基于3DSMAX的數字西域文化博物館的設計與實現

李 旭 姚江河 司春景 高賢強 王 飛

(塔里木大學信息工程學院，新疆阿拉爾843300)

塔里木大學西域文化研究所迄今發展為新疆南疆地區大型的多功能歷史類博物館。館內收藏有新疆各歷史時期的珍貴文物，及大量的圖片資料和文字資料。本文利用西域文化研究所所藏西域文物資源豐富這一地區優勢，本著更好地研究和宣揚西域文化為目的，旨在構建西域文化研究所現有文物和展館的三維模型，搭建基于西域研究所的網絡西域數字博物館，以實現西域文物資源的數字化，并通過數字化技術對西域研究所展館及文物進行三維虛擬顯示。該項研究對于西域文化及自然遺產信息資源的保護和利用(包括對信息資源的采集、保存、傳輸、展示利用等)的研究具有重要意義[1]。

1 軟件簡介

3D Studio Max，常簡稱為3DSMAX或MAX，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。它是當今世界上最流行的三維建模、動畫制作渲染軟件之一，被廣泛應用于制作角色動畫、室內外效果圖、游戲開發、建筑動畫、影視動畫、虛擬現實等領域，3DS MAX以其優異的性能、卓越的開放性為開發各類三維數字產品提供了可能。利用3DSMAX，人們可以通過網絡和計算機全方位地清晰參觀和感受文物，不受時間和空間的限制。用數字化博物館來推動“西域的記憶”，煥發出新的生命力[2－3]。

2 三維虛擬數字博物館制作的思路

從制作三維虛擬數字博物館的使用到3DS MAX、Premiere Pro等軟件，以下具體以3DSMAX軟件為例。本次作品是以實物為原型，由于一些特殊原因，在不違背原則的情況下，做適當的修改。

3 三維虛擬數字博物館模型的制作

3.1 數字博物館建模的方法和步驟

通過上述的思路，在3DSMAX中的工作流程如下圖1所示。

圖1 3DSMAX三維建模流程

三維建模的方法有很多種，例如:多邊形建模、面片建模、NURBS建模、復合建模、參數化建模等[4－5]。本文主要采用以下方式進行三維建模。

首先是在3DSMAX中繪制平面圖，可利用放樣、擠出等修改命令，將二維平面圖制作成三維模型，即畫框的立體生成。然后把生成的三維模型轉換為可編輯多邊形或可編輯網格，最后利用編輯多邊形下的頂點、邊、邊界、多邊形、元素五個子層級，編輯多邊形的父級對象可以將已經生成的簡單模型進行編輯，使之生成復雜的三維模型。

以下以沙盤制作為例。沙盤分為底座和地形部分，沙盤建模的前兩個步驟與三維建模的前兩個步驟基本一致，即在二維圖形的基礎上利用擠出修改命令成為三維模型。具體的制作方案如下:

3.1.1 在頂視圖中畫出沙盤地形的輪廓，注意在畫輪廓時，所有的輪廓都應該是閉合的，否則在最后擠出時不能擠出封閉的幾何體，擠出時要根據情況增加分段數。

3.1.2 進入修改命令面板，選擇編輯多邊形修改命令，根據地形的高低起伏，修改三維模型的點，將其大致的地形分布制作出來。再選擇噪波修改命令，將修改大致的地形修改的更加精細。最后選擇網格平滑命令，將其山脈制作的平滑。

3.1.3 利用衛星將西域部分地圖復制下來，通過部分修改，將其作為沙盤地形的貼圖。

3.1.4 底座部分。則是通過測量將比例確定，制作底座模型主要用到多邊形建模，其中部分用到上所說的方法，在此不再贅述。

以上是數字博物館部分的建模方法。而制作出數字博物館還用到以下步驟方法。

第一，完成單個的模型，如沙盤、掛畫等，前面已經敘述，這里不再贅述。

第二，把單個的模型導入到3DSMAX中，根據現實中博物館的陳列，將其整合。

第三，修改細節，添加輔助設施。最終的效果圖如下圖2所示。

3.2 三維虛擬數字博物館材質貼圖的制作

模型建立完成之后就是給模型賦予材質和貼圖。一般在3DSMAX中有三種方法給模型賦予材質和貼圖。

本文主要用到基本材質和位圖兩種方法。

圖2 沙盤效果圖

3.2.1 利用基本材質在3DSMAX中，基本材質使用3種參數構成對象表面，即環境光顏色、漫反射顏色、高光顏色。合理的使用環境光和漫反射及高光區的控制，可以創建出大部分基本材質，這種方法雖然簡單，但能有效的生成最終的渲染效果，同時基本材質還可以模擬發光對象、透明或半透明對象等。本文中一些墻面、裝飾燈材質制作使用的這種方法。

3.2.2 利用位圖

在3DSMAX軟件中，位圖是在材質制作中較為常見的一種二維貼圖。在三維場景中大部分模型的表面貼圖都需要與現實中的實體相吻合，而只一點通過娶她程序貼圖實現比較麻煩，并且與真實的紋理有一定的差距，一般是用數碼相機拍攝或其他路徑獲取的位圖來進行貼圖。由于本次制作的模型是根據真實物體制作的，貼圖也是使用Photoshop軟件制作，與現實的貼圖基本一致。貼圖的掛畫如圖3所示。

圖3 墻壁掛畫貼圖

3.3 三維虛擬數字博物館燈光的制作

本文設計主要用到的是泛光燈。泛光燈類似一個沒有燈罩的燈泡，均勻地向各個方向發射光線，泛光燈可以模擬點光源效果用于為場景添加充足光照。

泛光燈的設置除了有常規參數外，還有強度/顏色/衰減、高級效果、陰影參數、陰影貼圖參數、大氣和效果、mental ray間接照明、mental ray燈光明暗器。

3.4 三維虛擬數字博物館動畫漫游的制作

西域文化數字博物館的漫游使用的16個鏡頭合并完成，每個鏡頭將場景的各個本分以不同的角度展示出來，使整個西域文化博物館給人們以強烈的視覺沖擊力和藝術感染力。

作品最終的格式為vrml格式，它能夠在不渲染的情況下，將其從3DS MAX軟件中導出，其中最大的好處就是能夠人機交互，將場景全方位展示出來。鏡頭如圖5所示。

4 結論

本文論述了采用3DS MAX軟件構建數字西域文化博物館的建模的方法及步驟，三維虛擬數字博物館材質貼圖的制作、燈光的制作以及動畫漫游的制作等內容。通過虛擬現實技術，用戶不受時間空間的限制，可以自由瀏覽西域文化博物館。

圖4 泛光燈參數

圖5 鏡頭參數

[1] 吳偉波，曹文君.對于數字化博物館實現中的一些關鍵技術的研究與實踐[J] .復旦學報(自然科學版)，2001，40(6):649－652.

[2] 榮國棟，孟祥旭.Inspeck 3D－DF三維掃描儀在數字博物館中的應用[J] .計算機工程與應用，2002，38(16):237－239.

[3] 周昆，潘志庚，石教英.多細節層次模型間的平滑過渡[J] .計算機輔助設計與圖形學學報，2000，12(6):463－467.

[4] 李振波，孟祥旭，向輝.復雜虛擬場景構造及交互漫游實現研究[J] .系統仿真學報，2002，14(9):1183－1187.

[5] 劉士軍，孟祥旭，向輝.基于XML的文物數字博物館數據集成研究[J] .系統仿真學報，2002，14(12):1624－1627.