基于Maya的三維建模及其在虛擬仿真技術中的應用

朱瑋+曹戈

摘要：該文介紹了基于Maya和Unity技術的虛擬電動機組裝學習平臺的構建，運用Maya軟件創建仿真三維模型，導出到Unity軟件中組裝并進行交互控制。

關鍵詞：Maya；建模；Unity；虛擬仿真技術

1 前言

隨著信息技術和三維技術的發展，虛擬仿真技術由原先的多用于醫療和軍事，到現在應用到生活的各個角落。虛擬環境的創建也隨著技術的發展由原先的單一方式，發展到現在的多選擇、多方式。在本次研究中我們更傾向于使用Maya和Unity進行結合，完美詮釋虛擬仿真技術和三維建模技術的結合。Maya軟件具有強大的兼容功能；具有靈活的模型制作和渲染特性；具有強悍的動作制作特征，能更好的模擬虛擬仿真環境，讓用戶的體驗更加真實有效。Unity技術有很強的操作性，能更好的體現交互，滿足用戶對虛擬仿真的直觀需求。我們使用Maya和Unity進行虛擬電動機組裝學習平臺的開發。具體思路為運用Maya軟件創建三維虛擬仿真環境，運用Unity作為載體將三維場景轉化為720度漫游系統。

2 Unity與 Maya概述

2.1 Unity 概述

Unity致力于讓使用者輕松完成各種游戲開發和三維互動開發，創作出虛擬仿真環境。作為一款虛擬仿真引擎，Unity使得虛擬仿真的開發更加便捷，提高了開發人員的工作效率，增加了使用者的體驗。但是unity卻存在自身無法克服的缺陷，即無法自行創建復雜虛擬仿真場景，在這方面具有一定的局限性。鑒于此，我們在進行構建虛擬電動機組裝學習平臺時，結合Maya的強大建模功能，輕松實現對復雜虛擬場景的構建。將Maya和Unity完美的結合，實現虛擬仿真平臺的開發。

2.2 Maya概述

Maya是一款強大的三維軟件，應用對象廣泛，功能完善，操作靈活，在三維軟件中占據極其重要的地位。Maya軟件被廣泛應用于影視特效、游戲開發、廣告宣傳、欄目包裝等領域。在創建虛擬仿真環境方面具有獨特的優勢。利用Maya軟件的modeling模塊能創建出真實的環境外觀，讓人產生一種進入感。Maya軟件的Rendering模塊能給創建的場景附上真實的質感，從而生成讓人沉浸其中的環境。Maya軟件在建模方面既可以創建精細模型又可以創建粗模。滿足對模型的不同需要。同時Maya軟件的材質渲染功能為模型最終的效果提供了強大的支持作用，對于虛擬現實中需要的多數簡模，Maya軟件可以通過材質渲染讓模型的效果更加真實。

3 Maya模型創建

虛擬電動機組裝學習平臺的環境是三維模型組建的，模型的表現力直接影響到虛擬平臺的體驗度。在運用Maya軟件的modeling模塊進行模型創建的過程中，要注意軟硬件配置的限制和虛擬仿真平臺在運行時的實時性，同時還要充分考慮到互聯網寬帶對平臺交互的限制。因此在創建模型的過程中要充分遵循游戲建模的法則：在保證模型外觀的基礎上，充分減少模型的面數，盡量用有效的線條和面組成一個合理的拓撲結構。比如，刪除不可見面；復雜結構用貼圖代替面；減少模型的細分面數等。

3.1采集信息

在運用Maya創建虛擬仿真平臺之前，首先應進行資料采集，我們通過拆分電動機，拍攝各個組件的照片，錄制拆分過程視頻等方式對電動機的內部結構進行細致的了解。通過反復實操和網上資源查找，概括出電動機包含以下主要部件：軸、風扇、定子繞組、定子鐵芯、轉子鐵芯、轉子繞組、電刷罩，軸承（如圖1）。在于自動化專業教師進行溝通的過程中，我們確定了虛擬電動機組裝學習平臺的主要制作要點和注意事項。

3.2模型創建

將拍攝的部件圖片處理成front、side、top三視圖，根據參考圖片進行建模。在模型創建的過程中使用polygon對電動機的電刷罩等外觀曲度小的部件進行創建，對于如轉子繞組等具有纏繞性的部件使用nurbs，能更好的控制物體表面的曲線度。最終創建出更加逼真、生動的造型，同時滿足漫游對模型面數的要求。如圖2所示：

在模型創建過程中應注意幾個方面：

1）用盡量少的面數創建模型，確保模型能在Unity軟件中順暢的使用，防止面數太多產品卡頓問題；

2）可以用貼圖紋理表達的細節就不要用模型創建實現，盡量保證模型的穩定性；

3）對于曲度大的部件，建議使用Nurbs建模，保證弧度的圓滑性，防止在弧度上產生菱角分明的結構；

4）對于材質相同的部件使用縫合或者打組的方式讓各部件成為一個整體，為后材質和渲染做好準備；

5）不可見部位使用刪除面的方式，在不穿幫的原則下盡量減少面數，讓整個模型更加輕盈，防止累贅。

3.3 材質貼圖與烘培

在對電動機的模型優化之后，進行材質貼圖的處理。材質貼圖有兩個方式，一種是通過手繪和圖片處理的方式將材質紋理體現出來，一種是通過Maya材質球本身固有的屬性進行調整展示材質效果。電動機的材質主要以金屬質感為主，我們使用了最基礎的bolin、phone等材質球，通過調節材質基礎屬性以及反射、高光等屬性，模擬真實的金屬質感。對于金屬的拉絲質感我們采用紋理貼圖或者Noise進行調整，這樣能夠更好的增強真實的材質觸感。因為電動機由多個不同的組成部分組成，各個組成部分之間的材質又存在差異，我們針對不同的材質屬性，選用多種方法靈活運用，以達到更好的材質效果，節省制作時間，提高效率，將績效的概念引入到實際教學過程中。

例如：電刷罩的磨砂質感，我們使用bolin材質球的基礎屬性，通過添加紋理貼圖，調整高光、反射和漫反射，營造逼真的金屬質感，同時我們結合bump，使材質有一種凹凸感，讓磨砂的質感更加逼真，讓體驗者有一種見到實物的錯覺感。對于模型中結構復雜的配件我們選用貼圖代替建模的方式。利用貼圖可以在簡化模型的基礎上創建出精準和真實的細節。例如，轉子鐵芯是由很多凹凸槽組成，用線條擠壓可以出來這個效果，但是模型的面數會增加太多，不利于交互的實時性。我們選用貼圖的方式解決這個問題，直接用圓柱代替，用最少的面數大致做出轉子鐵芯的外形。然后使用UVLayout進行NV拆分，將模型的貼圖展開，形成二維視圖。我們在拆UV的基礎上繪制凹槽的紋理，讓模型看起來真實度極高。即降低了制作的難度，又極大的提高了制作效率。（見圖3）

4 Unity中模型的運用

在Maya中將模型烘培輸出FBX文件，導入到Unity軟件中，自動生成Prefab。創建第一人稱角色控制器，利用控制器產生720度實景展示。此時可以通過鼠標對電動機各個部件進行720度的觀察。利用Unity的Export功能導出資源。在Unity中可以發布幾種形式的系統，如WebPlayer、APP等。由于用Maya創建了非常真實的電動機模型，并且將電動機的各個部件進行了制作，導入Unity之后，unity在漫游平臺中只起到一個載體的作用，它能很便捷的實現720度的展示效果。同時通過Unity可以快速實現交互，讓使用者有更好的體驗，更全方位的觀察和互動。

在進行Maya軟件和Unity軟件相結合的過程中，應注意以下問題：

1）導入FBX文件時注意軟件的兼容問題，防止出現某些模型無法導入問題，或者導入的模型出現黑面等問題；

2）第一人稱角色控制器的創建過程中，注意控制器的使用，防止出現鼠標無法交互的問題。

3）系統構建完成后的輸出需要根據發布的平臺進行輸出格式和屬性的設置，優化系統在發布平臺上的體驗效果。

5 結束語

在科技高速發展的今天，虛擬仿真技術得到了長足的發展，同時在各行各業體現出它獨有的優勢。本文闡述的Maya建模在Unity中的應用，對于學生掌握和理解《三維建模》和《虛擬仿真技術》課程起到很好的效果，希望能給其他相關課程起到一定的指導作用。

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