淺析虛擬仿真系統的三維模型構建應用

摘要：虛擬仿真校園漫游技術是虛擬技術其中的一支分支。虛擬仿真是依靠計算機軟硬件的強大支持才得以實現。虛擬仿真離不開三維模型的支持，三維模型不僅應用于影視動畫、建筑設計和工業設計中，越來越多的應用于人工智能、游戲、3D打印、教育等新興產業。該文通過陽光學院虛擬仿真校園漫游系統來研究三維模型的創建和優化，以及三維模型在虛擬仿真技術中的應用模式。

關鍵詞：虛擬仿真;校園漫游;三維模型

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0224-04

1 引言

根據《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函[2018]5號）和《教育部辦公廳關于開展2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知》（教高廳函[2018145號）精神[1]。以及虛擬現實（Virtual Realitv）、增強現實（ Augmented Reality）和混合現實（Mixed RealitV）等技術的大力發展，更加離不開三維技術的支持，利用三維模型能夠更好地向用戶展示實驗室內容和更加真實的場景。因此，三維建模技術的應用范圍越來越加廣泛和被人們所重視。

其中，在大中小學校中課堂上越來越多使用虛擬仿真技術，可以讓學生更加容易理解和吸收課堂知識，通過虛擬仿真技術可以減少實驗失誤和資源的浪費，提高實驗效率和質量。本文通過以陽光學院虛擬仿真校園漫游系統為例，利用Uni-ty3D軟件具備較高系統運行效率、操作和維護簡單等特點，運用3ds Max和Maya建模軟件進行陽光學院校園場景模型的創建，使用Photoshop軟件來進行陽光學院校園模型材質設計和繪制。分析三維模型在構建過程存在的問題及優化。陽光學院虛擬仿真校園漫游系統開發流程可分為陽光學院校園數據的收集、整理收集到的材料、創建校園模型、模型的優化、模型

2 陽光學院校園建筑模型構建實踐

2.1 陽光學院建筑的數據收集與整理

虛擬仿真校園漫游系統的設計要求對三維場景必須具有比較高的真實感場景，要實現比較逼真的陽光學院三維校園場景。首先要獲取比較精準的陽光學院校園建筑數據和校園場景數據，校園建筑數據主要的獲取方式是自身進行實地調研拍照取樣。通過單反相機和航拍設備對陽光學院整體的校園環境及建筑三視圖進行拍攝，從而獲取完整校園建筑和校園環境圖像視頻材料數據。實地調研陽光學院校園建筑分布、位置以及建筑使用功能，例如：平面圖、CAD圖紙;收集學校的發展歷史、校園文化等資料，并整理收集到各項數據和材料，為后面三維模型的創建和Unity3D開發提供數據參考，以此提高模型比較高逼真感和校園建筑簡介完整性。

由于陽光學院是依山而建的學校，學校的建筑呈現階梯形的每一棟樓層各不相同。因此每一棟建筑都必須從多個不同角度進行拍照，利用航拍設備拍攝各棟建筑屋檐的結構，以及收集校園建筑的平面圖和CAD圖紙，并對校園建筑相關數據的測量。收集到的數據越詳細越能夠設計更加真實的三維校園模型，也為后期模型的材質貼圖、Unity3D設計校園地形系統提供有用數據材料支持，增加虛擬校園漫游系統的真實感和視覺效果[2]。所以在收集校園場景數據時必須實地去觀察每一棟建筑，以及通過航拍設備獲取校園地貌俯視圖，如圖2所示。

2.2 三維校園模型的創建

2.2.1 校園建筑結構分析

三維模型是整個虛擬仿真校園漫游系統不可缺少的一部分[3]。三維模型的優劣將會影響整體虛擬仿真校園漫游系統視覺藝術效果和體驗效果，在構建校園建筑三維模型之前，需要了解陽光學院建筑的三視圖、門窗、樓層及外觀，由于學校建筑并不對稱，每一棟建筑外觀又各不相同，如圖3所示，因此只有實地的了解各個建筑特點和結構，才能讓模型更具真實感，從而避免不必的錯誤。在創建校園模型所采用的建模方法是多邊形建模，多邊形建模是發展最為完善和應用比較廣的建模方法，目前市場上主流三維模型建模軟件大部分都包括了多邊形建模的功能，其在建筑、游戲和人物角色等模型應用非常廣泛。在Maya軟件多邊形樣式下可以創建的基礎模型有球體、圓柱體、平面、立方體、圓環和圓錐體等模型。

2.2.2 模型創建的參照分析

三維模型的創建方法主要是參照建筑圖，CAD圖紙和視頻。因此對拍攝的校園建筑視頻和照片要求要有比較高的像素，高像素的視頻和照片才能更好地觀察每一棟建筑的細節，特別建筑的門窗以及墻面的整個結構，因為學校建筑的門窗比較多，如學校文科樓過多的門窗容易導致模型的穿幫，所以應當獲取高像素的圖片和視頻創建模型參考，以及在創建門窗模型時盡可能地使用復制功能，這樣保證相同門窗的大小形狀一樣，才能使其更加符合且比較真實的三維建筑模型，如圖4所示。

2.2.3 模型構建方法分析

學校的每一棟建筑外觀各不相同，在創建校園整體建筑模型中，最容易出現模型與坐標軸不一致，就會導致創建模型的難度加大以及模型不夠精細。以陽光學院圖書館為例，可以先將圖書館模型分為前后兩部分。以圖書館鐘樓為分界點分別進行模型設計，使前后兩部分模型的平行于X軸或Z軸。并選擇其中一部分模型進行創建組，讓模型的坐標在模型中心，然后進行模型旋轉到適合的位置，如圖5和圖6所示。經由此方式建模不僅可以降低創建模型的難度，還可提高模型精細和建模的效率。

2.2.4 三維模型的創建方法

三維模型的創建要先對整棟的建筑進行系統性的分析，了解學校建筑結構分析前期收集到的數據。根據分析出來的結論進行構思出模型比較合理的建模方式，在整個校園模型的建立過程中主要使用建模的方式是通過參照圖片、CAD圖紙和視頻來進行建模的。在Maya軟件主要應用到的建模功能有擠出、縮放、加線、切面、焊接、布爾和創建組合等方法，如圖7所示。陽光學院虛擬仿真校園漫游系統建筑模型主要創建模型有行政樓、音藝樓、圖書館、文科樓、信息實驗樓、計算機基礎實驗樓、土木工程實驗樓、丁科樓和學校東區操場等模型。由于每一棟建筑各不相同，雖然建筑建模方式相似，主要都是使用立方體基礎模型進行構建，通過擠出、添加點線面等工具進行創建模型，如圖8所示。

3 三維校園模型的優化

校園建筑模型的優化，不僅僅能夠提高漫游系統的性能，也降低在設計制作過程中設備損耗，從而提高電腦運行速度。首先在模型的創建過程中往往會為了加快建模的速度，正常情況下不會過多地去在意模型那些多余且沒用的點線面，然而這些點、線、面最終都會影響到后面一系列的操作，使運行的Ma-ya和Unity3D軟件變得比較卡頓，甚至會導致整個軟件或電腦系統的崩潰。

其次三維模型優化的前提是要保持原來的模型的整體結構不發生改變，不影響模型的最終的視覺效果與體驗效果。因此在創建模型的過程中應當注意到不要讓模型產生無用的點、無用的線和無用的面，要時時刻刻的做到能刪掉的點線面絕不保留著。由于模型隨著面數的增加，需要存儲的數據也隨之的增多，必將導電腦性能降低，從而降低模型創建的效率，也會影響到模型整體風格。

最后在整個創建三維模型的過程中應當時時刻刻銘記著少用球體、圓環等點線面數比較多的模型。創建的模型應在整體構造不發生改變的情況下要做到模型的精簡化，創建圓柱體模型是應當減少線面數，圓柱體的頂面和底面最好只用一個面，這樣既不影響模型整體效果，又能減少不必要的存儲數據。部分模型可以根據需要使用Maya軟件里smooth（光滑）來進行優化，從而模型更加的仿真感、更加的符合現實場景。

場景模型的優化可以根據各自的需求進行細節上優化，可利用Maya軟件所提供功能進行優化，通過點與點焊接、刪掉多余的點線和模型的合并，以此來更加精細的來優化模型，模型的效果圖，如圖9所示。

4 三維模型構建關鍵問題分析

4.1 模型的正反面

模型的創建過程中往往會被忽略模型存在著正反面關系的，三維模型在制作動畫時往往可以忽略模型的正反面，因為不會影響到整體動鬲的視覺和畫面的效果。但要是作為游戲的場景模型或角色模型時就會產生巨大的影響。如果模型出現反面在Unity3D上顯示就出現穿幫的效果，會影響到整個漫游系統仿真性，如圖10所示。

因此必須避免所有的建筑模型出現反面，一旦發現有模型有反面應當及時更正，以Maya三維軟件為例，通過Maya軟件里面Reverse功能進行面的反轉。可以事先在Maya軟件上的視圖窗口關閉雙面顯示，以此來查找是否有反面出現，如果有反面出現則會顯示出黑色模型，反之則沒有，如圖11所示。

4.2 模型的導出導入

模型的導入導出是整個創建校園模型最為關鍵的步驟，模型導出一旦出錯將會無法在后面進行材質貼圖和Unity3D軟件使用。首先需要先將模型導出后綴名為obj格式的文件，選擇比較復雜和點線面比較多的模型進行模型的導出。經由un-fold3d軟件對三維模型進行展UV，將完成展UV的模型再次到Maya或3ds Max軟件來進行模型材質貼圖。由于建模軟件保存的模型文件格式并不能直接應用到Unity3D軟件上，而是需要進行格式的轉換。因此可以將已經完成材質貼圖的模型并且已經沒有問題的模型通過Maya或者3ds Max軟件將模型導出符合Unity3D格式的后綴名為FBX或OBJ的文件。最后將后綴名為FBX或OBJ的文件導人Unity3D軟件進行檢測導出的模型是否能在Unity3D軟件中正常的使用。

5 結論

本文是基于Unity3D陽光學院虛擬仿真校園漫游系統，利用Maya、3ds Max、Photoshop、Unity3D等軟件進行開發設計。使用Maya與3ds Max軟件創建陽光學院校園建筑場景三維模型，用Photoshop軟件來設計校園模型所需材質貼圖，通過Unity3D軟件和C#編程語言來實現陽光學院的校園漫游以及交互功能。主要探討的是基于虛擬校園漫游系統的三維模型構建的研究，本文主要說明了三維模型的構建方法，相關的技術支持。通過需求分析和數據收集調研，分析該系統的實施方法和步驟。

本文簡述了虛仿真校園漫游系統開發設計的有關知識理論和相關的技術，說明了系統開發設計所需使用到的各類軟件工具，側重說明了虛擬仿真校園模型的創建方法。依據校園建筑各有不相同的特點，通過使用Maya和3DS Max軟件所提供的不同方法進行學校三維模型的創建。依據建筑的不同的結構選擇最好的方法進行模型的創建，為了使模型更加的貼合實際建筑，盡可能地選擇比較適宜的建模方法。

參考文獻：

[1]教育部辦公廳關于開展2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知一中華人民共和國教育部政府門戶網站http：//www. moe. gov. cn/srcsite/A08/ s7945/s7946/ 201808/t20180810_344990.html

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[5]王彩玲，劉瑞香，宋釗.基于Unity3D的虛擬校園漫游的設計與實現[J].科技視界，2015（5）：36-38.

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【通聯編輯：梁書】

作者簡介：王江華（1994-），男，福建安溪人，助理實驗師，學士，研究方向：三維模型在游戲中的應用與設計。