成表皮的褶皱且易于产生各种变形体可专用于表情变形动画的制作面片建模自身工具很简单但要熟练使用还必须掌握样条线的高难度编辑面片自身的空间编辑等因此对于使用者的空间感要求很高 - * 建模特别适合于复杂的不规则表面的建模工作它使用解析运算方式来计算曲面计算速度快而且曲面边缘异常光滑

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足禾邢
7 years ago
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1 第章三维建模技术及相关软件虚拟现实技术将数字图像处理计算机图形学多媒体技术传感与测量技术仿真与人工智能等多学科融于一体为人们建立起一种逼真的虚拟的交互式的三维空间环境虚拟现实系统能对用户的操作做出实时准确的响应使人仿佛置身于现实世界之中想要构建栩栩如生的虚幻世界必须具备真实准确的三维模型本章将简要介绍虚拟现实中的三维建模技术及常用建模软件 %/ 9 的使用方法虚拟现实中的三维建模技术虚拟环境的建模是整个系统建立的基础主要包括几何建模 " 运动建模 " " 物理建模 + / " 对象特性建模 6; +) 以及模型切分 * " " 等虚拟现实系统中的建模手法与传统 72. 及动画建模基本相同但又具有其特殊性主要体现在控制三维模型的面数上由于要实时运行三维模型因此过多的面数势必降低系统的运行效率影响观看效果通常在控制模型面数的操作上有以下准则删除看不见的面例如建筑物的底面减少不必要的分段数例如地面使用 = 的分段使用贴图而不是增加几何造型复杂度来提高真实感另外不同的虚拟现实制作工具会对三维模型提出各自不同的要求因此具体工作中还必须根据所使用的后期制作工具优化三维模型几何建模几何建模手段集中于三大类型即多边形建模面片建模和 - * 建模多边形建模是比较传统的建模方法也是目前发展最为完善和广泛的一种方法在目前主流的三维软件中基本上都包含了多边形建模的功能多边形建模方法对于建筑游戏角色制作尤为适用它可以直接使用多种多边形建模工具制作点面分割或创建新面等面片建模是指基于面片栅格的建模方法它是一种独立的建模类型面片建模是在多边形建模基础上发展起来的它解决了多边形表面不易进行平滑编辑的难题可以使用类似于编辑? 曲线的方法编辑曲面面片建模的优点在于用于编辑的顶点很少非常类似于 - * 曲面建模但是没有 - * 要求严格只要是三角形和四边形的面片都可以自由地拼接在一起面片建模擅长于生物建模不仅容易制造出光滑的表面而且容易生

2 成表皮的褶皱且易于产生各种变形体可专用于表情变形动画的制作面片建模自身工具很简单但要熟练使用还必须掌握样条线的高难度编辑面片自身的空间编辑等因此对于使用者的空间感要求很高 - * 建模特别适合于复杂的不规则表面的建模工作它使用解析运算方式来计算曲面计算速度快而且曲面边缘异常光滑可以用它做出各种复杂的曲面造型来表现特殊的效果例如精确的工业曲面人的面部造型流线型的跑车等因此掌握 - * 曲线及曲面的创建和编辑方法对制作复杂的三维场景有很大帮助如果运用得当则可以达到无限自由的创作境界近年来随着先进的数字化仪器及设备不断投入实际应用计算机辅助下的几何建模技术已经从最初费时费力的手动建模发展到包括三维扫描仪基于图像的建模与绘制 ( 等多种方法在内的三维建模建模对象也从简单的几何体发展到比较复杂的人脸肢体发丝等甚至可以完成对流体的建模三维扫描仪及其对人脸的扫描效果如图 % 所示图 % 三维扫描仪及其扫描效果运动建模在虚拟环境中物体的特性还将涉及位置改变碰撞捕获缩放表面变形等因此仅仅完成静态三维几何模型的创建对虚拟现实项目来说还是不够的运动建模将帮助我们解决这一系列问题具体包括如下内容对象位置物体位置包括物体移动旋转缩放在中不仅要关注绝对坐标也要注意三维对象的相对坐标通常每个对象都被赋予一个坐标系统称为对象坐标系统该坐标系统的位置随物体的移动而改变碰撞检测在虚拟现实系统中常常要检查对象 2 是否与对象碰撞例如用户的手是否已触到了虚拟的球碰撞检测需要计算两个物体间的相对距离如果要对两个物体上的每一个点都做碰撞计算则要花费大量时间因而许多系统在实时计算中只采用矩形边界检测以节省时间物理建模虚拟对象物理建模包括定义对象的质量重量惯性表面纹理硬度形状改变模式等这些特性与几何建模结合起来形成更加真实的三维模型

3 对象特征建模前面所提到的建模是关于对象几何特征及物理特性的建模此外还可以建立与用户输入无关的对象特征模型假定有一个虚拟的办公室墙上有钟表窗口有温度计桌上有日历本时间和日期将随计算机系统的时间而改变温度也将随外部温度计与计算机相连而显示当时的实际温度每当用户走入办公室时时钟日历和温度计数据都将根据实际环境而改变这一切使得虚拟环境具有一定程度的智能体现出建模中对象特征建模的作用模型的分割与优化现实场景经过几何建模与物理建模之后得到的通常是一个非常复杂的模型大量的多边形使渲染速度非常缓慢从而降低系统的交互速度因此有必要进行模型的分割与优化例如单元分割变化细节和分辨率显示离线计算以及内存管理技术等这些操作将提高系统运行的实时性能三维建模技术在计算机软硬件光学等技术与设备的不断发展与促进下已经得到快速的发展零部件的设计与分析生物医学工程等领域的需求促使三维建模技术在精度上不断提高历史文化保护电影及艺术等领域又对三维建模技术的真实感表现提出了更高的要求此外建模过程更趋向于使用简单的设备和手段来满足不同应用层次的需求三维建模技术研究应该由现在不断追求具有更高精度看起来更加真实的静态模型发展向未来能够模拟现实世界各个对象间相互作用的动态模型进而更加有效地辅助人们探索事物发展规律的研究虚拟现实建模工具在虚拟现实中模型的建立是整个虚拟系统构建的基础虽然使用!7 及 60"! 等语言可以编写出三维交互式的虚拟现实应用系统但程序设计必须要从最基本的代码开始例如创建一个球体一个立方体等这样做不仅费时费力而且对于结构较为复杂的场景建模几乎是无能为力通常的做法是使用某种平台或集成工具帮助制作虚拟现实场景中的三维模型并使应用系统的开发在已有建模软件的基础上进行目前用于虚拟现实系统的三维建模软件有许多种比较有代表性的是 %/ 9 "7 及 *0/ 0, 等本节将以 %/ 9 为例进行讲解认识 % (/ %/ 9 是美国 2 /# 公司推出的功能强大的三维设计软件也是当前世界上销量最大的一种用于三维动画和虚拟现实建模的工具软件它集三维建模材质制作灯光设定摄像机使用动画设置及渲染输出于一身提供了三维动画及静态效果图全面完整的解决方案面对周围同类产品的竞争 %/ 9 不断提升自身功能逐步向高端软件层次发展在游戏开发广告制作建筑效果图和漫游动画市场中占据了主流地位自版开始 %/

4 9 被分割成了两个产品线一个是用于游戏及影视制作的 %/ 9 另一个是用于建筑工业设计及视觉效果设计的 %/ 9./ "%/ 9 的./ " 版中包含了 %/ 9 除 *. 外的所有功能而且还拥有用于模拟和分析阳光天空及人工照明的技术这使 %/ 9 的应用范围更具有针对性便于用户选择适合自己的产品目前该软件的最新版本为 %/ 9 图 % 与 %/ 9./ " 相比和 * 8 *( 等高端软件而言 %/ 9 更容易掌握制作的思维方式也更简单学习资源相对来说更丰富因此适合作为虚拟现实项目开发的三维建模工具软件图 % %/ 9 随着软件版本的不断升级除了软件的功能得到升级之外对于硬件和系统的要求也会相应提高运行 %/ 9 的推荐配置如下操作系统 1" /'1" //1" / 8// "* 或更高版本 7 -(" " 3 或者 "$3 或更快的处理器内存建议使用硬盘的硬盘交换空间建议使用显卡支持硬件加速的 60"! 和. %. 鼠标 %. 光电鼠标在 %/ 9 中创建虚拟现实场景的工作流程如图 % % 所示图 % %%/ 9 的工作流程 % (/ 的用户界面和视口导航 %/ 9 有着非常友好的用户界面加上面向对象的操作方式用户很容易熟悉它的操作方法 %/ 9 的用户界面如图 % 3 所示界面主要分为菜单栏主工具栏视口命令面板及各种控制工具区

5 !* 应用程序*按钮!+R快速访问工具栏!7R信息中心!QR菜单栏!8R主工具栏!6R命令面板象类别!.R卷展栏!-R视口导航控件!/,R动画播放控件!//R动画关键点控件 9R对态栏!/7R:PZBM#"H$ 迷你侦听器!/QR轨迹栏!/8R时间滑块!/6R视口 /+R状 /R) 图7>Q!71G:&W+,/, 用户界面菜单栏在用户界面的上方是菜单栏"与I"41;2G操作系统的大多数程序一样"菜单中包含了程序几乎所有的命令$71G:&W+,/, 一共有/+ 个菜单"同时还具有子菜单或多级子菜单$ 图7>8 所示为打开子菜单的操作$!" 图7>8!71G:&W+,/, 中的下拉菜单

6 ! 提示 " 对于具有快捷键的命令在命令后面会显示相应的快捷键例如渲染到纹理命令的快捷键是数字键使用快捷键是提高在 %/ 9 中建模效率的重要手段之一主工具栏 %/ 9 将各种常用工具进行分类整合到不同的工具栏中在用户界面顶部的主工具栏主要包括使用频率较高的操作和控制类工具如图 % $ 所示其中的按钮如表 % 所示图 % $ 主工具栏表. 主工具栏按钮图标名称图标名称选择并链接取消链接选择绑定到空间扭曲选择对象从场景选择选择区域窗口交叉切换选择并移动选择并旋转选择并缩放切换使用中心选择并操纵键盘快捷键覆盖切换 %. 捕捉角度捕捉切换百分比捕捉切换微调器捕捉切换编辑命名选择集镜像对齐层管理器石墨建模工具曲线编辑器图解视图材质编辑器渲染设置渲染帧窗口渲染! 提示 " 单击右下角带有三角形标记的图标还将弹出与其功能类似的一组功能选项另外在 3='$ 的分辨率下无法显示所有主工具栏中的工具可以通过手形工具进行拖动显示视口视口是 %/ 9 的主要操作区域所有对象的变换和编辑都是在视口中进行的默认界面主要显示顶视图前视图左视图和透视图用户可以在这四个视口中以不同的角度观察场景默认视口布局如图 % ' 所示

7 !" 图7>9! 默认视口布局视口是71G:&W 中的一个窗口"而视图则是一种显示方式"例如顶视图%前视图%左视图及透视图$ 视口可以进行切换"从而显示不同的视图$ 在视口的左上角标签处右击"可以打开视图快捷菜单"从中可选择进行视图切换的命令"如图7>. 所示$ 示4! 按住P'$键和鼠标中键进行拖动"可以在视口中旋转视图"仅按住鼠标中键!! 3提拖动则完成平移视图的操作$ 令面板 &"命命令面板位于用户界面的右侧"由创建%修改%层次%运动%显示和工具6 个子面板组成" 如图7>- 所示$ 图7>.! 视图快捷菜单图7>-! 命令面板

8 其他在视口的下方有轨迹栏 2 * 0 迷你侦听器状态栏动画和时间控件以及视口控制工具等通过这些工具用户可以更好地创建和控制场景相关工具如图 % 所示图 % 其他控制工具轨迹栏轨迹栏提供了显示帧数的时间线这对于移动复制和删除关键点以及更改关键点属性的轨迹视图提供了一种便捷的替代方式 2 * 0 迷你侦听器 2 * 0 迷你侦听器分为粉色和白色两个文本框粉色的文本框是宏录制器文本框白色文本框是脚本文本框可以在这里创建脚本 % 状态栏侦听器的右侧是状态栏提供有关场景和活动命令的提示和状态信息例如使用缩放工具时系统提示单击并拖动以选择并缩放对象均匀地再右侧是坐标显示区域可以在此输入变换值 3 动画控制及时间控件位于窗口底部状态栏和视口导航控件之间是用于在视口中进行动画播放的时间控件 & 视口控制工具主要用于控制当前活动视口也可以针对场景对象同时控制所有视口! 提示 "%/ 9 是单文档应用程序这意味着一次只能编辑一个场景可以多次运行 %/ 9 建议在每个实例中打开一个不同的场景但这样做将需要大量的 2 要获得最佳性能仅打开一个实例对场景进行操作 % (/ 中创建对象标准三维模型的创建 %/ 9 自带了种标准几何体的三维模型如图 % 所示标准几何体建模是三维建模的基础无论是多么复杂的模型都可以被分解为多个标准几何体同样用简单的几何体也能建立出精细复杂的模型下面举例说明如何建立标准几何体模型! 例." 创建长方体具体操作如下单击创建命令面板上的几何体按钮选择长方体按钮在视图中按住鼠标左键拉出一个矩形后释放左键完成长方体底面的创建 % 在上下方向移动鼠标确定物体的高度释放左键完成长方体的创建 3 在参数卷展栏中修改长方体的长度宽度高度及分段数如图 % 所示 & 在名称和颜色文本框中可以更改模型的名称及颜色属性具体参数如下

9 !$ 图7>//! 标准基本体的三维模型图7>/+! 长方体参数面板立方体&创建类型为标准正方体模型$ 方体&可以建立任意形状的长方体$ " 长盘输入&利用键盘输入I%J%K 坐标以及长%宽%高数值来建立更为精确的长 " 键方体$.宽.高度度度&设置长方体的长度%宽度%高度值$ " 长段数&分段数影响模型的精度"分段数越多"面片数越多"模型精度也越高$ " 分示4! 如果模型是用于建筑"最好将单位设置为真实世界的计量单位"选择菜单!! 3提 )自定义*. )单位设置*. )公制*中的厘米或毫米等单位$ "

10 ! 例." 创建球体具体操作如下单击创建命令面板中的几何体按钮选择球体按钮在视图中按住鼠标左键拖动到适当的位置后释放完成球体的创建 % 在参数卷展栏中可以选中轴心在底部复选框将球心移至底端如图 % % 所示! 提示 " 这样设置可以模拟球体弹跳时轴心点在底端的效果图 % % 创建轴心在底部的球体 3 选中启用切片复选框设置切片结束位置为效果如图 % 3 所示图 % 3 切片为的球体 & 将半球参数设置为 4& 此时球体变为半球如图 % & 所示具体参数如下半径设置球体的半径分段分段数影响模型的精度分段数越多面片数越多模型精度也越高平滑是否对球体进行平滑处理半球数值范围从到控制半球的高度切除挤入半球系数不为时可使用用于设置半球的网格划分类型启用切片启用切片后可以利用切片起始位置及结束位置参数控制球体切片的大小轴心在底部默认状态下球体的轴心在中心选中后轴心在球体底部

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