基于虚拟现实的三维建模研究

2016-03-13中国煤炭科工集团有限公司

电子世界 2016年15期

关键词：虚拟现实事物建模

中国煤炭科工集团有限公司　王　嘉

基于虚拟现实的三维建模研究

中国煤炭科工集团有限公司王嘉

通过介绍虚拟现实与三维建模的关系，本文展开了对其技术发展的描述，列举了其主要的建模方法与工具，研究基于虚拟现实的三维建模应用。

虚拟现实；三维模型；建模方法

一、基于虚拟现实的三维建模剖析

1.虚拟现实与三维建模

虚拟现实（VR）的涵义便是一个被现代科学创造出来的虚幻世界，通过计算机电子信息采集与生成能力以及网络系统的强大计算能力，能够模拟出一个与现实相似的真实环境。用户可以在其中体验到诸多信息：如视、听、触，并且可以通过自身感受而改变自己的状态进行事件的触发。

其中关键的技术便是三维建模，它是虚拟现实存在的核心，广泛应用于各个领域，不论是娱乐游戏还是身临其境的影视或是模拟训练的军事医疗，都离不开它。与此同时，计算机软硬件的更新换代让虚拟现实得以普及，然而其中涉及到三维技术仍是一个待以突破的难关，要创造一个虚拟现实系统首先要拥有一个可以提供应用的虚拟环境，应包含三维视觉、听觉等信息。而在所有信息中，人最为依赖最先直观接触的便是视觉，其所能被接受的信息量最为丰富，相对应反馈的行动也最为迅速及时，一个良好的三维模型应当能够拥有进行逼真的动态效果，因此一个与现实接近的三维模型是整个系统中首要目标。

2.三维建模的发展

三维建模的应用软件虽然在我国起步没有占据优势，但是快速的技术提高发展让其逐渐与国际接轨。由早期特殊工作站上对于硬件要求苛刻、本身就价值百万的昂贵三维建模技术到如今小型集体甚至个人都能拥有的高端三维建模，其在不断普及。当然相比其他普通技术，其对硬件的要求仍是较高。［1］

如今VR概念成为世界技术发展的一个新高潮，拥有着广大辉煌的前景。三维建模正在逐渐应用到娱乐生产行业，首先是作为如今第三服务业占据经济发展巨大地位的娱乐方面，其在3D视频的发展取得了巨大的成果，平面化的电影通过三维建模技术让人情不自禁地代入其中，种种内容丰富、画面逼真的3D游戏也为人们精神世界带来了慰藉与趣味。VR在娱乐方面虽然还没有广泛应用，但是其少量高端应用带来的良好反响与效果让许多人期待其技术的提高而带来的普及。若能足不出户而体验世界美景，能够在千里之遥的地方真实感受实体商店中的服饰乃至其他各种商品，这一切都将对世界带来绝大的变革。

而在工业方面，各大行业制造商都都早已运用到三维建模技术，许多汽车、飞机制造巨头在车间运用其模拟数据从而更好地探索制造工业并预测成品效果。在军事方面，三维建模所营造出来的虚拟场景将是军队训练的一个新型平台，可以在其中试验新型战术或秘密武器，在虚拟现实中训练飞行员的飞行技术、练习射击和进行格斗演练。同时三维建模在立体地图方面的应用让其在指挥作战时更加精准合理。在医疗方面，三维建模通过对各种病理案例的模拟可以使医生增长更多经验与手艺，并且在培训医学生方面有了更加丰富的操作体验。三维建模的发展将带动虚拟现实走向各行各业。

二、虚拟现实中三维建模的技术方法

1.常用方法

在虚拟现实中，三维建模的方法大致可以分为三类。第一类是几何建模，几何体通多若干个的组合排列几乎可以构成世界上一切有形的物体，不论是精密的人体或是风格多样的建筑都可作为几何信息加工处理。因此其也是三维建模中最先被应用和广泛传播的建模方法，它基于两点出发——从体素与结构的交互形成。体素是事物的基本组成单位，划分了系统能够应用的建模范围，而结构则是对于体素的排列组合成具体形状。层次结构是几何建模结构中较为常用的组合，其主要通过对数据的集合进行树状型划分排列成一层层事物。举个例子，若要建模一个医院，首先要划分出各个大型科室如外科、内科、急诊科、儿科等等，这些便属于一个层次，然后在对内科进行建模，又可分为诸如眼耳鼻喉等各个小型就诊区间，每个区间中有哪些医疗设备，这样一层层的划分便形成了整个三维建模。层次结构的几何三维建模不但使系统中各个环境事物的统一性清晰并且又可单独分离就行修改操作灵活方便。

第二种方式便是物理建模，其考虑基础是事物的物理性质，在粒子系统的构造与系统分形技术的结合下实现三维建模。其系统分形能够对于一类拥有相同性质的形似事物进行整体描述，例如在对大型山河建模时，往往通过三角形或四边形随机勾取一个地形，旋即在模型上选取各边中点再对其进行分离，为每一个分离点规定一个量值，通过技术推测便能得到一个颇为真实的山河模型。［2］对于没有具体形状并且结构复杂的事物，还有那些巨大的处于静态中的事物，往往通过该方式进行三维建模。

第三方法则是与众不同的行为建模。若上述两种建模方式是虚拟现实物体存在的基础，那么行为建模就是其灵魂。在VR中，几何建模赋予事物外形特征，物理建模赋予其各种性质，而行为建模就给予了事物真正存在的自主能力。在世界上真实的事物不会只是一堆死物，行为建模让其遵循着事物运行的基础规律进行各种活动与反应。如一具人体模型，他需要进行吃喝运动，要拥有行动与表达能力，其身体内部也在不停地进行着各种循环，这样的三维建模无疑是高难度的，也是明显优于其他建模方法的。作为多学科技术体现综合，在复杂系统中行为建模有着很好的效果。

2.常用工具

虚拟现实的对于建模逼真的要求标准很高，因其对环境要进行真实的模拟，实效性的变换条件让其相应地产生了专业的建模语言和软件。在三维数字技术迅猛发展的今天，许多应用商研发出了许多各具特色的三维建模软件。

本文首先介绍其基本专业语言VRML，其作为应用最为广泛的界面HTML的三维模拟，通过对于事物三种维度的描述来导出其3D行为。其中最为基础简单的便是Vrml Pad工具，通过定义专属的节点集合来创造合适的对象模型，往往用来在静态事物呈现效果增强与可视动画行为的补充脚本。［3］然而其操作起来相对困难繁琐，在大型虚拟现实的三维建模中几乎不被使用。为了应付这种情况，诞生了许多方便的制作软件来进行复杂的三维建模创作其合适的场景模型行为。最早传播的软件是

3DMAX，其能够直接安装所队形的场景输出控件，迅速建立其模型文本。在基本的功能外，它拥有更加先进的曲面细分技术更好地实现实时渲染，在诸多曲面工具中其能够根据具体情况选择不同的技术，其中NURBS技术使用地最为广泛，在设计制作模型时更有优势。如今三维建模软件更加丰富，像catia、ug、AutoCAD等软件也拥有着许多独特功能。在开发选择软件时，相关人员应充分了解所需要的模型难易程度与其功能特点，应当以提高三维建模效果为第一准则选择适当的工具从而加强其场景交互。在分割图形时，大多要对其进行映射和纹理处理，这时可以采用IBR技术。而在几何建模中的工具选择，可以在网格、多边形、曲线等各有针对性的几何方法进行建模。其中最为复杂的NURBS工具在综合系统诸如生物、器官等事物建模时功能针对性尤为强烈，需要操作人员拥有扎实的技术基础。