基于3DMAX三維虛擬舞臺場景建模和虛擬設計

林昱

摘 ?要： 為滿足舞臺場景設計真實感、高效率要求，采用3DMAX完成三維虛擬的舞臺場景建模和虛擬設計。利用3DMAX多媒體制作軟件制作舞臺場景三維模型，首先制作舞臺各部分子模型，通過材質編輯和添加貼圖增加舞臺逼真效果，組合多個子模型進行適當布局和調整獲取完整的三維舞臺場景模型;完成3DMAX三維虛擬舞臺場景建模后在VRP編輯器中展示，利用3DMAX?for?VRP導出插件，基于天空盒技術渲染舞臺環境，通過動作、角色模塊添加場景角色和動作效果，實現三維虛擬舞臺設計。實驗表明，所設計三維虛擬舞臺場景逼真程度高于同類型方法，三維建模性能突出，該方法適用于三維虛擬場景設計以及特效場景制作。

關鍵詞： ?虛擬設計; 三維模型; 舞臺場景; 場景建模; 舞臺環境渲染; 3DMAX

中圖分類號： TN919.8?34; TP391.41 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0103?04

Abstract： In order to meet the requirements of realistic and efficient stage scene design， 3DMAX is used to complete the 3D virtual stage scene modeling and virtual design. The three?dimensional model of stage scene is made by using 3DMAX multimedia production software. Firstly， the sub?models of various parts of the stage are made， the stage realistic effect is increased by material editing and texturing， and the complete three?dimensional stage scene model is obtained by combining multiple sub?models with appropriate layout and adjustment. After the 3DMAX virtual stage scene modeling is completed， it is displayed in VRP editor and the plug?in is derived by 3DMAX?for?VRP. The plug?in is used to render the stage environment on the basis of Skybox technology， and scene roles and action effects are added by means of action and role modules to realize three?dimensional virtual stage design. The experimental results show that the three?dimensional virtual stage scene designed by this method is more realistic than that made by the other similar methods， and the three?dimensional modeling performance is outstanding. This method is suitable for three?dimensional virtual scene design and special effect scene production.

Keywords： virtual design; 3D model; stage scene; scene modeling; stage environment rendering; 3DMAX

0 ?引 ?言

近幾年，計算機圖形技術不斷進步，促使虛擬現實技術的發展突飛猛進，在科學技術飛速前進的大環境下，三維虛擬現實技術和三維景觀建模技術具有廣闊的發展前景，此類技術已經涉及城市規劃、廣告設計、舞臺設計、多媒體教學等領域[1]。美國AutoDesk公司于1990年開發出了3DMAX軟件，該軟件是一種基于矢量的三維造型和動畫設計軟件，通過計算機圖形技術實現圖形處理功能，構建相應的三維模型。本文提出基于3DMAX三維虛擬舞臺場景建模和虛擬設計方法，結合VRP虛擬平臺的優勢，實現舞臺場景建模的真實感，為三維舞臺場景設計提供生動、逼真、可視化的舞臺虛擬效果。

1 ?三維虛擬舞臺場景建模和虛擬設計

針對舞臺場景進行三維建模和虛擬設計，圖1為采用3DMAX軟件進行舞臺虛擬場景建模與設計的步驟。

1） 對主舞臺進行場景建模;

2） 以舞臺設備、布幕、音響、演出道具、懸吊與更換支架系統等附件舞臺為對象構建子模型;

3） 將構建好的主舞臺模型和附件舞臺模型按照真實比例合成，并對合成后的舞臺模型進行適當調整;

4） 添加燈光對舞臺效果進行渲染;

5） 采用VRP編輯器導出合成模型，并在計算機內進行舞臺虛擬設計;

6） 采用天空盒對舞臺背景進行渲染，再通過角色模塊和動作模塊對舞臺虛擬設計圖添加角色和動作，獲取完整的舞臺虛擬設計圖。

1.1 ?3DMAX三維虛擬舞臺場景建模

1.1.1 ?復雜三維模型制作

基于3DMAX進行三維建模與虛擬設計，具有大量特殊無規律性的不規則曲面及曲線的三維模型稱為復雜模型。3DMAX在樣條曲線和曲面方面已經有成形的計算方法，實際操作過程中由于多種不確定因素的干擾[2]，采用已有的樣條曲線和曲面的計算方法不能準確獲取全部所需數據，因此針對特殊問題進行特殊分析。舞臺三維模型如圖2所示，在舞臺場景虛擬建模時，由于上方的四周需要有固定燈光的鋼網結構，而主舞臺及“十”字舞臺均為不規則曲線，因此建模時采用樣條曲線對鋼網模型進行放樣，為了接近實際的曲線形狀，要對曲線曲率進行適當調整，并對單個曲線進行桿狀實體化處理，其他部位需要在網格技術基礎上建立網格模型，相同模型無需再次生成[3]，只需采用鏡像復制。

1.1.2 ?其他附件模型的制作

三維虛擬舞臺場景設計中，除了主舞臺，還有舞臺設備、燈光、布幕、音響、演出道具、懸吊與更換支架系統等舞臺附件[4]，以上舞臺附件模型的獲取依靠Mesh，Patch和NURBS等建模工具，這些建模工具均為3DMAX的高級建模工具。包含制作完成的舞臺設備、燈光、布幕、音響、演出道具、懸吊與更換支架系統等模型的合成圖像如圖3所示。

1） 材質與燈光的設置。舞臺建模過程中添加相應材質后，制作相應的貼圖，使整個舞臺模型更具立體效果，觀感更加逼真生動。材質可以凸顯事物的特點，因此3DMAX軟件應用包含材質編輯器[5]，建立三維虛擬舞臺模型時，采用材質編輯器為模型增添圖案、文字等元素，增強對象的真實感。圖案或者文字的添加方式為：以計算機為媒介將經過Photoshop軟件處理的圖片以貼圖方式貼在三維虛擬模型表面，由此提高三維模型逼真效果。

基于3DMAX設計三維虛擬舞臺場景模型時，燈光模擬設置對于整個舞臺模型具有重要作用，除了之前提過的材質添加和貼圖設置外，燈光的合理設置也會使整個舞臺效果更加真實。不同燈光有不同的質感，自然光、人造光、環境光是較為常用的燈光類型[6]，基于3DMAX的三維虛擬舞臺場景模型設計中自然光的設置由直射燈實現，室內光照的設置由泛光燈實現，而場景照明則由環境燈實現。由于演出一般在室內或者室外夜晚情況下進行，因此本文舞臺模型設計主要采用泛光燈和環境燈兩種類型，使用多個泛光燈和環境燈對舞臺效果進行渲染，圖4為兩種類型燈照射下的舞臺效果。

2） 模型的合成。舞臺場景包含的各部分三維虛擬子模型制作完成后，對整個舞臺場景進行合成，之前各個部分的模型都是獨立完成的三維虛擬子模型，現將各個部分的子模型組合在一起[7]，布局問題和調整問題尤為重要，否則整體布局會出現不協調現象。三維虛擬舞臺場景設計的比例尺為100[∶]1，因此，三維虛擬模型合成的大小可通過真實舞臺布局尺寸、比例尺得到（包括整體舞臺模型尺寸以及各部分子模型制作尺寸）。

1.2 ?舞臺場景虛擬設計

1.2.1 ?VRP交換功能

VRP（Virtual Reality Platform，虛擬現實平臺）主要功能模塊為相機轉場特效、頂點著色、法線貼圖、VRP離子庫、天空盒、動作模塊、角色模塊以及Flash空間等[8]，支持Lua語言程序功能使得VRP編輯器更具針對性和實際應用價值，圖5為VRP交換功能圖。

由圖5可知，VRP編輯器之所以應用廣泛、效果突出，主要依賴于強大的語言編輯能力，面對多類型程序的狀況，語言編輯能力掌握是VRP編輯器交互性實現的基礎。

1.2.2 ?VRP虛擬舞臺后期優化技術

1） 場景導入。VRP編輯器利用3DMAX進行三維虛擬舞臺場景建模，將通過3DMAX制作的模型導入VRP編輯器[9]，使用3DMAX?for?VRP將插件導出，將導出后的插件加入到Utilities面板中，單擊Utilities面板工具欄中的“VRPlat?form”按鈕，出現VRPlat?form插件功能窗口，通過該功能窗口可對舞臺虛擬場景進行設計。最后，將完成的場景編譯成Exe格式文件。

2） 天空盒技術。VRP編輯器具備多種功能，天空盒技術是VRP編輯器最重要的功能之一。該技術可以對虛擬舞臺整體環境及背景進行渲染，無論是室內舞臺還是室外舞臺，都可以對舞臺場景進行設置。使用VRP編輯器展示三維虛擬場景時，可以在舞臺場景中置換天空盒，或者根據舞臺場景需求自主創建新的天空盒[10]，天空盒通常為立方體形態，并由6張通過Photoshop軟件處理的圖片或3DMAX制作的圖片組成。通過天空盒功能置換出的圖片效果與全景圖效果并無差別，因此可利用天空盒功能完成全景演示。

3） 虛擬舞臺設計的實現。舞臺虛擬設計以建模為基礎，通過3DMAX構建需要的舞臺模型，舞臺模型的創建可以通過多邊形編輯器實現，通過貼圖設置添加背景圖或者文字，完成三維虛擬舞臺場景設計的前期工作。交互實現以“事件”為介質，通過VRP編輯器將構建好的模型導入軟件中，由于VRP軟件不僅有強大的編輯功能，還包含動作模塊和角色模塊，添加角色和動作都需要這兩個模塊來實現。“原地靜止動作”“跑步動作”“跳躍動作”等都是根據需求而完成，由此實現虛擬舞臺設計。

2 ?實驗結果與分析

2.1 ?舞臺場景設計逼真程度對比

為驗證本文方法設計三維虛擬舞臺場景的效果，采用本文方法設計一款舞臺景觀。為突出本文方法設計舞臺虛擬場景的質量，采用基于Vega的舞臺虛擬設計方法、基于Web3D的舞臺虛擬設計方法與本文方法進行比較。實驗分別采用三種方法對舞臺模型的5個子模型進行虛擬仿真，表1為采用各方法設計虛擬舞臺場景逼真度對比情況。

由表1可知，采用本文方法對舞臺虛擬設計圖像的逼真度平均值比基于Vega方法舞臺虛擬設計逼真度平均值高約24.2%，相比基于Web3D的舞臺虛擬設計方法高約27.6%;本文方法設計各個子模型的逼真程度均不低于90%，發揮穩定，相對而言，本文方法設計的三維虛擬舞臺場景更加具有真實感。本文方法設計的虛擬舞臺效果如圖6所示。由圖6可知，舞臺燈光效果突出，舞臺光照分明，營造了一種真實、立體的虛擬舞臺場景。

2.2 ?建模性能對比

為突出本文方法三維建模性能的優越性，對比本文方法、基于Vega的舞臺虛擬設計方法、基于Web3D的舞臺虛擬設計方法構建三維模型的性能，性能指標包括是否具備多系統操作、頂點混合、立體繪制等功能，表2為不同方法建模性能對比結果。

由表2可知，本文方法建模過程中，具備多操作系統、頂點混合、嚴格規范、立體繪制、全屏反走樣、參數曲線曲面以及累計緩存等功能;基于Vega的舞臺虛擬設計方法建模時，不具備頂點混合功能，建模過程不符合嚴格規范;基于Web3D的舞臺虛擬設計方法不具備參數曲線和曲面，建模過程同樣不符合嚴格規范。綜上可知，本文方法建模性能突出，具備的建模功能多于對比方法，可以有效改善建模效率，呈現生動、可視化的虛擬設計效果;且具備參數曲線、曲面和累計緩存功能能夠在短時間內對虛擬模型數據進行緩存，短時間內識別虛擬模型的參數曲線和曲面，使整體設計程序快速進入運行狀態。

3 ?結 ?論

本文提出一種基于3DMAX三維虛擬的舞臺場景建模和虛擬設計方法，該方法設計舞臺虛擬場景結合VRP虛擬現實平臺功能，在該平臺中呈現所構建的三維模型，通過3DMAX?for?VRP將舞臺模型導入到VRP編輯器中，通過VRP插件的功能窗口進行舞臺場景虛擬設計，使用VRP軟件中的天空盒技術渲染虛擬舞臺整體環境及背景，通過動作模塊和角色模塊實現角色和動作添加，呈現豐富的虛擬舞臺設計效果。實驗表明，本文方法相比同類型舞臺虛擬設計方法具有真實還原的優勢，建模性能優越。3DMAX多媒體制作軟件適用于多媒體教學、廣告設計以及特效場景制作等方面，獲取的場景圖效果逼真，具有廣闊的發展前景。

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