3dsmax在虛擬地理實驗室建模中的應用

梁海 吳國文等

摘 要：敘述了使用3dsmax進行地理建模的比較具體的方法和過程，介紹了各種地理模型的實現方法，各種模型優化的方法通用方法。

關鍵詞：3dsmax；地理模型；建模；優化

本論文是黑龍江省教育廳十二五課題《基于vrml的虛擬實驗室研究（9388）》的成果部分，課題組成員為：梁海、吳國文、田志德、周亞林、張海波。

任何實體對象，無論是簡單的，還是復雜的，都是由無數的多邊形組成，正是以多邊形為基本圖元建立模型單元的。有了這些基本的三維模型，就可以根據實際需要建立復雜的實體模型。此外，通過適當的修改、縮放等操作，使模型具有可延續使用性和可擴充性，便于不同對象實體的嫁接組合。

對于簡單物體，按照所確定的模型層次結構和相關數據，調整好合適的比例，在建模過程中盡可能減少使用的多邊形的數量。使用最少的多邊形獲取相同的真實感，在不影響外觀效果的情況下，可以大大地提升實時繪制速度，提高瀏覽幀率。對于復雜物體，需要綜合3ds Max等共同創建。首先，提取CAD圖紙中相關建筑物的平面輪廓線，結合實地測量的數據將輪廓線修整完善，保存為.DWG格式文件。然后，將此格式的文件導入3ds Max中作為模型的外輪廓拉伸基準并以此建立復雜物體的模型。完成后，貼上紋理圖片，增加適當的光源照明以預覽所建模型是否已經達到預期效果，保存為*.3DS格式文件。最后利用PolyTrans插件將*.3DS格式的文件轉換為* .jpt（OpenFlight）格式文件，就可以在Multigen Creator中順利打開模型文件了。

但是，在用PolyTrans插件進行格式轉換的過程中，會導致部分面的破裂與缺失，所以，用Creator打開OpenFlight格式的模型后，還需要進行面的修補、合并等一系列整理工作。即便如此，通過插件將AutoCAD、3ds Max結合建模的方法在目前仍然是Creator建模中處理復雜模型的最有效途徑，也極大地提高了建模效率。

一、地形模型建立

3ds Max中有專門的地形建模工具，通過該工具建立模型，能夠有更大的主動性、靈活性，創建的模型具有更好表現能力。在3dsmax中建立地形模型，可以利用CAD軟件建立等高線數據文件、也可以直接使用地形工具自己建立，下面介紹一下直接使用地形工具建模方法：1、在前視圖創建輪廓線，注意一定要是封閉的。2、使用“選擇并移動”工具在左視圖中移動這幾條封閉曲線的位置，使得最小的封閉曲線在最上面，最大的封閉曲線在最下面，以此類推。3、單擊“標準基本體”右側的小按鈕，并選擇“復合對象”進入到“復合對象”面板；4、選擇最下面的一條曲線，然后單擊“地形工具”，這時就會創建一個平面的地形；5、在下面的面板中單擊拾取對象按鈕，并在左視圖中從低到高依次單擊封閉曲線，此時就會形成地形的造型；6、如果覺得形狀不妥，可以進入修改面板進行詳細修改；7、可以繼續為已建立的模型添加其它修改器從而形成更好的地形效果。

二、樹木的建立

樹木的建立，是模擬逼真場景環境的重要環節。一方面，Creator對復雜模型的建模能力有限，強接建立樹術是一項很難辦到的事情。另一方面，利用3dsMax的SpeedTree捅件建立好樹術模型后，一顆樹的面片數豢通常都在萬個以上，導入Creator中，會極大地影響實對繪制效率。所以，在Creator串建立樹木模型，必須借助更為有效的方法。OpenGL中十字相交法和Billboard法可以很好地解決樹木問題，Creator也提供了對上述兩種方法的支持，所以樹術的創建樹木模型的問題也迎刃而解。

十字交叉法，是用兩個十字交叉面來構造樹木模型，在互相垂直的平面上，分別映射相同的樹木透明貼圖紋理，利用人的視野有角度局限性這一原理，使人感覺在不同角度總可以看到相同樹的圖像。由于此方法只用了兩個多邊形，所以建立的樹木模型只有四個面，計算量被大大削減、提高了場景顯示速度。Billboard法也稱為公告牌技術，采用一個多邊形面模擬樹木，當視點改變時，此多邊形會繞指定的軸旋轉從而保證始終面向觀察者方向。只要時刻保持二維紋理樹木圖像的法線矢量指向觀察者，就可以造成一種能夠使觀察者滿意的三維樹木的假象，可以很好地解決樹木的建立問題。

Creator中的紋理映射方式有多種，包括三點映射、四點映射、表面映射、球形映射，柱形映射、地學紋理映射、環境貼圖映射共七種映射方式，可適應不同的紋理需要剛。校園場景中一般都是規則物體模型，為了驅動時能有效地顯示出來，需要將處理好的紋理圖片用三點映射方式粘貼，而選擇其它方式可能導致紋理不能正常顯示。

完成對場景中的單體建模后，為了生成校園整體三維場景，再對單個模型按空間位置進行有序的集成。場景實體模型的構建是按照場景層次結構的劃分進行的，各層次實體構建完后需要進行組合集成，最終形成虛擬場景的整體模型。

對場景模型本身而言，如果只為了增加真實感，與真實景觀相對應的實體建模應該充分詳細，但這樣不僅大大增加了工作量，而且一旦場景中的多邊形數達到一定數量，視景的實時繪制輸出將難以實現。為了達到場景真實感與實時性的平衡，必須對場景模型進行適當的優化，其主要目的就是為了提高系統場景的實時性、在不顯著影響視景效果的前提下減少系統繪制的多邊形數目、提高圖形繪制的幀速。對校園模型的優化和模型數據庫的優化主要包括以下操作。

三、模型的優化

1、去除冗余面

冗余面是指那些不可見面。例如，樓體的底面、內墻面及樓層面閥的連接面等，由于場景瀏覽時，它們處于不可見位置，有無都不影響整體效果。在這種情況下，需要消除這些冗余的多邊形面，降低整個場景的復雜度。

2、三角面片合

模型導入時，重新計算處理，將所有的非三角形轉化成了三角形，這就增加了面的數量，影響了顯示效率，由此涉及到三角面片的合并問題。

3、紋理映射代替實體建模

對于門、窗、欄桿等細節部分，采取紋理映射的方法代替建模，即在對應位置的多邊形面上“貼”上相應的紋理圖片來代替詳細模型。紋理映射的意義可以簡單歸納為：用圖像來替代實體模型中的可模擬或不可模擬的細節，提高模型逼真度和圖形顯示速度。

4、外部引用和實例化工具

利用外部模型引用工具可以在模型中引用外部的模型文件，而沒有必要將模型添加到自己的模型數據庫中，從而減小了模型的大小。它的本質是一個指向要引用模型的指針。

當三維復雜模型中許多幾何形狀相同但是位置不同的物體，考慮采用實例化（Instance）工具。如將一根柱子實例化后，復制到其他柱子的位置，再刪掉原來的即可。

5、使用交換矩陣

變換矩陣工具對于“一次性變換一系列物體對象”是很有用的，它可以避免對單個對象重復使用坐標計算，提高模型運行的效率。變換矩陣是一個4x4的矩陣，用于計算相對于原來位置或方向的變換數值。當整個模型發生改變后，變換矩陣會自動更新，以保證參與矩陣變換的節點相對于其父節點位置的正確性。

6、畫面閃爍問題的解決

當兩個多邊形共用一條邊時，其中一個多邊形的項點就落在了另一個多邊形的一條邊上，而對這條邊來說，這個點卻是不存在的，這就是點在線上的情況。■