真

基于3smax的虛擬校園建模與仿真

虛擬技術(shù)是計算機科學(xué)研究的熱點。在研究“數(shù)字校園”時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被引入，為校園規(guī)劃和設(shè)計提供了新的方法。北京石油化工學(xué)院是北京市屬普通高等學(xué)校,通過三維虛擬校園系統(tǒng)可以比較直觀地了解校園的各個區(qū)域,使瀏覽者對校園環(huán)境產(chǎn)生身臨其境的感覺,為校園規(guī)劃、考生網(wǎng)上了解學(xué)校和對外交流提供一個平臺。筆者介紹一種基于3DSMax和WebMax技術(shù)的虛擬環(huán)境開發(fā)方法。用3DSMax構(gòu)建三維模型,制作三維動畫,用WebMax進行交互控制,并結(jié)合實際開發(fā)經(jīng)驗,對虛擬環(huán)境下3D建模、交互式漫游等技術(shù)進行探討。1數(shù)據(jù)采集和處理1.1景觀紋理圖的建立通過照片、手繪、建筑施工圖進行素材采集。從學(xué)校相關(guān)部門如檔案館、基建處等獲取校園的圖紙資料,如學(xué)校平面圖、地形圖、大比例尺航攝相片或衛(wèi)星遙感圖、建筑單體及校園規(guī)劃的工程圖紙文件等,如圖1、圖2所示。景觀紋理圖則可通過照片或數(shù)碼相機攝取得到,景物的紋理圖內(nèi)容包括建筑物、道路、水面、樹木、草地、水體等。需要注意選擇不同分辨率和精確度的數(shù)據(jù)和圖片;對于相機拍攝不到的地方,可以通過手繪畫出實物的形象。1.2拉正后的圖像處理由于受建筑物高度、拍攝距離及相機自身成像特點的影響,拍攝的像片往往會比例失調(diào)或枕形畸變,需要使用圖形處理軟件Photoshop對每張圖片進行處理,如用自由變換把比例失調(diào)的圖片拉正,裁剪周圍其他的場景,去除圖片中的雜景等。圖3為采集的原始照片,圖4為處理后的圖片,即所需要的紋理圖。處理圖片時需要注意以下幾點:道路、瓦片、樹木等一般采用公共貼圖,可重復(fù)利用,無需單獨采樣。處理后的紋理像素大小應(yīng)處理成2的N次冪,以利于紋理的正確顯示,在游戲或者虛擬現(xiàn)實的引擎中,貼圖以2的N次方顯示能更有效地利用資源。一些貼圖需要處理成透明紋理,如樹木、窗戶等。為了滿足各個鏡頭的需要和節(jié)省資源,同一張貼圖要處理成大小不同的幾個版本,在有特寫鏡頭時,貼上高分辨率的貼圖,遠景時則貼上低分辨的貼圖。23d模型的構(gòu)建和優(yōu)化2.1建筑物的拉伸成形建筑物模型使用多邊形建模方法,多邊形建模在UV展開方面有著得天獨厚的優(yōu)勢,可以非常方便地將建筑物的UV展開。大部分建筑物的圖紙都是掃描版,不能在AutoCAD中編輯,因此只能直接在3DSMax里照著圖紙描出輪廓然后再拉伸成形。由于建筑的建模比較簡單,只要注意好尺寸的設(shè)置和避免錯面、破面的出現(xiàn)即可。如圖5為已經(jīng)建好的主樓模型。2.2vw模型的建立三分建模,七分貼圖。反映建模的逼真的程度,除了模型的制作外,貼圖是至關(guān)重要的一步,前期素材與處理工作為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。對模型的各個面單獨貼紋理,把紋理附于對象后,為了使貼圖與模型吻合一致,需要UVW坐標(biāo)或手動展UVW的方式。制作的大部分貼圖都是漫反射貼圖,其渲染效果達到設(shè)計要求。一些重要的鏡頭里還可以使用normalmap。由于貼圖不是在同一天拍攝的,而且建筑陽面與陰面拍到的素材在色調(diào)、飽和度等方面不一致,必須在Photoshop里先將色調(diào)、飽和度等統(tǒng)一。主樓貼完紋理之后的效果圖如圖6所示。由于創(chuàng)建好的模型需要導(dǎo)入虛擬仿真平臺VRP中,而虛擬仿真平臺VRP對材質(zhì)有一些特殊的限制。在貼圖過程中對所創(chuàng)建的模型如果使用一些高級材質(zhì),如“多維/子對象”材質(zhì)、混合材質(zhì)、燈光材質(zhì)等,在導(dǎo)入VRP的過程中可能會出現(xiàn)一些錯誤,所以在材質(zhì)制作時盡量不要使用這些材質(zhì),只需一些基本的貼圖設(shè)置便可,如果想要達到一定高光反射、凹凸的效果,可以在后期VRP軟件中調(diào)整。2.3虛擬模擬環(huán)境的使用模型的制作只是為場景制作了一副骨架,缺少真實的活力,而燈光的調(diào)整就相當(dāng)于讓整個場景更趨于真實。所以說燈光是整個虛擬現(xiàn)實的制作過程中尤為重要的一部分,也直接影響到導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件中的逼真程度。這個項目室外主要是手工打光,也就是經(jīng)典的三點光源。渲染使用默認(rèn)的掃描線渲染器,開啟光線追蹤。室內(nèi)場景主要使用3DSMax中的daylightsystem和mrskyPortal,渲染器為Mentalray。運用daylightsystem和mrskyPortal,Mentalray可以產(chǎn)生逼真的光照效果,當(dāng)然代價是相當(dāng)長的渲染時間。圖7為燈光添加后的效果。2.4環(huán)境優(yōu)化2.4.1模型的對于應(yīng)用功能的改進和完善由于模型的面數(shù)與數(shù)量直接影響到完成虛擬現(xiàn)實的大小以及運行速度,故面數(shù)的優(yōu)化在3DSMax中極為重要,可以大大節(jié)約等待時間。在建立主要建筑物模型時應(yīng)將一些看不見的面刪除,將同類材質(zhì)的物體進行合并。不是主要建筑物的模型應(yīng)盡量從簡制作,減少整個場景的面數(shù)和模型數(shù)。另外,需要對環(huán)境進行完善、美化,如設(shè)計花壇、種植樹木、建設(shè)道路等。場景中需要種植許多樹木時,若建立體樹將占用很大的空間,影響顯示效果,故采用建立平面樹的方法。在進行貼圖時同樣要設(shè)置為透明貼圖,對于一棵樹建立兩個平面,并讓兩平面交叉在一起,形成一棵視覺上立體的樹,然后選擇只將近景的樹木替換成插件生成的樹,遠景的樹依然保留原來的十字交叉樹,這樣渲染時間大幅縮短。環(huán)境優(yōu)化之后的效果如圖8所示。2.4.2軟陰陽的測定在光照方面,進行必要的優(yōu)化以提高渲染速度。室內(nèi)場景的mrskyPortal會產(chǎn)生柔和的陰影,效果非常好。但這些陰影的計算量對配置不高的計算機來說無法實現(xiàn),如果降低軟陰影的采樣率,雖然可以提高渲染速度,但是整個畫面會有很多噪點,提高采樣率的話又會使渲染時間倍增。解決的方法是在渲染動畫的時候關(guān)掉這些軟陰影,渲染單幀的時候開啟它。把mrskyPortal的軟陰影關(guān)掉,渲染速度從每幀45min提高到每幀6min。當(dāng)然,缺少了這些陰影會使很多地方比如墻角顯得比實際的要明亮一些。2.5不同模擬屬性的區(qū)域的構(gòu)圖為了使虛擬現(xiàn)實更加逼真、生動,需要將物體的陰影、光線的明暗表現(xiàn)出來,烘焙這一環(huán)節(jié)尤為重要。烘焙過的物體可以將物體的陰影、光線明暗以貼圖的形式附著在模型的表面,這個烘焙過的貼圖并不會覆蓋原有的貼圖,只是在模型的表面新建一個圖層,在導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件的時候可以同時將兩者的貼圖展現(xiàn)出來,但注意一點,鏤空貼圖不得進行烘焙。烘焙之后的場景再次渲染的時候?qū)⒉挥迷俅斡嬎愎庹?因此可以大幅提高渲染速度。在游戲或者虛擬現(xiàn)實引擎里一般都是把光照信息烘焙到貼圖中去,這樣游戲運行起來就很順暢,能在很多低配置的計算機上運行。圖9為烘焙完成后的模型場景效果。2.6實際文件的導(dǎo)入為了將3DSMax中創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到虛擬平臺VR-Platform中,需要安裝相應(yīng)的插件。選擇VRP導(dǎo)出插件中導(dǎo)出命令項,然后在導(dǎo)出為VRP文件對話框中可以看到所有信息提示:導(dǎo)出的面數(shù)、定點數(shù)、貼圖數(shù)、模型總數(shù)及相機個數(shù)等。最后將模型調(diào)入到VRP編輯器,這樣就成功地導(dǎo)出了模型,如圖10所示。如果要倒出到其它三維軟件,建議采用fbx格式,fbx格式可以在3DSMax、Maya、Motionbuilder等主流三維軟件之間轉(zhuǎn)換。2.7數(shù)據(jù)庫設(shè)計校園模型建立好以后,要把它放置于特定的交互3-D環(huán)境中,通過設(shè)定虛擬漫游者的運動方式、速度、初始位置、觀察的環(huán)境等參數(shù)條件,使觀察者從任意角度對虛擬環(huán)境中的對象進行觀察,并與之交互,從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。為了增強與周圍環(huán)境交互的效果,添加了數(shù)據(jù)庫功能,實現(xiàn)在場景中漫游時,選擇任意建筑物可從數(shù)據(jù)庫中查找數(shù)據(jù),將建筑物的名稱、建筑面積、高度及用途等各種屬性實時顯示在屏幕上。其實現(xiàn)的流程為:(1)捕獲用戶點擊的對象名稱;(2)根據(jù)對象名稱在數(shù)據(jù)庫中查找其對應(yīng)的信息;(3)將信息在屏幕上輸出。因為數(shù)據(jù)量較小,故選擇使用Access數(shù)據(jù)庫,并使用VRP連接數(shù)據(jù)庫。首先,要編寫dll文件,實現(xiàn)必要的函數(shù)接口://初始化數(shù)據(jù)boolg_open_db();//關(guān)閉數(shù)據(jù)庫voidg_close_db();//設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)注的腳本支持,對應(yīng)于一條腳本函數(shù)info/name,$GETVALUEvoidg_get_value(constchar*valuename,constchar*id,char*value);然后,使用VRP中的腳本編輯器編寫相應(yīng)的腳本函數(shù),并進行初始化設(shè)置,可以設(shè)置為距離觸發(fā)或點擊觸發(fā)。數(shù)據(jù)庫中的信息可以隨時更新,用戶在交互式漫游時,通過點擊虛擬校園場景中出現(xiàn)的建筑和藝術(shù)雕像,提供更加詳細的資料。2.8實現(xiàn)場景模擬與數(shù)據(jù)顯示為了能在創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中漫游,并與周圍環(huán)境進行交互,需要在VRP中給模型設(shè)置碰撞檢測,添加天空盒、太陽光暈、背景音樂,使整個場景顯得更逼真。在三維場景中漫游,需要創(chuàng)建相應(yīng)的行走相機,設(shè)置相機的水平角度、高度等屬性,將相機放到場景中適當(dāng)?shù)奈恢?創(chuàng)建飛行相機來游覽整個VR場景的概貌;創(chuàng)建動畫相機,設(shè)置一條自動漫游路徑。為了模擬真實場景,需要為模型設(shè)置物理碰撞,對不能穿越的對象進行碰撞檢測。選擇一個合適的天空盒樣式應(yīng)用于當(dāng)前場景中,旋轉(zhuǎn)天空盒角度,讓天空盒中的光照方向與場景投影方向一致。為了讓VR場景更生動,為VR場景添加一個太陽光暈,調(diào)整太陽光暈的角度與高度,讓太陽光暈的光照方向與場景投影方向一致,使整個場景顯得更逼真。添加背景音樂增強場景沉浸性,用腳本編輯器在系統(tǒng)函數(shù)類型中創(chuàng)建初始化函數(shù),添加背景音樂腳本,插入語句并設(shè)置背景音樂相關(guān)屬性。在數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)顯示時,需要將數(shù)據(jù)顯示在二維面板上,二維界面圖片通過Photoshop創(chuàng)建,通過腳本來控制二維面板的顯示與隱藏。保存所有設(shè)置后,即可編譯成一個可獨立執(zhí)行的.exe文件,生成虛擬漫游系統(tǒng),如圖11、圖12所示。2.9染色機的使用室內(nèi)場景使用mentalray渲染,其中運用了很多mentalray的材質(zhì),場景中還有大量的玻璃,反射與折射使渲染速度大大降低。計劃渲染成1280×720的序列幀,一臺計算機是難以勝任的,使用70臺計算機進行網(wǎng)絡(luò)渲染。3DSMax自帶的網(wǎng)絡(luò)渲染功能很方便,也很強大,節(jié)省很多時間。通常在渲染開了全局照明的場景時,為了提高速度往往會保存光照貼圖,這樣在渲染下一幀的時候就只需計算與上一幀有變化的地方,節(jié)省了很多時間。在網(wǎng)絡(luò)渲染的時候,由于同一臺機器分配到的渲染幀不是連續(xù)的,幾乎每一幀都得重新計算,故采用backburner和mentalray的分布式渲染結(jié)合起來,渲染速度有了明顯的提高。但是mentalray的分布式渲染也有它的缺點:一是它最多只支持8塊CPU同時渲染;二是參加計算的計算機中,只要有一臺計算機出現(xiàn)錯誤,或者長時間沒有響應(yīng),那么整個渲染工作就會停止。因此,必須人工看守,當(dāng)有錯誤發(fā)生時重新啟動它。室外場景使用3DSMax自帶的掃描線渲染器渲染,由于樹木使用了大量的鏤空貼圖,渲染速度很慢。而使用mentalray