隨著VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的快速發(fā)展，三維建模技術(shù)在其中發(fā)揮著重要的作用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心。本文研究探討了VR技術(shù)和三維建模技術(shù)，以及建模軟件3DMAX，還對(duì)VRML語(yǔ)言進(jìn)行了分析論述。

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）通過(guò)使用計(jì)算機(jī)，運(yùn)用一定的技術(shù)手段建造一個(gè)仿真的三維虛擬環(huán)境。VR技術(shù)通常具有如下的特征：

1）沉浸感。是指對(duì)象作為主角置身于虛幻世界中的逼真感受。

2）交互性。是指參與者對(duì)模擬世界中物體的可干預(yù)性以及從虛擬環(huán)境中得到效果反饋的自然程度。

3）自主性。強(qiáng)調(diào)VR技術(shù)應(yīng)該擁有廣闊的可幻想空間，能夠拓展人類(lèi)認(rèn)知的領(lǐng)域，不僅可以逼真重現(xiàn)客觀世界，還可以構(gòu)建虛幻的、甚至是奇幻的世界狀態(tài)。

當(dāng)今時(shí)代日新月異，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，VR系統(tǒng)構(gòu)建及技術(shù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已然成為時(shí)下的一個(gè)實(shí)踐性熱點(diǎn)研究課題。具體來(lái)說(shuō)，三維建模技術(shù)是VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有專(zhuān)業(yè)VR建模工具提供支撐，VR系統(tǒng)將很難成功建立。而在完成復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模擬建模時(shí)，研究中更多地使用了三維模型制作軟件。其中，3DMAX建模軟件是最趨廣泛與普及應(yīng)用的。通過(guò)利用3DMAX建造虛擬環(huán)境或物體，安裝與其相對(duì)應(yīng)的插件用于結(jié)果輸出，就能夠相對(duì)準(zhǔn)確可靠地創(chuàng)建環(huán)境模型文檔了。

虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)

在設(shè)計(jì)VR系統(tǒng)之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)虛擬環(huán)境（Environment）。在眾多因素中，視覺(jué)將關(guān)系到最為直觀和形象的用戶體驗(yàn)，所以環(huán)境構(gòu)建中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、逼真合理的呈現(xiàn)即成為至關(guān)重要的功能需求。

一旦模型建立起來(lái)，即可稱(chēng)作一個(gè)系統(tǒng)的建立。系統(tǒng)能夠擁有一個(gè)物體或是多個(gè)群體，這樣的表現(xiàn)可以構(gòu)成系統(tǒng)的模型。也就是說(shuō)，系統(tǒng)模型以一個(gè)或多個(gè)方式存在。建模最初要完成的步驟，是給系統(tǒng)擬定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬世界里存在眾多的對(duì)象物體，相對(duì)層次較為繁雜，因而必須包括其中全部涉及的對(duì)象。下面則對(duì)這一技術(shù)內(nèi)容展開(kāi)論述研究。

1.1幾何建模

三維視覺(jué)建模可細(xì)分為幾何建模（GeometricModeling）、物理建模（PhysicalModeling）、對(duì)象行為建模（ObjectBehaviorModeling）等。而在虛擬世界構(gòu)建中高效關(guān)鍵的設(shè)計(jì)手段就是幾何建模。

物體對(duì)象的幾何信息可以用幾何建模（GeometricModeling）來(lái)描述，虛幻世界中的各個(gè)對(duì)象都可由形狀和外形2個(gè)要素來(lái)構(gòu)成，而這2個(gè)要素又將分別由對(duì)象的其他因素來(lái)綜合確定。

1.1.1Polygon（多邊形）建模

Polygon（多邊形）建模是基礎(chǔ)建模技術(shù)，就是用比較少量的網(wǎng)格多邊形進(jìn)行編輯建模。運(yùn)用這種方法，需要先刻畫(huà)一個(gè)基本的規(guī)則幾何體，再根據(jù)需求進(jìn)一步修改對(duì)象細(xì)節(jié)部分，最后通過(guò)各種手段技術(shù)來(lái)營(yíng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和對(duì)象。多邊形建模的缺點(diǎn)是不能夠生成曲面，但其操作簡(jiǎn)單方便，而且時(shí)效性頗佳。polygons建模多用于游戲、動(dòng)畫(huà)等領(lǐng)域中。

多邊形包括4個(gè)基本元素：頂點(diǎn)、邊、面、紋理坐標(biāo)。

下面，本文將運(yùn)用多邊形建模技術(shù)建造一個(gè)盾牌，實(shí)現(xiàn)過(guò)程用到了多邊形建模技術(shù)中，對(duì)物體面的變換、點(diǎn)的拉伸、以及多個(gè)幾何體互相拼接的過(guò)程，模型展示如圖1～圖3所示。

1.1.2NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模

不同于多邊形建模，NURBS建模多是專(zhuān)門(mén)用來(lái)建造曲面對(duì)象。研究中可用曲線和曲面來(lái)刻畫(huà)NURBS建模對(duì)象，因此在NURBS里面建造一個(gè)銳利的邊則是不可能的完成任務(wù)。NURBS曲線的特征是可以在任意點(diǎn)上分割和合并，而Polygon的曲線卻無(wú)法做到這樣。NURBS建模通常適用于工業(yè)模型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

下面，本文即運(yùn)用NURBS建模設(shè)計(jì)一個(gè)杯子，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中將首先運(yùn)用CV曲線工具設(shè)計(jì)出杯子的曲線，如圖4所示；再通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具繪制杯子的初步模型，如圖5所示；接下來(lái)則

通過(guò)編輯曲線上的點(diǎn)來(lái)進(jìn)一步修改杯子的輪廓，以達(dá)到理想的模型效果，如圖6所示；最后得到圖7，杯子模型最終完成。

1.1.3Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）建模

Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）是近年來(lái)新興的一類(lèi)建模技術(shù)。技術(shù)中匯集了NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模和Polygon建模的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，適合搭建一些層次感豐富復(fù)雜的模型。而且，其建模工具簡(jiǎn)單，操作方便，創(chuàng)作靜幀作品時(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在對(duì)象表面的連續(xù)性問(wèn)題。刻畫(huà)到細(xì)節(jié)的時(shí)候，比如高精度的調(diào)節(jié)，就是利用level參數(shù)進(jìn)行區(qū)域性的調(diào)節(jié)。特別地，Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）能夠用于應(yīng)對(duì)要求更高的建模。

綜上，將可根據(jù)用戶的實(shí)際需求來(lái)選擇最為恰當(dāng)?shù)慕７椒ǎ绱瞬拍芸焖儆行У剡_(dá)成效果目標(biāo)。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)中的物理建模

繼幾何建模發(fā)展流行之后，另外一種建模應(yīng)運(yùn)而生，就是物理建模。物理建模重點(diǎn)取決于科學(xué)合理的動(dòng)態(tài)約束和運(yùn)動(dòng)方程的確立及求解。更改限制條件，互動(dòng)環(huán)境即可自動(dòng)解答更新的運(yùn)動(dòng)方程而且不存在顯著延遲現(xiàn)象。研究中，多是通過(guò)模擬對(duì)象的位移、碰撞檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)、表面形變等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)模型搭建。

下面將針對(duì)2種較為經(jīng)典的物理建模技術(shù)：分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)，分別給出技術(shù)綜述。

1.2.1分形技術(shù)

分形技術(shù)用來(lái)表示具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。一些復(fù)雜的不規(guī)則形狀對(duì)象的建模可以運(yùn)用自相似這種結(jié)構(gòu)。該技術(shù)最早應(yīng)用于山川及水流的地理特性建模。分形技術(shù)雖然有其操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算量過(guò)大，技術(shù)實(shí)時(shí)性也隨即降低，所以只是適用于靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模中。

1.2.2粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)屬于經(jīng)典的物理建模系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的操作即可完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的建模，由此構(gòu)成了粒子系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，粒子系統(tǒng)可以來(lái)表示焰火、流水、風(fēng)雪、大雨、瀑布等自然現(xiàn)象。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，粒子系統(tǒng)主要用于動(dòng)態(tài)的、運(yùn)動(dòng)的物體建模。

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)中的行為建模

幾何建模與物理建模相結(jié)合，僅是可以局部呈現(xiàn)出一個(gè)視覺(jué)上感受真實(shí)的畫(huà)面特點(diǎn)，而若要建造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境世界，則還需要行為建模的參與和加入。

對(duì)象的運(yùn)動(dòng)與行為描述均可以通過(guò)行為建模的方式來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)操作。行為建模能夠準(zhǔn)確貼切地描述虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，如果沒(méi)有行為模型的實(shí)效支撐，那么任何VR的構(gòu)建均不會(huì)存在任何意義。

在構(gòu)造模型時(shí)，不但要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型外觀等表現(xiàn)特性，同時(shí)更要關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)模型物理特性，進(jìn)而符合真實(shí)存在的行為習(xí)慣和應(yīng)激的能力。

如果說(shuō)幾何建模（GeometricModeling）技術(shù)主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展所得，那么，物理建模（PhysicalModeling）和行為建模（ObjectBehaviorModeling）就是多學(xué)科領(lǐng)域交叉的研究產(chǎn)物。必須結(jié)合多個(gè)領(lǐng)域的研究技術(shù)成果，才能夠建立優(yōu)質(zhì)且高端完善的行為模型。

DMAX模型在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言———VRML

VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一種能夠在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)揮影響與作用的可以構(gòu)建立體虛幻空間的仿真程序語(yǔ)言。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的用戶能夠?yàn)g覽到由VRML創(chuàng)建的3D虛幻現(xiàn)實(shí)，改變時(shí)下網(wǎng)絡(luò)與用戶應(yīng)用互動(dòng)的局限性，使得用戶與計(jì)算機(jī)的需求互動(dòng)更加便捷，從而全面展示了虛擬場(chǎng)景的沉浸性、交互性和自主性。

VRML語(yǔ)言具有描述性質(zhì)，可以構(gòu)造三維立體環(huán)境或物體。在構(gòu)造的虛擬環(huán)境中，每個(gè)場(chǎng)景均由許多的節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)、部署并構(gòu)成，因而對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概述，并且生成wrl文件。

VRML與HTML相同，可以理解為是ASCII碼的描述性的語(yǔ)言。具體來(lái)說(shuō)，就是一種碼文件，可用普通計(jì)算機(jī)中都包含的文本編輯器編寫(xiě)，還能使用VRML語(yǔ)言的專(zhuān)業(yè)編輯器來(lái)編寫(xiě)源程序。通過(guò)使用VRML，用戶可以自行構(gòu)造出符合特定需求的模擬桌面場(chǎng)景。

2.23DMAX模型在VRML中的應(yīng)用

VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）運(yùn)用節(jié)點(diǎn)搭建環(huán)境，但是用節(jié)點(diǎn)來(lái)描述模型卻難能達(dá)到具體逼真的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)效果，而且也不容易模擬包含復(fù)雜面的形體。若運(yùn)用3DMAX則能夠彌補(bǔ)這一不足。現(xiàn)對(duì)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程給出具體分析闡述。

1）用MAX模型建立VEML文件。

2）若要構(gòu)建VRML的三維立體虛幻空間，首先需要啟用3DMAX，如此，將能夠輸出VRML97的文件。點(diǎn)擊3DMAX進(jìn)入系統(tǒng)，并且使用各種建模方法搭建VR系統(tǒng)的實(shí)體化之后，就要單擊Create/Helpers，選擇VRML97；此時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)工具面板，面板上列示12個(gè)VRML輔助工具，分別是：Anchor（錨傳感器）、AudioClip（音頻剪裁板）、Background（背景）、Billboard（廣告牌）、Fog（霧）、InlineObject（在線幫助）、LOD（細(xì)節(jié)級(jí)別）、NavInfo（瀏覽信息）、ProxSensor（范圍傳感器）、Sound（聲音）、TimeSensor（時(shí)間傳感器）、TouchSensor（觸動(dòng)傳感器）；相應(yīng)地，就可添加協(xié)調(diào)輔助的工具，隨后單擊“File/Export”就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“SelectfiletoExport”對(duì)話框，點(diǎn)擊“保存類(lèi)型”的下拉列表框，選取“VRML97（*.WRL）”類(lèi)型文件，確定文件名后單擊“保存”；其后，出現(xiàn)“VRML97EXPORTER”對(duì)話框，選取系統(tǒng)默認(rèn)值，點(diǎn)擊“OK”生成一個(gè)文件，文件的后綴就是WRL。

3）將MAX模型導(dǎo)入到VRML場(chǎng)景中。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，即是先將3DMAX模型導(dǎo)出，保存為3DS格式，再合并VRML。那些運(yùn)用VRML開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的虛幻環(huán)境中，大部分實(shí)體都能夠在3DMAX中完成模型創(chuàng)建，最后獲得VRML形式的文件。比如，在建筑漫游環(huán)境里虛擬一部電梯（loft）。電梯模型可以運(yùn)用前述提及的Polygon（多邊形建模）來(lái)構(gòu)建生成，并保存為VRML格式文件。而后，可結(jié)合TouchSensor、TimeSensor和PositionInterpolator節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到電梯門(mén)拉開(kāi)與關(guān)閉的場(chǎng)景視覺(jué)效果。

結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，VR技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，不僅在教育、軍事、醫(yī)療、建筑、航空等領(lǐng)域參與了成果創(chuàng)造，而且在娛樂(lè)、制造業(yè)等方面也發(fā)揮了重要的作用。

但在這方面的研究中，仍然存在諸多不足。因此，在計(jì)算機(jī)新興技術(shù)開(kāi)拓發(fā)展的進(jìn)程中，定會(huì)有更多、更新的可行方案來(lái)解決當(dāng)下存在的研究難題，虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維建模技術(shù)也必將獲得更大的發(fā)展空間及更為可觀的應(yīng)用前景。
責(zé)任編輯人：CC