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(jì)算機(jī)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。在研究“數(shù)字校園”時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被引入，為校園規(guī)劃和設(shè)計(jì)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(gè)區(qū)域,使瀏覽者對(duì)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(duì)外交流提供一個(gè)平臺(tái)。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(dòng)畫,用WebMax進(jìn)行交互控制,并結(jié)合實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn),對(duì)虛擬環(huán)境下3D建模、交互式漫游等技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(jī)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(duì)于相機(jī)拍攝不到的地方,可以通過手繪畫出實(shí)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(jī)自身成像特點(diǎn)的影響,拍攝的像片往往會(huì)比例失調(diào)或枕形畸變,需要使用圖形處理軟件Photoshop對(duì)每張圖片進(jìn)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(shí)需要注意以下幾點(diǎn):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(dú)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(shí)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(gè)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(gè)版本,在有特寫鏡頭時(shí),貼上高分辨率的貼圖,遠(yuǎn)景時(shí)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(dú)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(cuò)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(duì)模型的各個(gè)面單獨(dú)貼紋理,把紋理附于對(duì)象后,為了使貼圖與模型吻合一致,需要UVW坐標(biāo)或手動(dòng)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(dá)到設(shè)計(jì)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(tái)VRP中,而虛擬仿真平臺(tái)VRP對(duì)材質(zhì)有一些特殊的限制。在貼圖過程中對(duì)所創(chuàng)建的模型如果使用一些高級(jí)材質(zhì),如“多維/子對(duì)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(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤,所以在材質(zhì)制作時(shí)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(dá)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(shí)的活力,而燈光的調(diào)整就相當(dāng)于讓整個(gè)場景更趨于真實(shí)。所以說燈光是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)軟件中的逼真程度。這個(gè)項(xiàng)目室外主要是手工打光,也就是經(jīng)典的三點(diǎn)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(yùn)用daylightsystem和mrskyPortal,Mentalray可以產(chǎn)生逼真的光照效果,當(dāng)然代價(jià)是相當(dāng)長的渲染時(shí)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(duì)于應(yīng)用功能的改進(jìn)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(shí)的大小以及運(yùn)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(shí)間。在建立主要建筑物模型時(shí)應(yīng)將一些看不見的面刪除,將同類材質(zhì)的物體進(jìn)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(gè)場景的面數(shù)和模型數(shù)。另外,需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行完善、美化,如設(shè)計(jì)花壇、種植樹木、建設(shè)道路等。場景中需要種植許多樹木時(shí),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(jìn)行貼圖時(shí)同樣要設(shè)置為透明貼圖,對(duì)于一棵樹建立兩個(gè)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(yuǎn)景的樹依然保留原來的十字交叉樹,這樣渲染時(shí)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(jìn)行必要的優(yōu)化以提高渲染速度。室內(nèi)場景的mrskyPortal會(huì)產(chǎn)生柔和的陰影,效果非常好。但這些陰影的計(jì)算量對(duì)配置不高的計(jì)算機(jī)來說無法實(shí)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(gè)畫面會(huì)有很多噪點(diǎn),提高采樣率的話又會(huì)使渲染時(shí)間倍增。解決的方法是在渲染動(dòng)畫的時(shí)候關(guān)掉這些軟陰影,渲染單幀的時(shí)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(huì)使很多地方比如墻角顯得比實(shí)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(shí)更加逼真、生動(dòng),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(gè)烘焙過的貼圖并不會(huì)覆蓋原有的貼圖,只是在模型的表面新建一個(gè)圖層,在導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的時(shí)候可以同時(shí)將兩者的貼圖展現(xiàn)出來,但注意一點(diǎn),鏤空貼圖不得進(jìn)行烘焙。烘焙之后的場景再次渲染的時(shí)候?qū)⒉挥迷俅斡?jì)算光照,因此可以大幅提高渲染速度。在游戲或者虛擬現(xiàn)實(shí)引擎里一般都是把光照信息烘焙到貼圖中去,這樣游戲運(yùn)行起來就很順暢,能在很多低配置的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。圖9為烘焙完成后的模型場景效果。2.6實(shí)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(tái)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(xiàng),然后在導(dǎo)出為VRP文件對(duì)話框中可以看到所有信息提示:導(dǎo)出的面數(shù)、定點(diǎn)數(shù)、貼圖數(shù)、模型總數(shù)及相機(jī)個(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行觀察,并與之交互,從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。為了增強(qiáng)與周圍環(huán)境交互的效果,添加了數(shù)據(jù)庫功能,實(shí)現(xiàn)在場景中漫游時(shí),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(shí)時(shí)顯示在屏幕上。其實(shí)現(xiàn)的流程為:(1)捕獲用戶點(diǎn)擊的對(duì)象名稱;(2)根據(jù)對(duì)象名稱在數(shù)據(jù)庫中查找其對(duì)應(yīng)的信息;(3)將信息在屏幕上輸出。因?yàn)閿?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(shí)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(duì)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(jìn)行初始化設(shè)置,可以設(shè)置為距離觸發(fā)或點(diǎn)擊觸發(fā)。數(shù)據(jù)庫中的信息可以隨時(shí)更新,用戶在交互式漫游時(shí),通過點(diǎn)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(xì)的資料。2.8實(shí)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(jìn)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(gè)場景顯得更逼真。在三維場景中漫游,需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的行走相機(jī),設(shè)置相機(jī)的水平角度、高度等屬性,將相機(jī)放到場景中適當(dāng)?shù)奈恢?創(chuàng)建飛行相機(jī)來游覽整個(gè)VR場景的概貌;創(chuàng)建動(dòng)畫相機(jī),設(shè)置一條自動(dòng)漫游路徑。為了模擬真實(shí)場景,需要為模型設(shè)置物理碰撞,對(duì)不能穿越的對(duì)象進(jìn)行碰撞檢測。選擇一個(gè)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(dòng),為VR場景添加一個(gè)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(gè)場景顯得更逼真。添加背景音樂增強(qiáng)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(shí),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(gè)可獨(dú)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(jī)的使用室內(nèi)場景使用mentalray渲染,其中運(yùn)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(jì)劃渲染成1280×720的序列幀,一臺(tái)計(jì)算機(jī)是難以勝任的,使用70臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(qiáng)大,節(jié)省很多時(shí)間。通常在渲染開了全局照明的場景時(shí),為了提高速度往往會(huì)保存光照貼圖,這樣在渲染下一幀的時(shí)候就只需計(jì)算與上一幀有變化的地方,節(jié)省了很多時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)渲染的時(shí)候,由于同一臺(tái)機(jī)器分配到的渲染幀不是連續(xù)的,幾乎每一幀都得重新計(jì)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(diǎn):一是它最多只支持8塊CPU同時(shí)渲染;二是參加計(jì)算的計(jì)算機(jī)中,只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤,或者長時(shí)間沒有響應(yīng),那么整個(gè)渲染工作就會(huì)停止。因此,必須人工看守,當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)重新啟動(dòng)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