三維建模在虛擬現實技術中的研究與應用

摘要：虛擬現實技術提供了人們新的感官體驗形式，也逐漸改變了我們學習、工作與生活的方式。虛擬現實技術未來發展前景非常廣闊，需要大量內容進行填充，而三維建模保證虛擬現實技術內容的制造與生產，對提高虛擬現實技術內容效率和質量具有重要作用。

關鍵詞：三維；建模；虛擬現實

“十三五”時期是全面建成小康社會和進入創新型國家行列的決勝階段，是深入實施創新驅動發展戰略、全面深化科技體制改革的關鍵時期。大力發展新一代信息技術，突破虛實融合渲染、真三維呈現、實時定位注冊、適人性虛擬現實技術等一批關鍵技術。在工業、醫療、文化、娛樂等行業實現專業化和大眾化的示范應用，培育虛擬現實與增強現實產業，三維建模對于虛擬現實技術內容提供方式具有重要作用，優化三維建模方式，提供三維建模效率，是促進虛擬現實技術發展的重要途徑。

一、功能需求分析

建模需求分析方法參考軟件工程的項目需求分析方法，其主要是根據虛擬實驗室的建設需求，分析虛擬實驗室的整體表達框架，實地調研實驗室的位置、面積、高度、朝向、溫度、濕度等環境因素，建筑設施、實驗設施、實驗設備等設備元素，電源開關打開、信號產生、信號的輸出、信號的顯示、與其他設備的連接等操作元素，實地調研過程中還需要注意與實驗老師詳細溝通實驗室設計的目標、規劃以及實現，同時對學生們的實驗需求進行分析歸納，獲得初步的需求分析報告后，由虛擬實驗室開發者對其進行去粗取精、去偽存真、正確理解，使用形式化功能規約表達出虛擬實驗室的邏輯模型，編寫詳細的虛擬實驗室需求規格書，和用戶確認軟件需求的具體條款。

二、系統要求

虛擬實驗室在設計過程中，需要著重保證用戶使用的真實感、易修改、易使用、效率高等特點。因此對虛擬實驗室的開發環境、時效、精細度也有一定的要求。

1.硬件平臺

虛擬實驗室采用普通硬件平臺為支撐環境，能夠適應一般學生用戶的實際需求。主頻以上，顯存以上，滿足三維顯示的流暢需求，三維模型細節充分，光影效果合理。

2.操作系統

虛擬實驗室采用Windows7為操作系統，符合最廣泛用戶的操作習慣，且能夠適應一般學生用戶的實際需求。

3.三維引擎

虛擬實驗室采用為三維引擎，可實現可視化編程界面完成各種開發工作，高效腳本編輯，方便開發；自動瞬時導入，骨骼和動畫直接導入，底層支持OpenGL和Direct11，簡單實用的物理引擎，高質量粒子系統。

4.三維建模

虛擬實驗室采用為三維引擎，能夠容易修改物體的各類參數，容易與其他場景融合，支持物體、貼圖等方面的刪除、附加等操作，使用建立角色，多邊形建立角色，面片建立角色，可以制成彎曲，扭轉等。

5.時效需求

從人體視覺感知規律，每秒顯示8圖像幀，才能保持流暢性要求。而為了能夠在民用低端顯卡PC機上流暢運行，選擇幀數為12幀左右。既滿足了真實性、也滿足了流暢性需求。

6.精細度要求

建筑類模型精細度要求：采集制作北京郵電大學的單體占地面積大于4*4的非臨時建筑物外圍輪廓要求模型結構準確特有結構不能省略細節表達準確。其中平面精度應保證其整體誤差控制不超過3米，建筑總體高度誤差控制在1米。

環境類模型精細度要求：主要為主樓廣場地面、人行道、噴水池、樹木、綠化、升旗臺，其輪廓模型根據1：1000地形圖與現場采集照片做模型與紋理，反應其高程、坐標特征。

實驗類模型精細度要求：主要為模擬、數字電路實驗的實驗儀器、電子元器件等，其輪廓根據實物抽取，細節需精確至每一個按鈕。

三、系統總體設計

系統總體設計需要完成功能實例規定，約定系統的實例功能；需要規劃系統開發流程，確定設計的每一個步驟；需要對系統進行框架設計，整體上把握系統；需要對系統進行分層設計。

1.功能實例

系統需要設計的基本場景包括第三人稱漫游角色控制、場景模型觀察、實驗場景操作等等。

2.系統開發流程

根據虛擬實驗室的規模、特點以及開發人員的工具、條件，本文系統主要利用實地照相釆集數據，釆用作為三維建模工具，利用對實地采集素材進行紋理處理，將模型導入中作為開發引擎，并將模型導入引擎。

（1）數據采集。虛擬實驗室的素材采集數據主要包括整個環境地形、髙程數據，建筑、人行道、廣場、水池、綠化以及其他設施的位置和尺寸。數據采集的方式包括兩種，一種是查閱主樓規劃圖紙以及公示材料，另外一種是進行實地測量。由于測量條件和人力限制，本文采用數據查詢方式，并結合公共地圖引擎上的數據作為概要參考，得出需要建模的場景的尺寸。實驗器材的參數主要是通過實際測量得出。

（2）素材采集。虛擬實驗室素材收集的素材主要包括整個環境的地形、高程數據，主樓、人行道、廣場、水池、綠化、其他設施、實驗器材的電子照片。通過現場拍攝圖片，利用進行圖像優化處理。主要是先對圖像進行裁剪和降噪，并利用魔法筆摳出需要添加紋理的部分，以滿足模型構建的需求。

（3）三維建模?；诔醪教幚淼恼掌M一步利用進行處理，構建出虛擬實驗室的主樓墻體、瓷磚，人行道地面、四槽，水池噴泉，綠化帶，路燈等等，以及各類實驗元器件、電源開關打開、信號產生、信號的輸出、信號的顯示、與其他設備的連接等操作元素的三維模型，對物體進行材質貼圖，使模型更具有視覺真實感。

（4）Unity虛擬對象。利用將建立的三維模型導入三維引擎中，使其變為能被調用和處理的虛擬對象。然后添加動態組件和自定義組件，即可為虛擬對象加入交互能力，完成各個虛擬對象之間的人機交互、元素交互和視覺交互，從而搭建虛擬實驗室系統。

（5）虛擬實驗室發布。經過的處理，虛擬實驗室能夠運行于三維引擎中。為了提高系統的使用性和兼容性，需要將虛擬實驗室轉變為可執行文件，才能應用于每個用戶的系統之中。因此，利用的發布功能，即可實現多個平臺都能使用的虛擬實驗室平臺。

總結：首先完成對虛擬實驗室的構建需求分析，利用軟件工程的需求分析模型，歸納出虛擬實驗室的基本功能包括虛擬實驗場景展示、第一人稱漫游、建筑、房間信息、三維建模。然后確定系統的面向用戶及其分別具有的功能。再次，分析虛擬實驗室的開發環境需求、時效需求和精細度需求，確保虛擬實驗室運行的高效和真實性。最后完成系統總體設計，包括功能實例規定、系統開發流程、系統框架設計以及分層設計。通過需求分析與總體設計，完成三維建模和三維漫游的準備內容。

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