三維寫實類建筑模型的探索和應用

李滿 游澤峰

摘 ?要：文章主要對虛擬校園制作過程中校園寫實類綠化景觀模型進行建模。利用3ds Max對低面數(shù)模型進行細節(jié)的優(yōu)化和模型的調整，對植被和公園裝飾進行實例化;利用燈光工具設置燈光的位置并調節(jié)光照強度;利用Photoshop制作相應物體的貼圖和調色;利用Forest Pack散布工具對植被和花園裝飾進行散布;最后通過調整相關的渲染參數(shù)進行渲染測試，完成公園等寫實類綠化景觀模型的建模。

關鍵詞：寫實類建筑模型;三維建模;虛擬校園

中圖分類號：TU17 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0111-04

Abstract：In this paper，the virtual campus production process of campus realistic green landscape model modeling. Using 3ds Max to optimize the details of the low facet model and adjust the model，instantiate the vegetation and park decoration;use the lighting tools to set the position of the light and adjust the light intensity;use Photoshop to make the mapping and color matching of the corresponding objects;use the Forest Pack scatter tool to scatter the vegetation and garden decoration;finally，adjust the relevant rendering parameters to render test，complete the park and other realistic green landscape model modeling.

Keywords：realistic architectural model;3D modeling;virtual campus

0 ?引 ?言

虛擬校園就是利用相關技術制作產生一個逼真的三維虛擬校園，使體驗者佩戴上有關的設備就猶如“置身”于學校的真實環(huán)境中。廣州工商學院虛擬校園項目主要是把美麗的校園景觀、建筑物、學習生活場景制作出來，生成逼真的三維虛擬校園。

在虛擬校園建設中，首先需要把現(xiàn)實校園中的各項場景進行建模。建模工作相當于建造樓房中的地基與基礎施工、主體結構施工，因此建模是虛擬校園建設中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

1 ?關鍵技術

本課題主要研究校園寫實類綠化景觀模型的建設[1]。其關鍵技術包括三維建模技術、場景優(yōu)化技術、漫游技術等[2]。

（1）三維建模技術。三維建模技術目前主要有三類：基于幾何模型的建模技術、基于圖像的建模和繪制技術以及幾何模型和圖像混合建模技術[3]。

（2）場景優(yōu)化技術。場景優(yōu)化技術是為了確保虛擬場景漫游時的實時渲染速度，對三維場景模型進行優(yōu)化處理。

（3）漫游技術。漫游技術是為了實現(xiàn)虛擬校園的漫游效果的一種技術，是通過不斷改變視點的位置，系統(tǒng)在獲得新的位置數(shù)據(jù)后修改相應的參數(shù)，以重繪三維場景來達到的一種三維動畫的效果。

2 ?設計思路

整個流程如圖1所示，其中具體建模流程如圖2所示。

首先對學院桃李園、公園等綠化景觀進行實地考察測量，使用手機拍攝場景。參照拍攝的場景，根據(jù)綠化建設圖紙上的數(shù)據(jù)繪制輪廓草圖，并標識建模工作涉及的相關位置;然后利用3ds Max進行建模，使用Photoshop進行貼圖工作，通過前期拍攝的照片，應用Forest Pack插件適當給模型添加小綠植物，并進行模型優(yōu)化;最后調整相關參數(shù)進行渲染。

3 ?寫實類模型設計

3.1 ?基礎數(shù)據(jù)采集

首先對學校綠化景觀——桃李園進行觀察并進行拍攝，通過步數(shù)測量得到大致數(shù)據(jù)記錄下來;再根據(jù)學校的綠化建設圖紙和坐標，計算出大致數(shù)據(jù)與步數(shù)測量方法得到的數(shù)據(jù)進行對比，取兩者的中間值作為建模的數(shù)據(jù)。

3.2 ?基礎建模

3.2.1 ?低面數(shù)建模

制作地基模型。寫實類建筑模型中，地基起著十分重要的作用，地基相關數(shù)據(jù)與現(xiàn)實場景參數(shù)大致相同的時候，后面所制作的模型才能和地基成比例[4]。觀察照片，通過編輯長方體制作地基模型，如圖3所示。然后對地基模型進行往下凹陷的操作做出細節(jié)，如圖4所示。

利用創(chuàng)建中線命令，畫道路大概輪廓，適當?shù)卣{整道路的位置;通過擠出命令把模型制作出來并編輯調整模型的形狀，如圖5所示。由于場景中分布有圓形圓臺和方形站臺，所以在場景中分別先擺放好方形站臺和圓形站臺，創(chuàng)建一個圓柱，調整好高度和分段數(shù)，然后通過編輯命令對圓臺進行擠出，再給圓臺添加插入命令，調整插入?yún)?shù)，再做出縫隙細節(jié)[5]。如圖6所示。

制作亭子和橋的模型。對照拍攝的照片和圖紙，制作公園中的亭子，如圖7所示。從圖片中觀察桃李園中的橋的形狀，發(fā)現(xiàn)橋型具有點古代建筑的風格，橋的欄桿有12根石墩柱子和帶裝飾的圍欄，圍欄的側面有兩個相交的菱形圖案。通過多個圖形進行超級布爾運算制作出橋模型，如圖8所示。

3.2.2 ?增加面數(shù)，細化模型細節(jié)

實際走過草地會有凹凸不平感覺，制作類似草地的凹凸不平的地形，需要對地基模型進行布線處理，然后進行拉伸。如果是把地面分離出來然后進行連接的話，地形容易出現(xiàn)分布不均勻到會影響后期地形的拉伸。所以選擇使用QuadRemesher插件對地面進行布線。

3.2.3 ?制作相關模型貼圖

把從塑膠跑道材質和瓷磚材質分別導入Photoshop中，利用濾鏡功能進行調色;再把瓷磚材質素材導入塑膠跑道材質中，擺放在塑膠跑道兩側;在瓷磚和塑膠跑道相交的地方用矩形工具畫出并填充為黑色，調整不透明度，做出間隙的效果。再次通過拾取顏色調整塑膠跑道和瓷磚的明暗程度大致相同。把其他材質，通過Photoshop中的Camera Raw調色為明暗大致相同，重新保存JPEG格式和PSD格式分別放置在貼圖文件夾中[6]。

3.2.4 ?貼圖的映射

寫實類建筑模型用于虛擬現(xiàn)實設備是為了讓使用者產生身臨其境的真實感覺，所以除了模型逼真，還要讓模型上的貼圖與現(xiàn)實中一致，才能使整個虛擬景觀與實際景觀具有一致的觀感。選擇直接進行UVW貼圖，先在Photoshop中準備好學校建筑獨有的貼圖，并進行調色。再搜集類似模型的貼圖，選擇適合的貼圖導入Photoshop中進行調色，使得搜集到的素材能與自己繪制的貼圖素材色調基本一致。先賦予模型材質，然后在創(chuàng)建修改命令中加入UVW貼圖，修改方向、大小，效果如圖9、10所示。

3.3 ?草地、樹木等裝飾的散布

搜集多種草地素材，挑選一些面數(shù)少而且美觀的草地素材，使用幾何模型和圖像混合建模技術對現(xiàn)場拍攝的草地場景進行處理使其逼真。由于場景是梯形的，先用Forest Pack工具散布草地然后平鋪布滿整個地基，再把草地被其他模型覆蓋的地方刪除，使場景變得更加流暢。桃李園屬于室外場景，室外場景的樹木、小綠植物占大部分，實際模型面數(shù)會很大，用常規(guī)方法逐一擺放會浪費很多時間，而且會由于面數(shù)過大發(fā)生卡死的現(xiàn)象。所以采用Forest Pack散布工具，它能夠以代理的形式進行散布樹木、花、路燈、石頭等元素，減少軟件崩潰的概率，保留元素原有的貼圖，而且還能調整相關的參數(shù)控制元素隨機大小、位置與方向，元素顏色漸變等功能。

3.4 ?湖水的制作

考慮到面數(shù)的多少和導入設備時會出現(xiàn)卡頓的情況，選擇做靜態(tài)水的湖面，減少渲染的時間來完善其他的細節(jié)。復制前面制作的的湖水區(qū)域作為水面并進行位置擺放，刪除多余部分。靜態(tài)湖水的水面上一般會有倒影和噪波，制作需要先考慮湖水的顏色、反射率、漫反射等，后面再給湖水部分區(qū)域添加噪波使得場景更加的自然，制作湖水材質，完成后給湖水平面賦予材質，如圖11所示。

3.5 ?天空貼圖和燈光的擺放

天空貼圖有多種方式，因桃李園是屬于室外場景，所以選擇了HDRI天空貼圖。這種貼圖方法不僅能減少面數(shù)使渲染時更加流暢，還能讓畫面更加美觀，更加貼合場景。寫實類建筑需要對意境有所追求，所以燈光的選擇尤為重要。查閱相關類似場景燈光的資料，室外環(huán)境存在兩種情況，一種是有太陽的情況下，一種是沒有太陽的情況下的自然燈光。本景觀選擇了沒有太陽的情況下的自然燈光，更能給人自然的感覺。對自然光進行光照強度、亮度、光照顏色、光照角度范圍等進行調節(jié)。多次渲染場景觀察燈光使燈光達到最佳效果。

4 ?渲染設置與測試驗證

4.1 ?渲染設置

打開V-Ray渲染器，設置畫面大小為4 000×2 000像素的尺寸;打開漸進圖像采樣器，把噪波閾值調整至0.05;打開全局DMC欄轉化為專家模式，調節(jié)噪波閾值為0.05;打開顏色映射欄把類型設置為萊因哈德;在GI欄中打開發(fā)光貼圖轉化為專家模式把當前預設設置為中等，把細分調整為80，插值采樣調整為50;打開燈光緩存欄把細分調整至1 500。在Render Elements欄中選擇VRayDenoiser作為噪波通道。

4.2 ?最終測試結果

由于面數(shù)比較大，渲染期間有可能會發(fā)生崩潰的現(xiàn)象，所以采取了部分渲染，觀察有沒有出現(xiàn)不合理的地方如亭子的柱子不對稱等問題。等各個部分渲染完畢后檢查沒有問題后再進行全部渲染，渲染效果如圖12所示。

5 ?結 ?論

通過對虛擬校園制作過程中三維寫實類建筑模型的探索和應用，了解了大場景模型制作的流程和制作方法、熟悉軟件的操作，同時也在設計中鍛煉了自己獨自思考的能力、設計能力和空間分配能力，也了解了虛擬校園的實現(xiàn)過程。

參考文獻：

[1] 秦秀偉，王艷春.虛擬校園建設及其主要應用技術 [J].農業(yè)網(wǎng)絡信息，2013（6）：102-104.

[2] 李瑛.虛擬校園建設及數(shù)字藝術化表現(xiàn)——以河西學院為例 [J].河西學院學報，2019，35（2）：98-100.

[3] 劉安琪，馮瑞，劉哲.基于3D MAX虛擬現(xiàn)實的三維城市建模應用 [J].測繪與空間地理信息，2019，42（9）：136-137.

[4] 徐旭東.三維建模方法解析 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[5] 恩維客教育.3dmax建筑建模教程 [EB/OL].（2019-04-15）.http：//www.iqiyi.com/a_19rrhsdgf1.html.

[6] 陳晨.基于3DMAX的虛擬現(xiàn)實三維建筑模型建模技術初探 [J].電子技術與軟件工程，2016（2）：94.

作者簡介：李滿（1966.12—），女，漢族，河南南陽人，副教授，本科，碩士，研究方向：計算機應用;游澤峰（1997.03—），男，漢族，廣東廣州人，本科，學士學位，研究方向：數(shù)字媒體技術。