解析3DS MAX建模技术在虚拟现实的应用

解析3DS MAX建模技术在虚拟现实的应用
虚拟现实(VR即Virtual Reality)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。

它充分利用计算机硬件与软件资源的集成技术,提供了一种实时的、三维的虚拟环境(Virtual Environment),使用者完全可以进入虚拟环境中,观看计算机产生的虚拟世界,听到逼真的声音,在虚拟环境中交互操作,有真实感,可以讲话,并且能够嗅到气味。

虚拟现实技术可以广泛应用于各个领域,这些领域包括仿真建模、计算机辅助设计与制造、可视化计算、遥控机器人、计算机艺术、先期技术与概念演示、教育与培训、数据和模型可视化、娱乐和艺术、设计与规划及远程操作等。

虚拟现实具有以下三个基本特征:沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination),即通常所说的“3I”。

(1)沉浸是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境之后,由于他所看到的、听到的、感受到的一切内容非常逼真,因此,他相信这一切都“真实”存在,而且相信自己正处于所感受到的环境中。

(2)交互是指用户进入虚拟环境后,不仅可以通过各类先进的传感器获得逼真的感受,而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。

如搬动虚拟环境中的一个虚拟盒子,甚至还可以在搬动盒子时感受到盒子的重量。

(3)构想是由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰富的联想,它是获取沉浸感的一个必要条件。

建模是虚拟现实技术的关键技术之一,虚拟现实中的建模方法有两类:一是基于3D图形学的方法,利用计算机图形学技术进行虚拟环境的建模和渲染;二是基于图像的方法,运用多视角、全景或任意方向的图像来产生虚拟的环境。

基于图像的绘制技术是目前最常用的图像建模技术,生成图像的质量独立于场景的复杂性。

基于计算机图形的方法通常能提供较高的交互性,但由于建模和渲染计算的复杂性,以及为了保证实时计算和生成质量较好的图像,该方法对软硬件的要求较高。

基于图像方法可以克服复杂场景3D建模的困难,并且可以使用真实世界中的图像提供更丰富的细节,比较容易得到与真实环境相近的效果。

但是却不能提供很好的交互性。

本研究通过3DS MAX软件作为建模工具,谈下其在虚拟现实技术中的作用。

三维建模是三维设计的第一步,是三维世界的核心和基础,没有好的模型,其它效果都难以表现。

3DS MAX具有多种建模手段,除了内置的几何体模型、对图形的挤压、车削、放样建模以及复合物体等基础建模外,还有多边形建模、面片建模、NURBS建模等高级建模。

建模的基本技术包括如下几个方面。

1 内置模型建模
内置模型建模是将系统提供的标准的几何体和扩展几何体进行组合搭建而成一个三维模型,这是3DS MAX三维建模技术中最基本、最简单的一种建模方法。

3DS MAX系统内部提供有标准几何体和扩展几何体,利用它们可以搭建简单的模型,同时也是创建复杂模型的基础,通过对内置模型的编辑可以创建出难以想象的复杂模型。

2 多边形建模
多边形建模技术是最早采用的一种建模技术,它的原理很简单,就是用小平面来模拟曲面,从而制作出各种形状的三维物体,小平面可以是三角形、矩形或其他多边形,但实际中多是三角形或矩形。

使用多边形建模可以通过直接创建基本的几何体,再根据要求采用修改器调整物体形状或通过使用放样、布尔运算、曲面面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品。

多边形建模的主要优点是简单、方便和快速,但它难于生成光滑的曲面,故而多边形建模技术适合于构造具有规则形状的物体,如大部分的人造物体,同时可根据虚拟现实系统的要求,仅仅通过调整所建立模型的参数就可以获得不同分辨率的模型,以适应虚拟场景实时显示的需要。

3 NURBS建模
NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines(非均匀有理B样条曲线)的缩写,它纯粹是计算机图形学的一个数学概念。

NURBS建模技术是最近几年来三维动画最主要的建模方法之一,特别适合于创建光滑的、复杂的模型,而且在应用的广泛性和模型的细节逼真性方面具有其它技术无可比拟的优势。

但由于NURBS建模必须使用曲面面片作为其基本的建模单元,所以它也有以下局限性:NURBS曲面只有有限的几种拓扑结构,导致它很难制作拓扑结构很复杂的物体(例如带空洞的物体);NURBS曲面片的基本结构是网格状,若模型比较复杂,会导致控制点急剧增加而难于控制;构造复杂模型时经常需要裁剪曲面,但大量裁剪容易导致计算错误;NURBS技术很难构造“带有分枝的”物体。

4 细分曲面技术
细分曲面技术是近几年才引入的三维建模方法,它解决了NURBS技术在建立曲面时面临的困难,它使用任意多面体作为控制网格,然后自动根据控制网格来生成平滑的曲面。

细分曲面技术的网格可以是任意形状,因而可以很容易地构造出各种拓扑结构,并始终保持整个曲面的光滑性。

细分曲面技术的另一个重要特点是“细分”,就是只在物体的局部增加细节,而不必增加整个物体的复杂程度,同时还能维持增加了细节的物体的光滑性。

但由于细分曲面技术是一种刚出现不久的技术,对它的支持还显得不完善,还不能完成一些十分复杂的模型创作。

有了以上3DS MAX几种建模方法的认识,就可以在为虚拟现实系统制作相应模型前,根据虚拟现实系统的要求选取合适的建模途径和方法,多快好省的完成虚拟现实的作品的制作。

在虚拟现实作品制作的时候应当遵循一个原则:在能够保证视觉效果的前提下,尽量采用比较简单的模型,而且若能够用参数化方法构建的对象尽量用参数化方法构建,同时,在模型创作过程中,对模型进行分割,分别建模,以利于在虚拟现实系统中进行控制和操作。

参考文献
[1] 蔡红霞,胡小梅.虚拟仿真原理与应用[M].上海大学出版社.
[2] 宋毅.3ds max 2009建模实例精解[M].北京希望电子出版社.。