三维建模技术在建筑、景观等虚拟漫游中的应用

　　摘要：本文以3DSMAX和VRML为基本工具，以某展馆虚拟导游平台的系统设计为例，探讨了针对场馆、景点等不同景观的建模方法和漫游系统的功能实现，为利用3DSMAX和VRML相结合制作虚拟场景的漫游提供了参考。
　　关键词：三维建模；虚拟现实；园林景观
　　随着信息技术和三维建模软件的发展，虚拟现实技术己经开始广泛应用于教育、城市规划、园林景观、旅游、娱乐等众多领域。三维虚拟漫游技术是虚拟现实技术的最新发展，它实现了对三维景观和现实环境的虚拟化和数字化，从而成为互联网和计算机科学发展的重要方向之一，它以高质量、具有真实感、以及实时生成的现实环境，成为可视化、交互性视觉媒体[1]。
　　目前，基于三维建模的虚拟现实技术主要有两个范畴：一是基于三维模型和VRML的技术，二是以图像为基础的全景技术。二者均可灵活地应用于虚拟导购、导游、导医、地图指示、园林建设等各个方面[2]。本文主要围绕第一种方法展开论述。
　　1.建模软件及VRML语言简介
　　VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是虚拟现实建模语言，是一种在计算机上广泛使用的三维形体和交互环境的场景描述方式。它提供了三维建模应用系统中常用的规范和描述标准，实现了计算机虚拟现实的真实性，可以把三维、二维、脚本描述语言、文本、声音、图片等多媒体信息融合于一体，在层次转换、光源的添加、几何图形的绘制、动画的实现、材质特性的选取、纹理映射的表达等方面，都具有简单、灵活的表现方式，使信息非常便于在同一个交互式的三维系统中展现出来，产生一种全新的交互式应用。
　　VRML虽然是基于文本信息的描述，并且需要在网络上传输三维场景，但是完全可以由本地机上安装的VRML浏览器来解释并生成三维系统，这种工作机制，避免了在网络上直接传输较大的图形文件，相当于把复杂的任务交给本地机器完成，减轻了网络传输的负担，使得在网络上的快速交互式三维传输成为可能。
　　与一些专业建模软件相比，VRML的不足之处是在构造三维模型时，一般需要大量的参数，特别是在构建复杂的模型时效率降低[3]。一些三维建模、动画软件如3DSMAX在这方面则具有明显的优势，可以高效、方便地建立起真实感强烈的三维模型，并且与VRML软件具有良好的兼容性。所以，一般作法是把VRML与3DSMAX加以结合，在实现虚拟现实的动态、交互式表达方面往往能收到事半功倍的效果。就实现步骤上，这可以分为两个方面：模型的建立和漫游系统的实现。下面以某展览馆虚拟漫游的实现为例加以详细介绍。
　　2.模型库的建立
　　2.1虚拟场景的建模及整合
　　建立模型是实现三维漫游的第一步。出于人的信息感知主要来源于视觉，而虚拟现实是否能逼真地还原现实，直接影响到观察者对整个虚拟系统的沉浸感。因此，三维场景模型构造在整个系统中占有非常重要的地位。
　　三维场景建模可分为规则物体建模和不规则物体的建模。模型的外表真实感主要依靠造型时的数据真实性、表面光源的反射和纹理、贴图的真实性。根据提供的几何尺寸，结合实地观察和测量，首先要对建模的场景整体上进行宏观的定位和整合。
　　定位与整合，其实就是把单独建立的不同模型组合成一个完整的虚拟场景。一种方法是使用软件的Inline内联节点功能把场景和复杂模型导入到主文件，成为非实时的可视化编辑，每导入一个模型都要考虑其坐标值，比较麻烦。另一种做法是在3Dmax软件中布置各个模块，这是一种可视化的编辑，可以实时定位对象的空间坐标。其缺点是调试一个复杂的场景时较为困难，万一发生错误，就会引发严重的不良后果。
　　对于内部复杂的特殊物体，如花草、树木等的建模，可以利用相近的纹理贴图以提高模型的细节水平和真实感，还能大大简化造型的复杂程度。无论采用什么样的纹理,只要看起来相似就可以，不必要精确模拟。这一做法已经被广泛应用于虚拟现实系统的场景建模方面。因为对于要实时显示的VR系统来说，减少系统生成的计算量是至关重要的因素。当然，需要注意的是，图片的格式必须要采用透明处理的gif格式。
　　2.2人物和雕塑的添加
　　可以使用软件中的Billboard节点实现雕塑和人物的添加。方法是在整体坐标系统下重新生成一个新的局部坐标系，选中一个合适的旋转轴,即可在该节点下的子节点上添加虚拟对象，当观察者从不同的方位观察、行走或旋转时，对象的正面会永远自动地面对观察者[4]。总体建模效果示例如图1所示。
　　
　　图1整体建模效果示例
　　3.漫游系统的实现
　　完成了上述准备工作后，就可以通过VRML软件，进行文件格式转换和输出。
　　VRML软件中的缺省背景颜色为黑色，用户要想显示出逼真的现实效果，可以通过设置背景为SkyColor、GroundColor，二者分别为天空的颜色和地面的颜色。还可以通过Image栏设置漂亮的天空盒[5]，在Back、Bottom、Front、Left、Right、Top六个面上分别进行设置，为系统自动添加相应的贴图。通过这种六面体式的全景设置，更能够产生完美的背景效果。
　　在虚拟系统中,人的视点是通过虚拟相机来表达的。可以控制相机在虚拟空间中进行交互，相机所拍摄到的也就是用户所能看见的。VRML软件中的虚拟导航,可以用来指定相机在虚拟空间中的运动方式以及移动的速度等特性[3]。还可以指定一些距离数值，这些数值决定了在考虑碰撞检测和视点随地形起伏时的可移动范围。其第一个值是碰撞被探测出以前用户位置与碰撞几何体间的允许距离；第二个值是视点与地面应保持的距离；第三个值是相机视角可以跨越的障碍物的最高高度。通过Speed可以设定相机（观察者）在场景中漫游的速度。
　　观察者要想能够在漫游场景中自由切换，要使用Anchor节点在虚拟场景中设置导航锚点，将视点切换到另一指定视点。当用户点击锚点时，VRML浏览器将根据锚点链接所关联的VRML文件，可以很方便地在不同的虚拟空间中相互切换[3]，如图2所示（图中的蓝色箭头即为视点跳转时的锚点）。
　　
　　图2某展览馆展厅造型效果及锚点示意图
　　4.结束语
　　本文对建模及虚拟漫游技术进行了研究，限于篇幅，对碰撞检测等方面没有做深入的阐述，只是说明了构建漫游系统的关键环节，总结了相应的经验。通过虚拟漫游系统的实现，将可视化和虚拟现实技术有机地结合起来，建立了一种三维可视化的虚拟环境，场景逼真，漫游功能齐全，通过动态的交互，使用户有身临其境的真实感。
　　
　　参考文献：
　　[1]张龙．3DSMAX建模技术实例精讲[M]．北京：人民邮电出版社，2009．
　　[2]张武军，田海，尹旭日。VRML虚拟现实技术基础与实践教程[M].北京:冶金工业出版社，2008
　　[3]申蔚，曾文琪。虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社
　　[4]张善涛，姜昱明。可漫游的虚拟战场环境建模与实现[J]
　　[5]毛伟冬，唐明理．三维游戏设计师宝典[M]