基于虚拟现实的三维建模技术的研究

基于虚拟现实的三维建模技术的研究

随着VR（虚拟现实技术）的快速发展，三维建模技术在其中发挥着重要的作用，是虚拟现实技术的核心。本文研究探讨了VR技术和三维建模技术，以及建模软件3DMAX，还对VRML语言进行了分析论述。

0 引言

虚拟现实技术（VirtualReality，VR）通过使用计算机，运用一定的技术手段建造一个仿真的三维虚拟环境。VR技术通常具有如下的特征：

1）沉浸感。是指对象作为主角置身于虚幻世界中的逼真感受。

2）交互性。是指参与者对模拟世界中物体的可干预性以及从虚拟环境中得到效果反馈的自然程度。

3）自主性。强调VR技术应该拥有广阔的可幻想空间，能够拓展人类认知的领域，不仅可以逼真重现客观世界，还可以构建虚幻的、甚至是奇幻的世界状态。

当今时代日新月异，随着计算机领域相关技术的迅猛发展，VR系统构建及技术进入网络应用已然成为时下的一个实践性热点研究课题。具体来说，三维建模技术是VR系统的基础，如果没有专业VR建模工具提供支撑，VR系统将很难成功建立。而在完成复杂的虚拟现实场景的模拟建模时，研究中更多地使用了三维模型制作软件。其中，3DMAX建模软件是最趋广泛与普及应用的。通

过利用3DMAX建造虚拟环境或物体，安装与其相对应的插件用于结果输出，就能够相对准确可靠地创建环境模型文档了。

1 虚拟现实建模技术

在设计VR系统之前，首先需要创建一个虚拟环境（Environment）。在众多因素中，视觉将关系到最为直观和形象的用户体验，所以环境构建中，实时动态、逼真合理的呈现即成为至关重要的功能需求。

一旦模型建立起来，即可称作一个系统的建立。系统能够拥有一个物体或是多个群体，这样的表现可以构成系统的模型。也就是说，系统模型以一个或多个方式存在。建模最初要完成的步骤，是给系统拟定一个标准，虚拟世界里存在众多的对象物体，相对层次较为繁杂，因而必须包括其中全部涉及的对象。下面则对这一技术内容展开论述研究。

1.1 几何建模

三维视觉建模可细分为几何建模(GeometricModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、对象行为建模(ObjectBehaviorModeling)等。而在虚拟世界构建中高效关键的设计手段就是几何建模。

物体对象的几何信息可以用几何建模(GeometricModeling)来描述，虚幻世界中的各个对象都可由形状和外形2个要素来构成，而这2个要素又将分别由对象的其他因素来综合确定。

1.1.1 Polygon（多边形）建模

Polygon（多边形）建模是基础建模技术，就是用比较少量的网格多边形进行编辑建模。运用这种方法，需要先刻画一个基本的规则几何体，再根据需求进一步修改对象细节部分，最后通过各种手段技术来营建虚拟现实的场景和对象。多边形建模的缺点是不能够生成曲面，但其操作简单方便，而且时效性颇佳。polygons建模多用于游戏、动画等领域中。

多边形包括4个基本元素：顶点、边、面、纹理坐标。

下面，本文将运用多边形建模技术建造一个盾牌，实现过程用到了多边形建模技术中，对物体面的变换、点的拉伸、以及多个几何体互相拼接的过程，模型展示如图1～图3所示。

1.1.2 NURBS（非均匀有理B样条曲线）建模

不同于多边形建模，NURBS建模多是专门用来建造曲面对象。研究中可用曲线和曲面来刻画NURBS建模对象，因此在NURBS里面建造一个锐利的边则是不可能的完成任务。NURBS曲线的特征是可以在任意点上分割和合并，而

Polygon的曲线却无法做到这样。NURBS建模通常适用于工业模型、产品设计。

下面，本文即运用NURBS建模设计一个杯子，在设计实现中将首先运用CV 曲线工具设计出杯子的曲线，如图4所示；再通过旋转工具绘制杯子的初步模型，通过编辑曲线上的点来进一步修改杯子的轮廓，以达到理想的模型效果，

1.1.3 Subdivision（细分表面技术）建模

Subdivision（细分表面技术）是近年来新兴的一类建模技术。技术中汇集了NURBS（非均匀有理B样条曲线）建模和Polygon建模的特点和优势，适合搭建一些层次感丰富复杂的模型。而且，其建模工具简单，操作方便，创作静帧作品时是个不错的选择。

Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在对象表面的连续性问题。刻画到细节的时候，比如高精度的调节，就是利用level参数进行区域性的调节。特别地，Subdivision（细分表面技术）能够用于应对要求更高的建模。

综上，将可根据用户的实际需求来选择最为恰当的建模方法，如此才能快速有效地达成效果目标。

1.2 虚拟现实中的物理建模

继几何建模发展流行之后，另外一种建模应运而生，就是物理建模。物理建模重点取决于科学合理的动态约束和运动方程的确立及求解。更改限制条件，互

动环境即可自动解答更新的运动方程而且不存在显著延迟现象。研究中，多是通过模拟对象的位移、碰撞检测、旋转、表面形变等方面来实现模型搭建。

下面将针对2种较为经典的物理建模技术：分形技术和粒子系统，分别给出技术综述。

1.2.1 分形技术

分形技术用来表示具有自相似特征的数据集。一些复杂的不规则形状对象的建模可以运用自相似这种结构。该技术最早应用于山川及水流的地理特性建模。分形技术虽然有其操作简单的优点，但是计算量过大，技术实时性也随即降低，所以只是适用于静态远景的建模中。

1.2.2 粒子系统

粒子系统属于经典的物理建模系统。简单的操作即可完成复杂运动的建模，由此构成了粒子系统。在虚拟现实中，粒子系统可以来表示焰火、流水、风雪、大雨、瀑布等自然现象。在虚拟现实中，粒子系统主要用于动态的、运动的物体建模。

1.3 虚拟现实中的行为建模

几何建模与物理建模相结合，仅是可以局部呈现出一个视觉上感受真实的画面特点，而若要建造一个逼真的虚拟环境世界，则还需要行为建模的参与和加入。