基于虛擬現實的三維小區仿真設計

摘要：利用3DS MAX三維技術，通過仿真小區建筑、道路、綠地、公共設施等模型，對社區設施與環境進行了虛擬再現。對小區平面地圖的獲取、社區二維平面圖形的創建、小區數據的采集以及小區三維模型的構建等方面進行了介紹，重點闡述了在3D環境下三維模型的創建及材質、燈光的設置等關鍵技術。

關鍵詞：3DS MAX；三維小區；仿真；構建；仿真設計

0 引言

計算機軟、硬件技術的發展使得虛擬現實技術有了很大的發展空間。不論是室內仿真技術還是室外仿真技術，3ds max都有著其獨到的優勢。本文將從小區資料的收集、底圖的生成、三維模型的創建、三維貼圖的使用、場景中燈光設置到小區三維仿真渲染輸出等方面介紹三維小區的仿真設計技術。具體設計流程如圖1所示。

1 平面底圖的制作

二維平面圖形的制作好壞直接影響三維圖形的效果。三維小區的仿真基于小區的二維平面圖形，而平面圖形的形狀及比例決定了小區三維仿真的比例及位置的真實性與準確性。

為了得到真實的小區二維圖形，可以從互聯網上獲取相應小區衛星圖片作為創建三維小區的底圖。如通過單擊谷歌網站(http：／／wwwgoogle.cn)中的“地圖”按鈕，打開“Goog|e地圖一Windows In／ernet Explorer”網頁，選擇“衛星”地圖，從打開的網頁中找到相應的小區衛星地圖，再通過截圖軟件就可截取小區地圖部分。在截圖中應注意地圖的實際比例，準確掌握小區實際面積的大小及相關建筑物與其他三維實體、道路、花壇、綠地等所占面積信息。

2 原始數據的收集、整理

小區數據的采集任務艱巨，工作量大。它包括獲取建筑物外觀圖片、各種三維圖形的外觀材質與貼圖及其他一些實景圖片。材質包括建筑物外墻材質、玻璃材質、門窗材質、路面材質、屋頂材質、草坪與花壇材質及其他一些必要的材質等。材質與貼圖的獲取可以通過數碼相機進行實景拍攝或其他的一些途徑獲取。實景模型包括小區的建筑、道路、人文景觀、綠化、運動設施、服務設施、生活設施及其他一些公共輔助設施等模型。小區面積往往不大，在獲取建筑外觀圖形時應盡可能地從不同的方位和角度進行拍攝，包括房頂圖片的獲取。要做到圖片拍攝清晰、完整，建筑物輪廓清楚。圖片一定要合理地編號，使圖片拼湊起來方便、快捷，準確，能完整地表達建筑物的外觀輪廓，為較好地構建三維小區奠定良好的基礎。

3 材質、貼圖的形成

3ds Max中有很多種貼圖方法，最簡單的是利用位圖。在三維小區的制作中，位圖是較為常用的一種二維貼圖。大部分模型的表面貼圖都需要與現實中的實體相吻合，而這一點通過其他程序貼圖是很難實現的。也許通過程序貼圖可以模擬出一些紋理，但也與真實的紋理有一定差距。在3ds max中選擇以數碼相機拍攝獲取的位圖作為三維對象的貼圖。具體制作過程如下：從實地拍攝的數碼相片中選取合適角度的照片在Photoshop中進行拉伸扭曲，得到所需貼圖單元，保存為JPg格式，需要貼圖時直接調用即可。

4 三維模型的創建及材質貼圖的使用

4.1 三維模型的創建

4.1.1 單位及標高的設置

4.1.1.1 單位曲設置

構建三維小區的關鍵就是構建小區的三維模型，特別是構建三維建筑模型。在3DS MAX中創建三維模型前，首先應在該軟件中設置好單位比例，如：將顯示單位比例設置為公制中的“米”，系統單位設置為毫米。

4.1.1.2 標高的設置

標高是構建三維模型的—個參照高度，它包括樓層標高及整個建筑物總體標高。這兩個標高都應該控制好，在實際構圖中應嚴格按要求設計樓層標高。在制作標高時，一般普通樓層為3.5米高，商住樓(底座一樓)考慮4米高，其它層次考慮3.5米高。

4.1.2 在3DS MAX中使用小區衛星地圖作為底圖參考物

在3DS MAX中創建三維小區，首先要保證在3ds max中有小區衛星地圖。使用衛星地圖作為創建三維小區的底圖參考物方法如下：在3DS MAX中，根據衛星地圖的形狀及大小，創建一個平面圖形；然后打開“材質編輯器”對話框，選擇一個空白材質球，選擇Blinn明暗器，單擊“Blinn基本參數”中的漫反射后面的“None”按鈕，打開“材質／貼圖瀏覽器”對話框，從列表中雙擊“位圖”，打開“選擇位圖圖像文件”對話框，找到存放小區衛星地圖的文件夾并打開小區衛星地圖；最后將材質球拖放到前面所創建的平面圖形上，該平面圖形上就出現了小區衛星圖片，然后以該平面圖形作為創建三維小區模型的依據進行構圖。

4.1.3 虛擬三維建筑模型

在創建三維建筑模型時，首先要在小區平面圖形上找到需要制作的三維建筑圖形的位置，用3ds max創建及編輯命令創建出形狀相似的三維圖形，然后對照數據采集表中的相應數據，如建筑實體的照片進行建模。

創建三維模型的方法很多，如網格建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等。構建三維小區模型最好選擇多邊形建模方法，因為這種方法比較方便、靈活，也能滿足構圖要求。

在構建三維實體模型的過程中，三維模型的方位應與小區的實際方位一致。首先，在小區平面圖形上找到需要創建的三維模型的位置。如果該模型的輪廓形狀比較規則，可以直接在該位置上創建一個與建筑物輪廓大小相當的長方體，并將其轉換為可編輯多邊形；如果建筑物的外形不規則，可以在“創建”命令面板中的“圖形”面板中選擇“線”命令來勾畫出建筑物的輪廓形狀，然后添加一個“擠出”修改器，擠出的高度為建筑物所要求的高度值。根據該建筑物的外墻材質要求，先給外墻賦予相應的材質，然后將賦予了材質以后的建筑物轉換為可編輯多邊形。右擊“透視圖”的文字“透視”，從彈出的菜單中選擇“邊而”命令，然后利用“可編輯多邊形”的子層次對象中的點、邊、邊界、多邊形、元素等對多邊形進行編輯。選擇編輯多邊形命令中“邊”子對象，使用“編輯邊”卷展欄中的“連接”命令將多邊形分出與該建筑物相同的樓層、利用“切角”命令分出墻體與窗戶的高度值，再一次使用連接命令分出建筑物的單元數，綜合使用“可編輯多邊形”中的其他子對象層級編輯出陽臺、窗戶、門、樓頂等部分。注意在編輯過程中，應給不同的對象賦予材質，然后再一次將其轉換為可編輯多邊形后繼續進行編輯，直至最終編輯出三維模型。

4.1.4 小區道路的創建

根據小區平面圖形的路徑顯示，首先在“創建”命令面板中用“線”命令勾勒出道路的大致輪廓形狀，并將該輪廓線轉換為“可編輯樣條線”；然后切換到“修改”命令而板，利用“可編輯樣條線”命令中的頂點、線段、樣條線等次層級對象進行編輯操作，使道路的輪廓形狀與實際道路的輪廓形狀一致；添加一“擠出”修改器將道路輪廓擠出一定的值后就完成了小區道路模型的建模；最后給小區道路賦予相應的材質。

4.1.5 小區花壇的創建及綠化

在虛擬系統中，小區的綠化也是一項非常重要的工程，它包括花草、樹木等，這些對象都有一個共同的特點，即重復性高。在虛擬系統中，花壇的建模應盡可能使比較少的面。獲得盡可能少的面的方法是在建立模型時使用合適的方式。當把貼圖賦給模型時，也應該使用最少的面。這類模型在構建時主要用二維的模型結合透明貼圖來創造出三維的模型效果，即用貼圖來代替細節模型。樹木可以直接從“創建”而板的“幾何體”中的下拉列表選“AEC擴展”進行創建。在“AEC擴展”中單擊“植物”按鈕，選擇相應的樹木，然后根據實際情況適當地修改參數。

4.1.6 小區其他公共設施的創建

小區公用設施的創建主要包括道路、電話亭、垃圾箱、照叫路燈、健身娛樂設施、公告牌、生活服務設施、庭院其他景點等的創建。對這些對象，同樣可以采用多邊形命令進行創建。

4.2 材質貼圖的使用

建立模型之后的工作就是給模型賦予材質和貼圖，如果將模型比作骨架的話，貼圖好比我們的衣裝，可以為整體造型添彩潤色。3DS MAX中最簡單的是Bitmap貼圖，除此之外還有多種貼圖形式。

給對象賦予材質時，在“UVW貼圖修改器”的參數卷腱欄中有7種不同的貼圖坐標指定方式，即平面、柱形、球形、收縮包裹、長方體、面、XYZ到UVW等，可以將不同模型看成這七種貼圖坐標的近似形狀，根據模型的形狀選擇相近的貼圖方式坐標。因為小區模型大多數建筑都是呈矩形，因此box與planar兩種方式比較常用，如建筑物的外墻面就是用box方式來貼圖。box與planar通常還用在重復的無縫貼圖上而。窗戶的重復率最高，可使用重復貼圖法完成整棟樓的窗口貼圖Cylindrical貼圖方式則常用在圓柱面的貼圖上。

在給對象賦予材質并選擇相應的貼圖坐標后應，往往可發現貼圖的形狀并沒有達到預期的效果，為此可作如下處理。

在修改器列表中選擇UVW展開，即添加一個“UVW展開”修改器，在其“參數”卷展欄中單擊“編輯…”按鈕，打開“編輯UVW\"窗口。在“編輯UVW”窗口下方單擊“而子對象饃式”按鈕，選擇“貼圖”菜單一p的“展開貼圖”菜單，打開“展開貼圖”對話框，從下拉列表中選擇“移動到最遠的面”后確定。框選“編輯UVW”該窗口中的所有面，并移動所選擇的面，直到在透視圖中看到滿意的效果為止。

對于材質中的二維貼圖，物體就必須具有貼圖坐標。這個坐標確定了二維貼圖以何種方式映射在物體上，它不同于場景中的XYZ坐標系，它使用的是uv或uvw坐標系。

UnwrapUVW貼圖方式一般用于較復雜的模型貼圖，因為它能夠自定義UVW坐標的位置，所以能夠把幾幅圖片都集成在一張貼圖上面，這樣能省下不少資源。

5 場景的燈光設置

燈光對場景的基調和氣氛起著決定性的作用，可以說燈光是場景的靈魂。通常情況下，場景設計的目標是相當復雜的，如為表現一種意境、一種狀態、一種情感或一種關系等，借助于燈光能為場景提供更大的深度和更廣闊的想象空間，展現豐富的層次。在設置燈光時，應首先設置主光源，再增加輔助光源來增強真實感。恰當的燈光照射可以改變材質的效果，增加場景的重演效果。這種效果不僅僅是在場景的某一位置添加照明，而且可以增加場景的感官效果，使場景充滿生機。

一般來說主光源應該與視角(攝象機)呈15-45度角，目標點指向主題物體；在側視圖中，光源位置要高出視角(攝象機)15-45度。輔光的位置在頂視圖上看與主光應該是相對方向的。背光在前視圖中一般在主題物體的后面，與視角(攝象機)相對；在側視圖中放置的位置要超過主題物體的高度一些。

6 仿真渲染輸出

經過以上流程，小區立體圖基本形成，下一步就是輸出圖像，并將它以jPg格式保存。3DS MAX渲染得到的圖象顏色通常較生硬，畫面缺乏層次感，所以，利用photoshop強大的圖形修飾功能對小區立體圖進行修飾，從而得到一理想的三維小區仿真設計效果圖。

7 結束語

采用3DS MAX軟件可直觀地實現三維小區的設計與仿真。從小區資料的收集處理、底圖生成、模型創建、貼圖使用、燈光設置到小區仿真渲染輸出等方面的實現過程并不復雜，可以看出，3DS MAX軟件功能之強大。相信以后虛擬現實技術將會突飛猛進，而3DS MAX軟件在各行各業的發展前景也將更為廣泛。