虛擬校園三維建筑模型建模方法探討

摘要: 三維建模是虛擬現實的核心，建模方法的選擇，模型的優劣，直接關系到場景漫游時系統的性能和藝術表現力。本文以我校省級課題《基于VRP的虛擬校園的設計與實現》中三維建筑模型創建為例，對比不同的建模方法，探討如何選擇合適的三維建模方法，使三維建筑模型更符合虛擬現實系統的要求。

關鍵詞: 虛擬校園設計三維建模建模方法比較

一、前言

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是一項綜合集成技術，它涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人通過必要的裝置，可以對虛擬世界進行體驗和交互作用，從而產生親臨真實環境的感受和體驗。

虛擬現實代表著未來的計算機交互界面，是一種完全沉浸式的交互界面。目前，虛擬現實技術已在醫學、軍事、航空、制造業、建筑、教育、娛樂等眾多領域得到成功的應用。

虛擬現實強調人的沉浸感，其中最核心的問題是場景建模技術。VR場景中的物體一定要逼真，讓人看到它們就會與現實的相關物體聯系起來，這就要求物體的幾何造型、材質、光影效果等與現實世界的物體一致。現在人們通過不少方法和途徑來實現這一目的，3DS Max和Maya是主要的三維場景建模軟件。

二、我校實現虛擬校園設計

基于VRP的虛擬校園，被定義為對現實學校三維景觀和教學環境的數字化和虛擬化，是一個基于現實學校的三維虛擬環境，用于支持對現實學校的資源管理、環境規劃和學校發展。在這個平臺上我們可以設計、開發基礎服務，其中系統漫游是比較重要的一個模塊，其前提就是三維建模。在我校省級課題《基于VRP的虛擬校園的設計與實現》中，均采用了3DS Max軟件完成校園內各場景的建模。

三、建模方法比較探討

我們在建模之前必須有一個詳細的規劃，前期我們如果不對場景的模型進行很好的優化，到了制作后期再對模型進行優化時就需要重新回到3DS Max里重新修改模型，這樣就大大降低了工作效率。

下面以我校虛擬校園室外建筑模型為例，比較兩種不同的建模方法。

方法一:局部—整體。

思路:將CAD文件導入3DS Max，使用捕捉工具，分別創建模型的各個組成部分，類似于搭積木，然后優化模型，最后塌陷，使之成為整體。

室外建模工作量比較大，我們首先必須看懂各種CAD圖紙，然后根據標準的CAD圖紙來創建標準的模型，最后進行材質、燈光、烘焙等操作。我們的具體操作步驟如下:

第一步:整理CAD圖紙，把各個立面獨立出來，清除不必要的標注、多余的內部結構線條等，然后保存為獨立的CAD文件。使3DS Max文件的場景的尺寸與系統尺寸和要導入的CAD的圖的尺寸一致。

第二步:將整理好的各個立面的CAD文件導入，分別繪制立面模型，再合成整個模型。

在操作時打開捕捉工具，以創建墻體為例，根據CAD圖紙繪制墻體的外框，然后擠出得到墻體。門框的處理與之相似，先繪制一個門框的二維線框架，在“Segment”級別下刪除門框下邊的線段，設置門框的寬度，接著將該二維線條轉換成“Poly”物體，在“Poly”的“Edge”級別下選擇門框內邊，在按住Shift鍵的同時拖動鼠標以復制該邊得到門框的厚度。

其他如窗、陽臺等，分別按CAD圖紙輔以捕捉工具創建。各立面創建完成后，再利用捕捉工具對齊。

第三步:逐一選擇物體將其轉換成“Mesh”或“Poly”，然后切換到“Polygon”級別下將各個物體之間的看不見的面、重疊的面和相交的面都刪除，再把相同材質的模型塌陷到一起。最后將導入的CAD圖形刪除。

用這種方法建立的模型(模型為雙面)面數比較多，并且在制作的過程中對象間要進行頻繁的對齊操作，此外需占用相當多的系統資源，若要對模型進行修改，修改的工作量比較大。

使用該方法創建的我校體育館模型，由9個模型組成，共15327個面(如圖1)。

方法二:整體—局部。

思路:根據CAD圖紙，使用多邊形擠出的方法，從整體不斷分離創建出新的模型，最終形成整個模型。

使用該方法創建模型，前期的準備工作比較重要，必須仔細研究建筑本身和CAD圖紙，考慮如何從整體出發，分別實現各個組成部分的模型創建。在具體實現時清晰的思路會提高操作的可行性和效率。

以我校體育館模型為例，它實際由體育館和游泳館兩部分組成，其外部形態和貼圖不盡相同，所以在具體操作時我們可分別實現。

第一步，根據CAD圖紙，按實際尺寸，創建一個“Box”并轉化為“Poly”作為體育館一層整體，然后用多邊形擠出的方法構建其余樓層，得到大概模型輪廓。

第二步，制作細節部分。比如在創建一樓門、窗、臺階等部分時，先選中有關的邊，進行連接操作并設置切角量，根據實際情況選中多邊形執行多邊形擠出等操作，最后將其從整體分離出去。

舉一個簡單例子，我們可以將一個多邊形作為臺階的初始對象，連接左右邊，然后分別選中多邊形擠出。如圖2-4:

用相同的方法創建各對象，包括樓門、窗、臺階、雨篷、走廊等。

第三步:將材質相同的對象塌陷到一起，減少模型個數，便于后續貼圖操作。

使用這種方法建立的模型(模型為單面)面數比較少，并且在制作的過程中對象間不必進行對齊操作，若要對模型進行修改，修改的工作量比前一種方法少很多。

使用該方法創建的我校體育館模型，由6個模型組成，共5333個面(如圖5)。

比較兩種方法的實際操作，第一種方法容易上手，在模型制作初期效率比較高，但是隨著模型個數越來越多，對齊操作也比較頻繁，容易出錯。有時遇到設計圖和實際建筑細節方面不符合的情況，我們使用捕捉工具輔助創建模型，反而會造成很大的困擾。由于模型面數比較多，我們必須把一些不必要的面刪除，如果還要對模型進行修改，修改的工作量是相當大的。

使用第二種方法，雖然在創建模型之初我們要花一定的時間分析如何下手，但只要理清操作思路，效率是比較高的。用這種方法創建的模型，不需要進行對齊操作，面數相對要少很多，符合虛擬校園三維模型的要求。如果模型完成后需要修改，修改的工作量較少。當模型全部完工并制作好貼圖后，我們明顯感覺用第二種方法制作的模型精細程度更高。

四、結語

由于虛擬校園各場景建模的工程量比較大，選擇相對高效的建模方法，對節省系統資源、模型集成和場景漫游有著重要的意義。本文僅以建筑模型的創建為例，除了建筑物，其他輔助設施也是必不可少的，包括道路、植物、人物、車輛等，這些三維模型的創建有著不同的方法和技巧。目前，我校《基于VRP的虛擬校園的設計與實現》課題組在學校各方面的配合支持下，已取得了階段性成果，我們將在實踐中不斷摸索虛擬現實中的三維建模。

參考文獻:

[1]萬寧，馮梅.關于虛擬現實中的三維可視化建模技術.應用技術，2007.1，(1).

[2]余莉，王乘.基于虛擬現實技術的數字校園三維仿真系統.計算機仿真，2004，VOL21，(4).

[3]董浩明，陳建國，葉儉建，陳定方.虛擬現實建模方法研究.湖北工業大學學報，2005.6，VOL20，(3).

[4]陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現實三維場景建模技術及實現方法研究.重慶師范大學學報(自然科學版)，2007.10，VOL24，(4).