电脑知识与技术

浅析虚拟仿真系统的三维模型构建应用

作者:佚名 来源:电脑知识与技术 202009期 时间:2020-08-01

摘要:虚拟仿真校园漫游技术是虚拟技术其中的一支分支。虚拟仿真是依靠计算机软硬件的强大支持才得以实现。虚拟仿真离不开三维模型的支持,三维模型不仅应用于影视动画、建筑设...

摘要:虚拟仿真校园漫游技术是虚拟技术其中的一支分支。虚拟仿真是依靠计算机软硬件的强大支持才得以实现。虚拟仿真离不开三维模型的支持,三维模型不仅应用于影视动画、建筑设计和工业设计中,越来越多的应用于人工智能、游戏、3D打印、教育等新兴产业。该文通過阳光学院虚拟仿真校园漫游系统来研究三维模型的创建和优化,以及三维模型在虚拟仿真技术中的应用模式。

关键词:虚拟仿真;校园漫游;三维模型

中图分类号:TP311文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2020)09-0224-04

1 引言

根据《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》(教高函[2018]5号)和《教育部办公厅关于开展2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知》(教高厅函[2018145号)精神[1]。以及虚拟现实(Virtual Realitv)、增强现实( Augmented Reality)和混合现实(Mixed RealitV)等技术的大力发展,更加离不开三维技术的支持,利用三维模型能够更好地向用户展示实验室内容和更加真实的场景。因此,三维建模技术的应用范围越来越加广泛和被人们所重视。

其中,在大中小学校中课堂上越来越多使用虚拟仿真技术,可以让学生更加容易理解和吸收课堂知识,通过虚拟仿真技术可以减少实验失误和资源的浪费,提高实验效率和质量。本文通过以阳光学院虚拟仿真校园漫游系统为例,利用Uni-ty3D软件具备较高系统运行效率、操作和维护简单等特点,运用3ds Max和Maya建模软件进行阳光学院校园场景模型的创建,使用Photoshop软件来进行阳光学院校园模型材质设计和绘制。分析三维模型在构建过程存在的问题及优化。阳光学院虚拟仿真校园漫游系统开发流程可分为阳光学院校园数据的收集、整理收集到的材料、创建校园模型、模型的优化、模型

2 阳光学院校园建筑模型构建实践

2.1 阳光学院建筑的数据收集与整理

虚拟仿真校园漫游系统的设计要求对三维场景必须具有比较高的真实感场景,要实现比较逼真的阳光学院三维校园场景。首先要获取比较精准的阳光学院校园建筑数据和校园场景数据,校园建筑数据主要的获取方式是自身进行实地调研拍照取样。通过单反相机和航拍设备对阳光学院整体的校园环境及建筑三视图进行拍摄,从而获取完整校园建筑和校园环境图像视频材料数据。实地调研阳光学院校园建筑分布、位置以及建筑使用功能,例如:平面图、CAD图纸;收集学校的发展历史、校园文化等资料,并整理收集到各项数据和材料,为后面三维模型的创建和Unity3D开发提供数据参考,以此提高模型比较高逼真感和校园建筑简介完整性。

由于阳光学院是依山而建的学校,学校的建筑呈现阶梯形的每一栋楼层各不相同。因此每一栋建筑都必须从多个不同角度进行拍照,利用航拍设备拍摄各栋建筑屋檐的结构,以及收集校园建筑的平面图和CAD图纸,并对校园建筑相关数据的测量。收集到的数据越详细越能够设计更加真实的三维校园模型,也为后期模型的材质贴图、Unity3D设计校园地形系统提供有用数据材料支持,增加虚拟校园漫游系统的真实感和视觉效果[2]。所以在收集校园场景数据时必须实地去观察每一栋建筑,以及通过航拍设备获取校园地貌俯视图,如图2所示。

2.2 三维校园模型的创建

2.2.1 校园建筑结构分析

三维模型是整个虚拟仿真校园漫游系统不可缺少的一部分[3]。三维模型的优劣将会影响整体虚拟仿真校园漫游系统视觉艺术效果和体验效果,在构建校园建筑三维模型之前,需要了解阳光学院建筑的三视图、门窗、楼层及外观,由于学校建筑并不对称,每一栋建筑外观又各不相同,如图3所示,因此只有实地的了解各个建筑特点和结构,才能让模型更具真实感,从而避免不必的错误。在创建校园模型所采用的建模方法是多边形建模,多边形建模是发展最为完善和应用比较广的建模方法,目前市场上主流三维模型建模软件大部分都包括了多边形建模的功能,其在建筑、游戏和人物角色等模型应用非常广泛。在Maya软件多边形样式下可以创建的基础模型有球体、圆柱体、平面、立方体、圆环和圆锥体等模型。

2.2.2 模型创建的参照分析

三维模型的创建方法主要是参照建筑图,CAD图纸和视频。因此对拍摄的校园建筑视频和照片要求要有比较高的像素,高像素的视频和照片才能更好地观察每一栋建筑的细节,特别建筑的门窗以及墙面的整个结构,因为学校建筑的门窗比较多,如学校文科楼过多的门窗容易导致模型的穿帮,所以应当获取高像素的图片和视频创建模型参考,以及在创建门窗模型时尽可能地使用复制功能,这样保证相同门窗的大小形状一样,才能使其更加符合且比较真实的三维建筑模型,如图4所示。

2.2.3 模型构建方法分析

学校的每一栋建筑外观各不相同,在创建校园整体建筑模型中,最容易出现模型与坐标轴不一致,就会导致创建模型的难度加大以及模型不够精细。以阳光学院图书馆为例,可以先将图书馆模型分为前后两部分。以图书馆钟楼为分界点分别进行模型设计,使前后两部分模型的平行于X轴或Z轴。并选择其中一部分模型进行创建组,让模型的坐标在模型中心,然后进行模型旋转到适合的位置,如图5和图6所示。经由此方式建模不仅可以降低创建模型的难度,还可提高模型精细和建模的效率。

2.2.4 三维模型的创建方法

三维模型的创建要先对整栋的建筑进行系统性的分析,了解学校建筑结构分析前期收集到的数据。根据分析出来的结论进行构思出模型比较合理的建模方式,在整个校园模型的建立过程中主要使用建模的方式是通过参照图片、CAD图纸和视频来进行建模的。在Maya软件主要应用到的建模功能有挤出、缩放、加线、切面、焊接、布尔和创建组合等方法,如图7所示。阳光学院虚拟仿真校园漫游系统建筑模型主要创建模型有行政楼、音艺楼、图书馆、文科楼、信息实验楼、计算机基础实验楼、土木工程实验楼、丁科楼和学校东区操场等模型。由于每一栋建筑各不相同,虽然建筑建模方式相似,主要都是使用立方体基础模型进行构建,通过挤出、添加点线面等工具进行创建模型,如图8所示。

3 三维校园模型的优化

校园建筑模型的优化,不仅仅能够提高漫游系统的性能,也降低在设计制作过程中设备损耗,从而提高电脑运行速度。首先在模型的创建过程中往往会为了加快建模的速度,正常情况下不会过多地去在意模型那些多余且没用的点线面,然而这些点、线、面最终都会影响到后面一系列的操作,使运行的Ma-ya和Unity3D软件变得比较卡顿,甚至会导致整个软件或电脑系统的崩溃。

其次三维模型优化的前提是要保持原来的模型的整体结构不发生改变,不影响模型的最终的视觉效果与体验效果。因此在创建模型的过程中应当注意到不要让模型产生无用的点、无用的线和无用的面,要时时刻刻的做到能删掉的点线面绝不保留着。由于模型随着面数的增加,需要存储的数据也随之的增多,必将导电脑性能降低,从而降低模型创建的效率,也会影响到模型整体风格。

最后在整个创建三维模型的过程中应当时时刻刻铭记着少用球体、圆环等点线面数比较多的模型。创建的模型应在整体构造不发生改变的情况下要做到模型的精简化,创建圆柱体模型是应当减少线面数,圆柱体的顶面和底面最好只用一个面,这样既不影响模型整体效果,又能减少不必要的存储数据。部分模型可以根据需要使用Maya软件里smooth(光滑)来进行优化,从而模型更加的仿真感、更加的符合现实场景。

场景模型的优化可以根据各自的需求进行细节上优化,可利用Maya软件所提供功能进行优化,通过点与点焊接、删掉多余的点线和模型的合并,以此来更加精细的来优化模型,模型的效果图,如图9所示。

4 三维模型构建关键问题分析

4.1 模型的正反面

模型的创建过程中往往会被忽略模型存在着正反面关系的,三维模型在制作动画时往往可以忽略模型的正反面,因为不会影响到整体动鬲的视觉和画面的效果。但要是作为游戏的场景模型或角色模型时就会产生巨大的影响。如果模型出现反面在Unity3D上显示就出现穿帮的效果,会影响到整个漫游系统仿真性,如图10所示。

因此必须避免所有的建筑模型出现反面,一旦发现有模型有反面应当及时更正,以Maya三维软件为例,通过Maya软件里面Reverse功能进行面的反转。可以事先在Maya软件上的视图窗口关闭双面显示,以此来查找是否有反面出现,如果有反面出现则会显示出黑色模型,反之则没有,如图11所示。

4.2 模型的导出导入

模型的导入导出是整个创建校园模型最为关键的步骤,模型导出一旦出错将会无法在后面进行材质贴图和Unity3D软件使用。首先需要先将模型导出后缀名为obj格式的文件,选择比较复杂和点线面比较多的模型进行模型的导出。经由un-fold3d软件对三维模型进行展UV,将完成展UV的模型再次到Maya或3ds Max软件来进行模型材质贴图。由于建模软件保存的模型文件格式并不能直接应用到Unity3D软件上,而是需要进行格式的转换。因此可以将已经完成材质贴图的模型并且已经没有问题的模型通过Maya或者3ds Max软件将模型导出符合Unity3D格式的后缀名为FBX或OBJ的文件。最后将后缀名为FBX或OBJ的文件导人Unity3D软件进行检测导出的模型是否能在Unity3D软件中正常的使用。

5 结论

本文是基于Unity3D阳光学院虚拟仿真校园漫游系统,利用Maya、3ds Max、Photoshop、Unity3D等软件进行开发设计。使用Maya与3ds Max软件创建阳光学院校园建筑场景三维模型,用Photoshop软件来设计校园模型所需材质贴图,通过Unity3D软件和C#编程语言来实现阳光学院的校园漫游以及交互功能。主要探讨的是基于虚拟校园漫游系统的三维模型构建的研究,本文主要说明了三维模型的构建方法,相关的技术支持。通过需求分析和数据收集调研,分析该系统的实施方法和步骤。

本文简述了虚仿真校园漫游系统开发设计的有关知识理论和相关的技术,说明了系统开发设计所需使用到的各类软件工具,侧重說明了虚拟仿真校园模型的创建方法。依据校园建筑各有不相同的特点,通过使用Maya和3DS Max软件所提供的不同方法进行学校三维模型的创建。依据建筑的不同的结构选择最好的方法进行模型的创建,为了使模型更加的贴合实际建筑,尽可能地选择比较适宜的建模方法。

参考文献:

[1]教育部办公厅关于开展2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知一中华人民共和国教育部政府门户网站http://www. moe. gov. cn/srcsite/A08/ s7945/s7946/ 201808/t20180810_344990.html

[2]温宏凯.数字校园的智能导航与同步全景漫游系统[C].中国自然科学博物馆协会、浙江省现代设计法研究会.全国首届数字(虚拟)科技馆技术与应用学术研讨会论文集,中国自然科学博物馆协会、浙江省现代设计法研究会:浙江省科学技术协会,2007:140-146.

[3]黄颖.基于Unity3D虚拟现实技术的岳麓书院3D漫游设计[D].长沙:湖南大学,2016.

[4]王琦.Autodesk Maya 2015标准教材[M].北京:人民邮电出版社.2014:20-314.

[5]王彩玲,刘瑞香,宋钊.基于Unity3D的虚拟校园漫游的设计与实现[J].科技视界,2015(5):36-38.

[6]汪俊峰,王星东,段智永.基于Unity 3D的虚拟校园漫游系统的实现设计分析——以河南工业大学校园设计为例[J].河南科技,2016(17):45-47.

【通联编辑:梁书】

作者简介:王江华(1994-),男,福建安溪人,助理实验师,学士,研究方向:三维模型在游戏中的应用与设计。

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