虚拟现实技术三维建模

虚拟现实技术三维建模（共10篇）

虚拟现实技术三维建模 篇1

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是最近几年才出现的高新技术, 简称为VR, 它是实时三维计算机图形技术、广角立体显示技术、跟踪技术等多种技术的综合。虚拟现实技术之所以能够让使用的人感觉到身如其境是因为它利用电脑模拟技术产生了三维空间的虚拟世界, 这个虚拟的世界可以给使用的人提供听觉、视觉、触觉等感官模拟。虚拟现实技术现在广泛的被应用于医学、军事航天、室内设计、工业仿真、游戏、娱乐等领域, 它对人类的生产、生活以及科技发展提供了非常大的作用。本文主要分析虚拟现实中Open GL三维图形建模方法。

2 Open GL三维建模方法

Open GL是近几年发展起来的三维图形标准, 以其卓越的性能、强大的功能和调用的方便被广泛的应用于三维图形应用程序的接口和底层图形库。在世界上几家大的计算机公司的全力倡导下Open GL现如今已经发展成为国际三维图形标准。Open GL三维建模方法主要包括分割重组法、曲面合成法、三角形拼接法和利用面向对象技术进行三维图形建模等方法。

2.1 分割重组法

拆分和重组是分割重组法生成宏观物体的最基本的两个步骤。

2.1.1 拆分

图1是对一个旋转物体进行纵平面切分, 切分是时候要保证好每两个切面之间的回转体是柱体或者锥体, 为了方便重组和提高绘制速度在切分的时候要根据物体的具体形状选择好适当的切分点, 这样才能保证切分之后的物体变得规则、简单。切分后的物体可以组成多边形、椭圆形、圆形等多种切分面, 拟合成多边形之后找出适合的多边形, 这时就能够确定出重组物体所需要的长方体侧面数。

2.1.2重组

寻找图形对象的点、线、面的过程就是重组的过程。还以图1锥体为例来说明重组的过程, 把Ⅰ截面和Ⅱ截面的各个顶点编好号然后逆时针方向连接两个面的所有对应点, 以此来形成我们所需要的图形。图2当中的切面Ⅰ、切面Ⅱ, 以及由切面Ⅰ、和切面Ⅱ对应的各个线段连接而成的侧面组成了封闭的台柱体, 对这些柱体进行绘制就能够得到旋转体的三维图形。

2.2曲面合成法

在虚拟建模当中经常会制作闭合曲面、光滑曲面等, 比如说制作地球、被子、盘子等物体造型。在建造曲面模型的时候我们可以根据成熟的Bezier、NURBS等样条曲面理论结合Open GL强大的功能来完成这类曲面的制作。下面是利用Bezier曲面构造仿真对象的具体步骤:

(1) 把所构的物体沿着它本身的对称轴线剖分成几个对称的部分, 接着只需要对一个或者几个部分进行曲面的构造并镜像。

(2) 按照所选择的部门来进行相似多边形的选择, 保证好多边形的顶点位于曲面外围, 在曲面的凹凸极点位置必须要有控制点, 控制点的数量在曲面变化急速的地方多, 在曲面变化平缓的地方比较少。

(3) 接下来是调整好多边形的位置, 让它适合曲面的形状

(4) 对封闭曲面来说, 在曲面的结合处要安排好相同的控制点, 这样才能够保证好曲面连接平滑。

2.3 三角形拼接法

在虚拟建模中对于岩石、冰川、人体器官等形状复杂、棱角突出的物体的建模时采用最为广泛的是三角形拼接法。三角形拼接法以其容易实现图形变化多端的特点广泛的应用于大地勘探、海洋测量、飞行控制等领域。下面重点来说说三角形拼接算法和局部三角形的重构。

2.3.1 三角形拼接算法

计算可删除顶点、删除顶点和局部三角形重构是三角形拼接算法中的三个关键步骤, 可删除顶点的判别方法主要是根据定义先判别出顶点是边界顶点、复杂顶点还是简单顶点, 如果是边界顶点的话则使用点到线的距离来简化标准, 直线是用来连接两个边界顶点;如果是复杂顶点的话就是不可删除的顶点;如果是简单顶点的话则可以根据点到面的距离来简化标准, 判断的方法和边界顶点一样, 对那些可以删除的顶点对其进行删除。

2.3.2 局部三角形重构

在仿真三维地景的显示当中一般需要使得地面景物在不同的时刻具有不同的细节, 比如在飞行仿真当中当飞行的高度不同时俯瞰的地面景象也要有所变化, 在高度升高的时候地面变得粗糙, 在高度下降的时候地面变得精微。三角形的增删能够实现同一处地形三角形网格由疏到密或者由密到疏的变化过程, 如图3所示。

2.4 利用面向对象技术进行三维建模

传统图形建模方法一般都是利用现有的软件资源来逼真的描述所需要的实体景物, 在构件实体的过程中由于整体规模的庞大一般需要编制非常多的语句来实现, 模型一旦建立大部门都是不能够重复利用, 这就导致了每次仿真模型的建立都需要重新进行这么繁琐的重建工作。但是利用面向对象技术来进行三维模型的建立就不存在传统图形建模的问题, 它抓住了仿真模型的本身特点, 把所要解决的问题列为主要的对象, 这些主要对象单元不仅可以构成一幅画面, 而且单元本身又是独立存在的实体。下图是利用面向对象技术进行图形对象组建的过程。

图4形象的变现出了新图形对象的组建过程, 而且从上图我们可以看出如果建立一个丰富多彩的图元系统的话就可以通过多个图元的组合衍生出各种各样复杂的新的仿真图形对象。

3 结束语

通过对虚拟现实中Open GL三维建模方法进行简单的分析研究之后我们发现虚拟现实以及它的建模技术有着非常大的发展前景。我国已经有一部分科研院所对这个领域有所研究, 相信在不久的将来我国在这方面的技术一定能够赶上世界水平, 把虚拟现实中的三维建模技术广泛应用于我们现实的生产生活当中。

参考文献

[1]王红兵.虚拟现实技术—回顾与展望[J].计算机工程与应用.2010 (01)

[2]张茂军著.虚拟现实系统[M].科学出版社, 2009

[3]娄渊胜.朱跃龙.黄河.张党胜.基于虚拟现实技术的实时漫游系统研究及实现[J].计算机工程.2011 (06)

[4]孙长勇.虚拟现实中三维建模技术方法的分析与研究[D].解放军信息工程大学, 2004年

[5]李国松.虚拟现实 (VR) 技术在风景园林规划与设计中的应用研究[D].中南林业科技大学, 2007年

[6]苏妍晓.基于虚拟现实的道路场景建模与交通仿真应用研究[D].山东师范大学, 2011年

基于航测的数字城市三维建模技术 篇2

关键词：航测;数字城市;三维建模

引言：三维模型由于其在城市规划、地籍管理、旅游、交通及环境仿真等领域显示出了巨大的潜力，已成为众多领域研究的热点。三维模型是以三维的手法进行建模，模拟出一个三维的建筑场景效果。规划者可以模拟在数字场景中任意游走驰骋、飞行缩放，达到一种惟妙惟肖、变化多姿的动态视觉效果。利用数码航摄仪进行数字航空摄影，获取以满足大比例尺成图要求的影像资料;以测区已有的控制点为依据、进行像片控制测量;空三加密获取内业测图所需要的方位元素和加密点坐标;数据采集按内业立体模型定位采集，应保证数据的完整性、正确性，不应断缺、遗漏、移位。此类采集数据经过外业人员现场定性定位调绘，内业缩檐，房屋矫正及加注楼层信息和新增建筑物尺寸编辑等。获得精确的三维DLG数据。

虚拟三维数字实际上就是三维景观的可视化，它易于解译，这是具有大地坐标的三维景观，能确定对象间的空间关系，在事件发生前模拟或者预演，更易于决策，不需要到实地去就可以到真实的环境中浏览。基于航测的数字城市建模主要有两类：一是基于机载摄影测量系统。它是通过立体像对来实现测区三维景观的真实重现，其优点是可快速重建测区范围内所有建筑三维模型、地形地貌三维景观。二是基于近景摄影测量三维建模技术。该技术从三维信息获取的速度、可靠性及灵活性上来说，能够满足绝大多数的实际需求。但是，其效果在很大程度上依赖于三维建模算法的设计，而且算法大都比较复杂，需要较多的计算资源。

在目前的虚拟三维现实系统中，三维建模基本都是采用DEM和DOM叠加获得三维模型，主要是由于DEM和DOM获取方法的不同而有所区别，对于大面积的区域，如果要求精度不高，我们可以采用卫星遥感影像和通过立体采集的DEM;而对于精度要求较高的区域，需采用摄影测量的方法获取DEM和DOM，该方法生成的产品精度高，但成本也较高;随着激光雷达技术（Lidar）和高分辨率卫星影像的出现，我们可以直接利用Lidar直接获取DEM，该方法是一种新型的获取三维模型的方法，它通过发射大量的激光束，得到模型表面的“点云”，再使用专门的软件由“点云”生成三维模型，该方法简单、测量速度快，且具有实时处理能力，在获取DEM的同时，我们可以同步获取影像图，该方法是目前最快也是精度最高的获取DEM和DOM的方法，但使用LIDAR的费用也是最高的，适合于对精度要求非常的项目的建模，主要还是城市等地物相对密集区，不适合采用常规方法进行测量。随着高分辨率传感器的出现，通过QuickBird、WorldView Ⅰ、WorldView Ⅱ等卫星获取高分辨率的影像以及立体像对，也能满足1：5000比例尺的要求。随着测绘新技术和计算机技术的快速发展，建模方法也会越来越多，对不同的需求，应采用不同的建模方法。

一般通过地形测量和航空摄影测量分别获取地物的各点、线、面的平面和高度空间坐标，再利用航测的立体像对采集地物的高度和顶部结构，结合实地采集纹理，采用建模平台生产模型。一般量测实景三维精度一般在分米级，具有技术成熟、精度较高、成本较高、仪器设备可与常规测量工程共用等特点，是目前“数字城市”地理空间框架建设三维建模部分用得较多的方式.通过地形测量或大分辨率影像获取地物的平面空间位置，通过楼层数结合推断的层高估算建筑等地物高度，再根据实地采集的照片修改地物的细部结构和高度，形成位置、大小、高度相对正确的模型成果。分析应用展示三维的精度一般为米级，有技术要求不高，建模效率高，成本适中的特点，现多用在部分源数据缺乏，投入有限，主要用于展示、一般分析、搜索、定位的“数字城市”建设项目中，为政府和民众提供较完整，较真实，能跑动，直观的数据参考.找准不同城市的三维模型生产的精度定位，首先要根据开展三维模型建设城市的自身情况，从用处、用法、经费、数据基础、后期升级几方面进行调研和评估，再结合软件、硬件、网络等条件，完成精度的分析和定位，再根据精度定位制定数据标准和工作方案.

通过全数字航测工作站对三维实景立体模型进一步编辑，能够得到每一景立体模型的衍生数字化成果产品：数字高程地表模型（DEM）、数字正摄影像（DOM）。航测人员将每一景立体模型的数字高程地表模型、数字正摄影像进行分幅拼接，获得架空输电线路全线的大场景数字高程地表模型、数字正摄影像图数据。将二者配准、叠加，最终创建线路全线大场景立体实景模型。

基于全数字航测工作站的三维线路实景漫游平台，将大场景立体模型于线路全线坐标数据进行叠合，产生三维实景架空线路漫游模型。在三维实景架空线路漫游模型中，线路上的各个铁塔被建模，以实物的形象架设在大场景地理模型上。设计人员可以通过调整视线角度、视角高度等参数，360°地观看每个铁搭在三维实景环境中的真实架设情况。此外，三维线路实景漫游平台提供线路实景漫游功能。通过设置漫游的飞行高度和相机视线角度，漫游平台会自动按线路路径逐塔位的漫游飞行，使线路设计人员对全线路的塔杆整体排位、架设情况进行一次可视化、近距离的实景观看。三维实景漫游功能将线路设计成果由二维的平面图纸变为了三维的实景观看，使得设计成果更为直观具体。设计人员结合三维漫游中的实景观看情况，可以对线路的最终设计成果进行整体的感知。如遇到与设计初衷不一致的塔杆塔位，可以进行进一步的细部改线微调。

外业调绘对地形图的精度和属性有着最直接的关系，调绘人员持初编图到实地按规范、图示、技术设计书的要求，对图上地物逐一定性，对摄影后新增地物进行补测，其中包括对电信及相关设施的调查，其设施的定位可采用GPS，定位或全站仪定位。另一部分包括对地名、小区名称、单位名称、道路名称、河流名称及流向、管线性质及输送方向、境界归属、独立地物、的判定、植被种类的区分等加以补调。房檐的改正时关系到整图精度的一项硬指标，因采集时所测房屋的外轮廓，所以要求调绘人员对每一房屋的房檐都要到实地量测，确保地物的平面精度符合规范要求。利用立体采集的三维数据及外业调绘的资料，根据技术设计书要求进行标准地形图的处理工作，包括对各个要素相对关系的处理，对外业调绘各项数据进行编辑处理，对各种属性的参加，数据分层，线型编码，线条接缝，数据接边等项工作的处理，在整个地形图编辑过程中。地物编辑时一项相当重要的一个环节，要处理好各地物间要素的点、面、线关系，面状要素要封闭（如房屋、湖泊、水库等），线状要素要连续（如铁路、河流），线状要素要相交（如相同属性或不同属性），端点要严格相交到同一点，不能悬挂。

总结：基于航测的数字城市三维建模是以立体测量三维建模为主要工作内容，建模要求模型结构完整、平面和高程精度高、重点道路和市中心区域模型效果精美。最终建模成果可配置于三维地理信息平台上，用于展示及辅助决策，未来成果的应用将延伸到地下管线、数字城管、规划等，初步构建以三维仿真为技术基石，城市综合管理为目标的数字虚拟城市。

参考文献：

[1]黎智，龚学海.海拉瓦技术在输电线路优化设计中的应用[C].贵州省电机工程学会2009年优秀论文集，2009（11）.

[2]黄群，王锦超，徐忠明.VirtuoZo-AAT空三加密中的应用技巧[J].电力勘察设计，2010（3）.

[3]汤坚.特高压架空输电线路二三维交互优化选线技术的研究与系统设计[J].电网技术，2012（24）.

虚拟现实技术三维建模 篇3

1 VRML的概述以及特点

1.1 VRML的概述

VRML (Virtual Reality Modeling Language) 是指虚拟现实建模语言。 VRML是虚拟现实造型语言的简称, 是一种建立于真实世界的场景模型或者是用户虚构的三维世界的场景建模语言。 受HTML的限制, WWW只停留在平面设计阶段, 使浏览者与环境的动态交换非常的繁琐。 而VRML的应用克服了WWW的单调性以及较差的交互性。 VRML通过以人为主题, 为用户创造了一个可以进入并且可以参与到其中的世界。在VRML创造的世界里, 用户可以感受到真实世界的存在。VRML使原本的平面设计立体化, 这能使画面和环境更加的真实并且具有存在感, 方便了用户对于事物的了解和利用。

1.2 VRML的特点

VRML的出现实现了在三维动画中, 用户与客体之间的相互作用, 相互影响, 使用户的行为能够作用于虚拟的环境中。和HTML相比, VRML和HTML都是ASCII格式的文件, 而VRML的简单以及速度快的特点提高了三维模型的灵活性和高效性。 VRML的数据容量小, 能够被重复使用, 用户可以在使用时直接去取, 并且可以任意地对其进行拆卸和组装。 VRML的这些特点使其在虚拟现实技术中得到广泛的应用, 提高了我国虚拟现实技术的发展。

2 虚拟现实系统的概述以及建模技术

2.1 虚拟现实技术的概述

虚拟现实技术又被称作灵境技术或人工环境。 虚拟现实技术使用户不仅对虚拟环境有了视觉上的感知, 还使用户有了触觉、 听觉以及力觉等上的感知。 虚拟现实技术能够使用户在虚拟环境里有着同真实环境一样的感知能力。 在利用了虚拟现实技术的模拟环境中, 用户所看到的模拟环境和现实中的环境是一样的, 使用户没有办法分辨出环境的真假。 在模拟环境中, 用户可以对其中的物体进行操作, 将其物体移动并且使用户的手有着真实的握着的感觉。 具有虚拟现实技术的模拟环境不仅能够展现出真实存在的环境, 还能构造出一些不可能发生的真实的环境。

2.2 建模技术

三维建模技术是虚拟现实技术中最重要的一个技术。 目前, 三维建模技术已经被运用到机械工程学、 机器人学、 运动学等多种学科。 在三维建模技术的发展过程中, 首先, 美国Sense 8 公司研制的WTK实现了实时三维图形的建造。 其次, DWB将仪表图形、 三维模型和景观应用到建模技术中。最后, Open GL利用了Silicon Graphics建立的图形库的语言。VRML有着比gif更小的动画和互动效果, 并且VRML能够支持zip压缩, 即使将文件名改为.wrl也可以用浏览器来进行观看。

3 三维建模技术

3.1 真实感图形的绘制技术

在三维建模技术中, 经常会采用消隐、 明暗模型和纹理映射等方法来提高三维建模的真实性。 在消隐算法中, 画家算法按深度将各表面由远及近地进行排序。 但画家算法不能够显示表面有重叠部分的两个物体。 扫描线算法能够使图像顶部到底部的扫描线实现透明的效果。 能够用深度数据将互相穿透的物体显示出来。 Z-缓冲器算法新的表面总是能够代替保存缓冲器的深度的表面。 但Z-缓冲器算法没有透明效果, 这使得反走样受到了很大的限制。 因此, 工作站已经把Z-缓冲器算法硬件化。

在虚拟现实中, 三维建模技术应当保证用户在进行交互时不会引起任何不协调的事情发生。 而明暗模型能够计算显示图形中的光强度, 避免了不协调的发生。 (1) 在平面明暗模型中, 平面明暗模型能够计算出多变形中点光照的光强度, 而多边形中点光照可以用来作为多边形内部各点的光照。 因此, 平面明暗模型就算出了多边形内部各点的光照, 降低了计算过程的复杂性。 但是, 平面明暗模型计算出来显示的场景看起来会特别的不自然。 (2) Gouraud明暗模型计算法能够通过多边形顶点光照来内插内部点的光照。 (3) Phong明暗模型计算法能够内插表面的法线, 但Phong明暗模型计算法不能够内插光强。

纹理映射能够加强图像的真实性, 使虚拟环境更加逼真。纹理映射是通过在图形表面贴上图像的一个映射过程。 纹理映射能够按照表面的深度来调节图像的大小, 这样能够得到正确的透视。 在纹理映射过程中, 纹理映射不是将图像映射在3D表面上, 而是将图像映射在图形上。 这大大提高了纹理映射的作用和效果。

3.2 模型的生成和绘制

随着虚拟现实技术的发展, 虚拟环境中的场景模型也越来越多样化。 而LOD描述能够使虚拟环境中复杂场景简单化, 提高了图形绘制的速度。 目前, LOD模型已被应用于3D动画、 飞行模拟器、 3D场景等许多领域。 LOD技术在保证画面视觉效果的同时, 使景物的表面细节简单化, 减少其表面的复杂性, 提高图形绘制的效率。 LOD技术能够对多面体模型应用多个几何模型, 用精细模型来观察近处的物体, 用粗糙的模型来观察远处的物体。 LOD算法包含有许多种不同的算法。 其中最主要的算法有基于长方体滤波方法的多面体简化技术、 渐近网格的简化算法以及多分辨率模型生成算法。

在1993 年, Rossignac和Borrel提出了能实时建立LOD模型的比较实用的多面体简化算法。 这种算法主要分为4 部分。 (1) 在虚拟环境中赋予变化较大处的点较大的权值。 (2) 通过分析物体的大小以及复杂程度将物体的空间以立方体的形式分成个个单元。 (3) 此方法能够计算位于物体分成的各个单元的顶点的代表点。 (4) 该算法用顶点的代表点来代替单元中的点, 移去产生的多变形。 Rossignac和Borrel的这种算法能在保持原多面体的前提下, 产生新的模型。

网格优化算法是Hoppe在1993 提出的。 网格优化算法是将计算能量通过收缩变换来优化。 网格优化算法支持模型的传送, 并且能够生成连续层次, 此算法能够处理面片上的彩色和纹理信息。 但该算法不能处理除二维流形的其他的信息。因此, Hoppe在1997 年对网格优化算法进行了改进, 使该算法能够完成对视点的精化。

多分辨率模型是通过多分辨率来对多面体模型进行重新采样, 对其局部进行参数化。 该算法通过加密采样技术使多面体模型精细化, 其中后一层的高分辨率模型能对前一层的低分辨率模型进行简单加密。 多分辨率模型能够使用户连续快速地获得多面体的多分辨率模型。 该算法和其他算法相比, 其计算量大并且较为复杂。 但该算法能够连续地产生模型, 这是其他算法所没有的特点。

3.3 碰撞检测

碰撞检测能够对虚拟环境里的移动物体以及用户的移动行为进行限制, 提高了虚拟环境的真实性。 在虚拟现实中, 碰撞检测能够显示出碰撞后的变化。 而静态检测方法和采样方式能够影响到碰撞检测的结果。 目前, 对于碰撞检测的研究主要包含3 个方面: 层次数据表示法、 动态距离跟踪算法以及静态检测算法。

层次数据表示法的目的是为了提高虚拟现实技术中动态的速度。 该算法是通过模型来减少元素对数。 目前, 建立模型的包围盒树通过建立模型来分解模型所在的空间。 这是最基本的层次数据表示法。 该方法比较简单, 能够有效地使虚拟环境更加的逼真。

动态距离跟踪算法能够决定检测的时间并时刻向用户报告模型的距离。 该算法实际上就是通过判断模型之间的最近的两点来计算模型的距离。 这种算法主要分为静态算法和动态算法。 静态算法是保证模型的预处理在线性时间内进行。而动态算法则是利用模型的位置和方向来使时间离散化, 通过这种方式来计算模型之间的距离。 这种方法能够利用运动连续性来跟踪模型的特征计算距离。

在碰撞检测中, 最静态检测算法是最基本的算法, 其检测的方法由模型的凹凸性来决定。 当模型属于凸多面体时, 静态检测则在线性时间内就能够判断出多面体的位置。 如果模型属于凹多面体时, 静态检测方法则是先将模型分成许多个凸多面体的模型之后, 再对模型进行检测。 如果凹多面体的模型的面中有凹多边形, 那么就需要先对模型进行平面分解, 然后在用凸多面体的算法对模型进行检测。

4 结语

随着我国科学技术的发展, 大量先进的技术被应用到人们的生活和工作中。 这些技术的应用提高了人们的生活和工作水平, 满足了人们对于各个方面的感知的要求。 而其中VRML被应用到我国的各个领域。 VRML的出现极大地提高了虚拟现实中三维建模技术的应用。 VRML能够灵活并且高效地创建三维模型。 对于虚拟现实中的三维建模技术中的各个技术进行分析和研究, 能够更好地了解三维建模技术, 使其能够更好地得到发展。 三维建模技术的发展能够使其更好地被我国各个领域所利用, 提高我国各个行业的发展。

参考文献

[1]孙长勇.虚拟现实中三维建模技术方法的分析与研究[D].解放军信息工程大学, 2004.

[2]李荣辉.三维建模技术在虚拟现实中的应用研究[D].大庆石油学院, 2007.

[3]侯湘.虚拟现实技术中的三维建模方法研究[D].重庆大学, 2006

[4]毕硕本, 张国建, 侯荣涛, 梁静涛.三维建模技术及实现方法对比研究[J].武汉理工大学学报, 2010, (16) .

三维动画技术与三维虚拟技术探讨 篇4

关键词：三维动画技术；三维虚拟技术；对比研究

随着计算机技术和软件技术的不断发展和应用，三维图形技术也得到了很快的发展。相比于平面图形，三维图形更加立体、直观，能够更好的阐述相关内容，因此得到了人们的广泛重视。当前的三维图形技术主要包括三维动画技术和三维虚拟技术两种，这两种技术都是对想象的世界进行真实的模拟。其中，三维动画技术主要应用于广告、电影等预先设计好的演示，而三维虚拟技术则多用于仿真，需要对用户输入做出实时反应。

一、三维图形技术的应用原理

（一）三维动画技术的应用原理

1.造型

造型就是在计算机中利用三维造型软件进行三维物体的绘制。在造型之前，需要对三维物体在场景中的位置、以及它们的形状进行设计和确定。在进行造型的过程中，首先对基本的几何形状进行绘制，然后根据所需要的具体形状对其进行改变。再利用不同的方法，将这些形状进行组合，完成负责几何形体的建立。在三维物体制作完毕之后，在具体场景中，根据其适当的位置，将完成造型的三维物体放置其中，从而形成完整的场景[1]。

2.动画

动画的目的是使各个三维物体进行运动。对此，首先需要对关键帧进行定义，制作人员需要在计算机当中一幅一幅的进行画面的绘制。因此，要求动画制作人员的绘画水平必须达到较高的水平，才能够将动画画面设计的生动、逼真。然后，按照一定得顺序，将这些画面进行排列和组合，使其达到连贯和连续。此外，可以在动画当中插入一些中间帧的画面，可以利用计算机进行中间帧的制作。通过以上步骤，就可以制作出十分真实的动画。

3.绘图

在动画的制作当中，良好的视觉效果和非交互的美学体验是十分重要的。因此在动画绘图的过程中，需要对光纤、贴图、色彩等方面进行严格的控制，从而使动画效果能够更加的逼真、贴近现实[2]。

4.着色输出

在当前应用的动画制作软件当中，通常都对动画生成功能进行了提供。它可以将动画绘图过程中制作的画面进行连接，从而形成类似于电影的形式，这就是动画视频。动画视频是以视频文件的形式进行输出和保存，如果需要观看，只需要播放该文件，就能够进行观看。

（二）三维虚拟技术的应用原理

1.实时显示技术

目前，三维图形的显示技术已经较为成熟，但是最关键的问题就是显示的实时性。为了能够迅速的生成三维几何图形，对于图形的刷新频率要求就比较高，最低速率也要达到每秒15帧的图像刷新。要达到这一要求，与图形的复杂度、画面的纹理、阴影、照明度等因素都有着一定的关系。因此，三维图形实时显示技术的关键，在于对合理的技术措施进行利用，从而使可是场景的复杂度得到降低。

2.交互技术

在三维虚拟技术的研究当中，其一个重要的目标就是将人们所处的实际环境与计算机系统之间的界限进行消除。也就是说，在计算机系统提供的虚拟空间当中，人们可以通过语言、头、皮肤、眼睛、手势等感觉器官与行为动作，与其直接发生面对面的交互。目前三维虚拟技术的交互技术主要包括虚拟环境基本交互、虚拟环境交互、碰撞检测等方面。

3.三维虚拟仿真系统的建立

三维虚拟仿真系统的建立，是一个较为系统的工程，主要可以分为两个方面。其一是对三维视景数据库进行建立，在建立过程中，应当采用三维视景数据库建模和优化工具平台等进行模型的构建，而不宜采用3DS MAX等普通的建模工具。这样，才能够有效的提高反应速度，保证交互性和三维性之间的逻辑关系。其二是进行三维视景管理系统的开发，通过对良好的现实途径进行利用，使该系统能够调用各种数据库、优化硬件资源、显示系统最终的效果，实现各种操作[3]。

有两种途径能够实现系统的开发。第一种是对底层三维图形开发库进行利用。其中，DirectX、OpenGL等三维图形开发库较为常用。对该方法进行应用，要求先关的开发人员必须对视点、光照、三维变换、三维坐标的进行熟悉的掌握和应用，同时能够自行进行编码的设计，保证相关功能的实现。这种方式灵活性较大，同时由于是免费提供的，因此也不涉及到版权的问题。不过，对此种方式进行利用，需要进行大量的工作。如果需要进行一般规模系统的完整制作，至少需要一年以上的积累才能够完成。同时，系统内部很多的处理，都是由软件开发人员自行考虑的。因此，很容易发生考虑不周全的情况，导致制作出来的系统性能十分不理想。

第二种方式是对高层开发平台工具进行利用，例如OpenInventor、WorldToolKit、Worldup、X-IG、Vtree、VEGA、OpenGVS等工具平台。这样写开发平台都是以OpenGL图形标准为基础的高级三维可视化函数库，提供了高级的API软件的开发。通过对这些开发平台进行利用，能够有有效的减少代码量，从而降低工作量。在三维图形应用系统当中，这些开发平台具有周期短、性能好等优点，不过需要出资购买，因此成本较高[4]。

二、三维图形技术应用系统的开发方法

（一）三维动画技术应用系统的开发方法

在当前主要应用于三维动画应用系统开发的平台工具当中，3D Studio Max是一种应用比较广泛的工具。在实际应用当中，需要现在3D Studio Max中对三维场景内各个物体的立体模型进行绘制。如图1所示，是一个真空断路器的模型，它的构成主要是多个几何体。在3D Studio Max当中，对每一个几何体进行绘制，然后对其进行组合。在利用3D Studio Max制作动画的过程中，对真空断路器从当前位置向右进行90°水平旋转的动画，进行的方式为关键点的设定。然后加入特定的灯光、材质等效果，取得更加生动、逼真的显示效果。最后，利用渲染按钮，对一些相关参数进行设定，然后进行动画的生成[5]。假设设定的关键帧参数为5个，则这5个关键帧所对应的图片如图1中所示。

图 1 真空断路器动画的关键帧

将以上五个图片，按照一定的顺序进行连接，就能够生成相应的动画视频文件，并在需要的时候对该文件进行播放。在播放动画的过程中，上面五个图片通过连续的效果进行显示，就能够产生该断路器以90°向右旋转的视觉效果。如果需要达到垂直旋转的效果，需要重新对动画进行制作，将上述步骤中水平方向上的旋转改变为垂直方向上的旋转，然后以此进行后续工作，最终得到新的图片序列。在实际应用当中，有时为了取得相应的动画视频效果，需要成千上百张这样的图片进行组合，才能够最终实现。

（二）三维虚拟技术应用系统的开发方法

在三维虚拟技术应用系统的的开发当中，MultiGen+ OpenGVS是一个十分常用，也是十分有效的开发工具平台。在应用过程当中，三维视景数据库是通过MultiGen来建立的，如图2所示，是一个封隔器的模型。在以三维模型的形式进行显示的同时，在三维视景数据库当中，还通过各种参数的方式进行存储，以备后续工作中进行调用[6]。

图 2 封隔器模型

对三维视景进行相应的操作所利用的三维视景管理系统，是利用VC++的OpenGVS进行开发的。利用这个管理系统，能够对三维视景数据库当中的各个参数进行直接的读取，在显示器中显示三维模型，在适当的位置进行放置。同时对三维几何变换进行利用，对封隔器进行各种不同的操作，例如拾取、移动、斜向、垂直、水平等各个方面的旋转等。通过相应的编程就能够实现这项功能，而不需要进行关键帧、关键点的方面的制作。如果先要进行操作的增加，也不需要进行重新的建模和动画制作的过程，只需要添加能够实现增加操作的代码在原有的模型基础之上，就能够实现操作功能的增加，具有极大的灵活性和便利性[7]。

三、三维动画技术与三维虚拟技术的对比

（一）三维动画技术的固定性

在三维动画技术当中，三维动画的过程、时间都是无法改变的，是固定存在的。在三维动画播放的过程中，其动画画面的顺序不会按照用户的想法来实时的进行变化。而三维虚拟技术则不然，它没有时间上的限制，可以使展示过程更加的详细、真实。在三维虚拟技术系统当中，用户可以进行任意的操作，同时还会对用户进行的操作进行相应的反应。

（二）三维虚拟技术的实时性

三维虚拟技术的实时性，是其与三维动画技术之间最大的区别。由于具有良好的实时性，三维虚拟技术能够在虚拟场景当中，实现人机之间的交互。在三维动画技术当中，动画的制作是沿着某种固定路线进行制作的固定动画，一旦制作完成，就无法进行改变。如果需要改变演示的路径和方式，仅仅几分钟的动画还需要进行几天时间的制作和渲染。而三维虚拟技术则不然，它所制作的场景具有良好的可变形，用户可以利用键盘、鼠标、甚至数据手套等相关的交互设备，对虚拟三维空间进行亲身的体验，感受步移景异、身临其境的体验，其双向互动的功能十分良好。

（三）三维建模

在三维建模的过程当中，三维动画对模型的视觉效果、光照、美观等方面的要求比较高，因此在模型建立过程中，需要仔细的刻画更多的细节之处。而三维虚拟技术注重的是操纵和控制场景或场景中的物体。相比于三维动画，三维虚拟建立的模型细节之处通常比较少，这样能够使绘制速度得到提升，同时一能够降低滞后时间的影响。因此，对于需要根据用户的具体输入，对物体的状态和场景的改变进行实时的控制的应用来说，三维虚拟技术建模是最为合适的。例如，用户可以根据输入相应的命令，实现在街道、校园、旅游景點等地的游览。或是对事故现场进行模拟，通过人们的实际行为和动态，对事故发生的过程进行显示。还可以对油田油水井的井下作业过程进行模拟，根据给定的相关参数，对作业过程进行实施。如果给出不同的参数，那么具体的方案也会不同，作业的过程就会发生相应的变化。

结论

三维动画技术和三维虚拟技术是当前三维图形技术当中最为重要的两个部分，在很多领域中都具有十分广泛的应用。但是，在实际应用中，这两项技术都拥有各自不同的优缺点。在不同领域当中，能够发挥不同的作用。因此，应当根据两种技术的特点，结合实际应用的需要，选择最为适当的技术进行应用。

参考文献：

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[4]陈晓群. 虚拟现实技术与三维动画技术探析[J]. 艺术评论，2013，02：67-68.

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[7]黄菁. 影视广告创作中三维动画运用之探析[D].浙江工商大学，2012.

虚拟现实技术三维建模 篇5

关键词：图像,虚拟仿真,建模,全景技术

随着我国计算机硬件技术、图像处理技术、传感技术及多媒体技术的不断发展壮大, 计算机虚拟仿真现实环境的效果越来越真实、生动。而创造设计这些虚拟的现实环境最重要的是对由自然景物构成的三维场景的建模, 它是生成动态、全景、逼真的三维场景的重要决定因素, 其好坏直接决定了体验者在其中的真实感与存在感。基于图像的建模技术不同于基于三维几何建模的技术, 它主要是三维全景建模技术在虚拟现实领域的具体应用。在虚拟仿真现实系统中, 基于图像的三维全景建模技术比较适用于以大自然背景为主要构成要素的虚拟仿真现实环境的构建[1]。这主要是因为虚拟仿真现实环境中由自然背景构成场景的对象组成成分较为复杂, 如果全部采用三维几何建模的方式重现虚拟环境不仅工作量大, 而且也为虚拟仿真现实环境的运行增加了负担, 由于自然背景只是起一个陪衬的作用, 并不需要近距离游览, 所以该技术在虚拟仿真技术中被广泛应用。它与基于几何的建模技术相比, 具有其自身优势, 一是由自然背景构成的虚拟环境既可以是已经事先保存的图像, 也可以是由相机在实景中拍摄的照片, 也或者是将二者混合使用, 从而带来更高的真实感;二是体验者在虚拟仿真现实环境中的沉浸效果与自然场景的复杂度无关, 而只是与生成、显示虚拟画面所需的图像分辨率有关, 因此, 该建模技术并不要求太高的计算机资源, 这对提高视景系统的运行效率而言有一定帮助[2]。在构建虚拟仿真现实环境时虚拟环境的建模技术有很多, 在这里我们主要研究的是基于图像的三维全景建模技术, 从它的构建原理、特征、应用、分类等几个方面进行分析阐述。

1. 基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术的构建原理

基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术是一种通过全景图像表达虚拟环境的仿真技术, 简单成为虚拟仿真现实。该技术简通俗地说就是用专业的相机拍摄现实中自然景物的照片, 再经过计算机图像处理软件深度加工处理成为能够让用户产生三维真实感的图像;专业的表述就是通过对现实中全景图像进行逆投影至几何体表面从而仿真出原场景空间的信息。一般来说该技术在创建具有真实感的虚拟仿真环境时并不需要真正可视化的三维网格模型, 只需要在选择其投影形状的几何类型时对虚拟空间坐标或不可见网格进行形状上的编码约束, 采用这种方式可以定义出很多几何形状, 例如圆球体、柱体、立方体等[3]。

用立方体投的影方式举例分析基于图像的虚拟环境三维全景建模技术的构建原理, 首先选取6幅按照立方体的6个方位进行坐标编码定位的图片, 确定其在虚拟空间顶点坐标位置及对应索引号, 并将坐标轴设置于立方体的中心;其次, 定义立方体的12个三角形状的网格面, 由于渲染引擎只能渲染三角网格, 所以必须将所有四边形划分成三角网格, 处于同一平面的三角网格面可以组合成一个四边形的网格面, 并定义标识为前、后、左、右、上、下6面, 如图1所示。

例如定义“前面”四边形网格面的空间位置用以下语句完成。

对立方体六面采用上述方法全部定义完毕后, 最终就可以确定一个立方体的法线和材质。其具体过程如下:

2. 基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术的特征

基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术是使用全景图像表现虚拟环境的技术, 它能给体验者带来真实的三维立体感觉, 这种技术相较于传统的虚拟现实技术在创建虚拟仿真现实环境时更具有优势, 具体有如下几个方面的表现。

2.1 真实度高

使用先进的拍摄设备进行图像采集, 可以不受现实场景中各种对象复杂度的局限, 拍摄出的图像最接近于现实场景, 传统的几何图形建模技术产生的效果都与之无法比拟, 后期使用计算机图像处理软件对拍摄图片进行处理后, 创建的虚拟仿真的三维全景环境会使得体验者有更好的沉浸感。

2.2 全面表达场景信息, 高效的交互性

使用传统建模技术创建的虚拟仿真现实环境受设计者个人因素的影响较大, 尽管有实景实体作参照, 但是其中加入了设计者个人的创作信息, 故此产生的虚拟环境与真实场景存在违和感, 而使用基于图像的虚拟环境三维全景建模技术创建的虚拟环境则以实景现场为基础, 全面表达场景信息, 构成的虚拟环境直接表现了现实世界, 具有高效的交互性。

2.3 制作容易, 可传播性强

利用这种技术创建的三维全景虚拟环境, 主要依赖于拍摄设备对图像的全景采集, 而与生成时间和实景实体复杂度无关联, 并且在后期制作上也不需要高档的硬件设备, 因此三维全景虚拟环境的制作容易, 速度快、成本低。随着网络信息技术的高速发展, 设计者只需要在互联网下就可以进行虚拟仿真三维全景的传播, 体验者只需要配备一些基础设备, 如显示器、扬声器等, 利用一些特定的浏览插件, 进行网络下的三维虚拟现实环境的体验。

3. 基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术的分类

利用三维全景建模技术虚拟产生的仿真环境最重要的是拍摄实景实物的全景平面照片, 然后按照一个包裹形球体的表面投影方式, 将环境中的所有景象以某种几何关系进行映射生成平面图片, 再经过计算机图像处理的软件以及全景播放器的后期校正、处理, 最终生成具有三维立体效果的仿真全景。在日常生活中70%左右的外部自然信息是通过人类的眼部视觉体验提供的, 因此要想获得高真实度的虚拟场景就成为了虚拟仿真现实技术的关键因素。依据场景生成过程的不同, 三维全景建模技术可以划分成两类:基于矢量建模的三维全景技术和基于实景图像绘制的三维全景建模技术[4]。前者是基于图形学的建模方法, 这一方法利用像遥感数据、CAD数据等空间矢量数据对实景实物进行建模, 再配合实景实物的照片、纹理图片和多媒体数据辅助模型的贴图来丰富场景细节, 得到虚拟仿真环境的三维场景, 最后再采用渲染的方法最终得到真实感高的三维立体虚拟仿真全景[5]。这种技术要对实景中每一实物进行矢量建模和还原, 要求配有高品质、高性能的图像处理工作站才能完成。后者是基于图像学的建模方法, 即通过对人工采集到的有序场景图像进行加工、合成, 从而达到仿真效果的建模方法。由于该方法利用的是实景实物的真实图像进行现实场景的虚拟仿真, 得到的虚拟仿真三维实景则更贴切的反映现实环境的色泽与纹理, 而且这种建模技术不需要进行大量的计算, 实时性好, 对计算机硬件要求也相对较低, 故此基于全景图像绘制的三维全景建模技术目前被广泛应用于虚拟现实技术中。

4. 基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术的具体应用

基于图像的虚拟仿真环境三维全景建模技术在创建虚拟现实环境时应用越来越广泛, 在日常生活中它与网络技术相结合产生了大量的应用实例, 例如我们众所周知的街景服务就是该技术具体应用于生活的实例表现。除此之外, 三维全景建模技术在虚拟现实环境中还可以应用到更多的行业, 并有不俗的表现。其具体应用表现在如下领域。

4.1 军事领域

在军事训练中, 三维全景建模技术的应用非常突出, 它改变了传统的反复实战演习训练而带来的耗资巨大、安全保障度低的弊端, 随着未来高技术联合作战的不断演变, 利用三维全景建模技术创造的基于实景实物的虚拟仿真环境不仅可以直接为作战指挥提供相关决策信息, 而且还可以为培养士兵联合作战能力提供实践平台。

4.2 电子商务领域

随着网络技术的不断发展, 越来越多的消费者可以足不出户的利用电子商务平台在家进行购物, 为了更好地满足消费者对所购商品的感性认识, 采用三维全景技术构建出产品的虚拟仿真三维实体, 可以充分展示其外观、结构以及功能, 方便消费者与商家进行更好地沟通。

4.3 旅游休闲、艺术娱乐领域

这一技术应用在旅游休闲领域最重要的一个作用就是可以重现已经不存在的旅游景观和正在建设还未完成的旅游景点的实景, 让旅游爱好者可以进行仿真的虚拟旅游;利用三维全景建模技术在重建的虚拟仿真世界中进行游戏、娱乐, 既没有风险, 而且乐趣无穷。

4.4 医学领域

该技术可以进行人体解剖仿真, 为医学院校的学生全面了解人体解剖学的复杂性提供虚拟病人;在外科复杂手术仿真模拟时, 可以将病人图像信息资料输入进仿真系统, 建立病人三维仿真模型, 外科医生可以结合实际的外科手术经验做出相应的手术规划, 并在虚拟现实系统中进行反复手术仿真训练, 从而使医生及时发现手术过程中难以预料的某些复杂问题;在医学院校医学生在构建的虚拟实验室中, 进行虚拟解剖和各种手术的反复练习, 不仅可以降低教育成本, 而且可提高学习者的临床实践能力, 这些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统, 仿真度极高, 其优越性及效果无可比拟;虚拟现实技术在治疗记忆障碍、注意力障碍、空间认知障碍、心理治疗认等方面也有突出的表现[6];在远程遥控指导外科手术、复杂手术的计划安排、手术后果预测及改善残疾人生活状况, 乃至新药物的研制及临床试验等方面, 其也具有着十分重要的意义及应用前景。

5. 结束语

随着我国计算机硬件技术、图像处理技术、传感技术及多媒体技术的不断发展壮大, 计算机虚拟仿真现实环境的效果越来越真实、生动。体验者在设计好的虚拟仿真环境中无限畅游, 犹如身临其境一般。之所以可以达到如此感受, 核心问题就是要解决在虚拟仿真现实系统中虚拟环境的建模设计。由于视觉是人类感受外界环境第一感官认识, 所以虚拟设计一个形象、逼真的仿真环境模型, 并且能够动态的、全景的显示是非常重要的[7]。随着人类对信息感知方式的不断改变, 虚拟仿真现实系统中虚拟环境的建模已经进入了一个多维时代。基于图像的三维建模全景技术就成为了虚拟现实技术中关键技术之一, 值得进一步研究。

参考文献

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[6]李志玲.虚拟现实三维建模技术的研究与实现[D].武汉;中南民族大学, 2007

虚拟现实技术三维建模 篇6

关键词：虚拟现实,三维动画,建模方法

1 虚拟现实及其特征

虚拟现实技术 (即VR技术) 搭建了人工方式构造的三维虚拟环境。在这个环境中, 用户以非常自然的方式与虚拟对象进行交互作用、相互影响, 很大程度上提高了人类认识、模拟和适应世界的能力[1]。具体来说, 虚拟现实技术允许用户使用人的本能对虚拟世界中的对象进行观察和操作, 同时实现视觉、听觉、触觉等多种直观的实时感知。与此同时, 随着计算机图形学的高速发展, 三维虚拟现实技术被广泛应用于各个领域 (比如军事领域、教育领域、工程制图领域、影视娱乐领域等) , 同时也渐渐从计算机研究阶段过渡到计算机应用阶段, 已成为计算机应用领域的研究热点[2]。

Burdea G和Coiffet P提出了虚拟现实系统的三个基本特征[3], 也称为虚拟现实技术三角形:沉浸性 (Immersion) 、交互性 (Interaction) 和构想性 (Imagination) 。沉浸性是虚拟现实最重要的特征, 它是指在纯自然的状态下, 用户借助交互设备和自身的感知系统, 对模拟环境的投入程度。交互性主要是指通过使用专门输入和输出设备, 用户用人类的自然技能实现对虚拟环境的观察与操作的程度。构想性是指用户借助虚拟现实技术使抽象概念具体化的程度。

虚拟现实的基础是真实感三维物体, VR的能力在很大程度上依赖于这个三维物体的逼真性, 因此, 三维物体的生成是VR系统中一个重要部分。要形成一个逼真的三维物体, 构造三维物体模型是非常重要的一步。因为一个好的虚拟现实模型能够使用户的感觉和自然反应都与现实一致且达到沉浸程度, 可以用计算机模型来描述现实世界问题并将其重新描绘到现实世界中。本文试图研究虚拟现实中的三维动画建模方法。

2 三维动画技术

随着计算机技术的不断发展, 一门新兴技术——三维动画 (又称3D动画) 应运而生。由于三维动画技术具有容易制作修改、表现精确性高、视觉功能强大等优势, 它对动画制作的重要性越来越突出[4]。三维动画技术是仿真真实世界对象的一个有效工具。同时也由于其准确性、真实性和无限可操作性, 它被广泛应用于医疗、国防、娱乐等领域。在游戏制作方面, 这项新技术能够给人耳目一新的感觉, 因此受到了众多用户的欢迎。

虚拟现实场景的制作、角色动画制作和后期特效等是三维动画技术的主要应用场景[5]。三维动画采用3D建模技术将现实世界的对象和人物在计算机模拟环境逼真重现。与传统的二维动画不同, 三维动画在视觉效果上更加立体和生动[5], 即三维动画在人物刻画、场景和动作上会更加细致和贴近现实 (比如, 玄机科技发布的大型3D国产动画《秦时明月》系列) 。在实际应用中, 和二维动画相比, 虽然三维动画能够更真实地表现人物的动作及环境变量, 但是三维动画建模仍存在不少的问题 (比如, 传统的三维动画技术仍是用平面显示器作为载体, 不能让用户自由切换视角, 完全沉浸在虚拟环境中) [6]。

虚拟现实技术可以很好地弥补传统三维动画建模的这种缺点。虚拟现实的三个特性, 即沉浸性、交互性和构想性, 可以使三维动画建模更加完美。本文探究的便是在虚拟现实基础上的三维动画建模方法。

3 VR技术与三维动画技术的相互关系

三维动画技术和虚拟现实技术的基石都是三维图形技术, 但是三维动画技术是一项艺术与计算机图形结合的技术。具体来说, 三维动画技术结合了计算机科学、仿生学、数学、艺术与其他相关学科, 再用计算机技术来辅助生成多种不间断的虚拟真实画面。因为三维动画技术是基于计算机技术对特定对象进行描述, 所以它的局限性在于用户只能按照已定的程序通过制作方既定的视角观看, 无法按照自己的意愿改变其内容并与其进行交互[7]。

而虚拟现实的特点是沉浸性、交互性和真实感, 因为这样的特点, 虚拟现实技术能很好地解决这个问题[7]。以前, 用户仅仅能通过一些简单的外接设备 (比如手柄或移动VR设备) 在虚拟环境中移动。现在, 人们可以通过更加多样的身临其境的方式融入虚拟现实环境中。比如, 在最近一次的CES上, 出现了一款改变人们在虚拟现实中移动方式的新设备 (即Virtual Omnis) 。不同于传统的手柄移动方式, 这款设备允许用户在虚拟环境中移动脚部。虚拟现实技术弥补了三维动画技术被动观察的不足, 具有较强的表现力和交互性, 使用户可以自己选择内容、自己开辟游览路线进行交互游览[8]。

三维动画技术和虚拟现实技术之间是相互联系的, 虚拟现实的建模基础是三维建模[7]。在建立一个三维虚拟系统时, 通常第一步就是利用三维动画技术进行建模, 即先利用3D建模软件创建虚拟场景和创作3D对象, 再利用计算机编程技术让其在虚拟现实中展现出来。

4 虚拟现实中三维动画建模

4.1 虚拟现实建模技术

虚拟现实建模技术主要包括三个重要的建模技术, 即行为建模、几何建模和物理建模。

行为建模是对对象的动作和行为的描述。行为建模是指在创作模型时, 不仅赋予模型外形质感、物理属性、“与生俱来”的行为和反应能力, 而且服从一定的客观规律。几何建模是几何物体构造的建模方式, 也可以看作是简单的三维建模技术, 它的主要研究对象是物体几何信息的表示与处理。几何建模主要处理物体的几何和形状的表示, 研究图形数据结构等基本问题[9]。物理建模技术使几何建模技术制作出来的物体显得更真实, 主要侧重于考虑物体的物理性质。依据动力学理论, 该建模技术利用计算机模拟在真实环境下受到客观影响而发生改变的物体。这种建模技术也包括流体和粒子的构建, 常用于光线及刮风下雨的自然现象的构建, 其目的是为了使物体“看起来真实, 动起来真实”。

4.2 三维动画建模系统

介绍完虚拟现实技术、三维动画技术以及虚拟现实和三维动画技术关系后, 本文试图提出一个三维动画实时生成系统, 其逻辑框图如图1所示。

5 结语

随着虚拟现实技术的不断发展, 现在的虚拟世界已变得越来越逼真, 广大用户应用得越来越普遍。本文首先介绍了虚拟现实技术及三维动画技术, 然后研究了虚拟现实技术与三维动画技术之间的关系, 之后提出了一个三维动画生成系统。

参考文献

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大型桥梁的三维建模与虚拟仿真 篇7

桥梁漫游系统主要的实体模型包括主梁、桥塔、桥墩、栏杆、拉索等,每个部分的建模都有不同,使用的技术和方法不同。本文使用3DS Max进行场景的三维建模,具体可分为几何建模、材质设置、灯光设置、摄相机设置、渲染和烘焙等几个部分。漫游交互平台大都是非常昂贵的,像国外的Vega、Virtools等,本文是使用的VR-Platform三维互动仿真平台软件作为虚拟桥梁的漫游引擎,这个软件的共享版本是免费的,而且操作简单。

1 虚拟现实的应用和发展前景

在我们的现实生活中有很多场景不能身临其境,而虚拟现实正好能弥补这方面的困难,不但可以亲临现场作业,而且还操作控制简单,正是虚拟现实的这个优点决定了它的广泛用途。虚拟现实已经广泛的应用于城市规划、室内设计、房地产开发、工业仿真、军事模拟等各个方面[1]。

虚拟现实的发展前景是美好的,与网络通信特性的结合更是人们所期望的。在某种意义上说虚拟现实将改变人们对生活的观点和看法,改变人类的思维方法,甚至会改变对自己、世界、空间的看法。它是一项发展中的技术,具有广阔的应用方向[2]。利用它和外部硬件设备,我们的生活将会更加美好有趣。

2 虚拟现实系统的相关技术

作为一个发展的技术,虚拟现实系统的目标是生成一个可交互漫游的虚拟世界,让用户可以随意的浏览、漫游。要达到这个目标,除了需要硬件设备外,还需要具有相关的技术才能得到保证。

虚拟现实系统的相关技术比较多,这些技术大都存在于我们目前所接受、学习、研究的学科理论之中,这些技术包括通信技术、计算机技术、多媒体技术、传感技术、立体显示技术、建模技术等,虚拟现实技术是这些相关技术的集成与渗透。

3 虚拟现实系统的组成

虚拟现实系统从大的方面来说一般包括硬件系统和软件系统两个组成部分,它是计算机技术、多媒体技术、网络技术、传感器技术、人工智能技术等多学科、多功能的子系统所构成的终合集成环境,是包括数字图象处理、网络通信及建模技术等终合性很强的技术[3]。

虚拟现实系统的组成结构图如图1所示。从图中可以看出虚拟现实系统的组成以VRP漫游引擎为中心,其它的组成设备可以通过相应的接口与漫游引擎进行通信、数据交换等。3DS Max所建造的三维模型和Photoshop处理的贴图通过输入输出接口与VRP漫游引擎进行交互,漫游引擎处理模型数据并存储在数据库中,由数据库管理软件进行管理、维护、更新等,最后经过VRP-Builder编辑器的场景处理后由内嵌的VR浏览器进行浏览、交互漫游,整个虚拟现实系统也就设计成功了。

4 虚拟桥梁系统的设计

虚拟桥梁漫游系统在进行设计之前要经过大量的准备工作,本系统的设计流程如图2所示,下面就每一个设计过程做一个简单的讲解。

4.1 模型建立

在建立模型之前要把场景的尺寸与桥梁的真实情况保持一致,单位合理并做到统一。由于桥梁跨度比较大,结构比较复杂,在工程图纸上的度量单位一般是毫米,所以3DS Max中的显示单位和系统单位也都设置成毫米。在3DS Max中使用菜单栏的Customize菜单项里的Units Setup(单位设置)进行单位统一的设置,同时要把几何模型在视窗中的世界坐标和相对坐标都设置好,设置好几何模型的中心坐标[4]。

在桥梁虚拟漫游系统中也存在着不规则的物体,我们可以使用Loft(放样路径)等技术手段来生成不规则的实体。对主梁桥面这样具有固定横截面的实体,可以先绘制出二维横截面和路径,然后使用放样路径再生成三维模型。放样路径的使用比较简单,但是不好控制其参数的变化,控制不好就会影响整个系统的运行速度。

对桥塔、桥墩这类实体的构造,可以使用修改器列表里的编辑网格再加上Extrude(挤出)来形成三维模型。对长条状的实体如栏杆、拉索等,尽量不用模型而用贴图的方式表现,这是因为这些细长条形的物体只会增加当前场景文件的模型数量,并且在实时渲染时还会出现锯齿与闪烁现象[5]。

4.2 材质的设置

在完成场景模型的建立之后,即可为该模型添加材质。本文使用的是标准材质,对部分模型添加了纹理贴图。如果需要将物体烘焙为Lighting Map时,一般只能设置材质为Advanced Lighting、Architectural、Standard类型,而在要使用到其他材质时,一般需要将该物体烘焙为Complete Map。

无须在其他贴图通道里设置过多信息,因为这些设置在经过烘焙后,导入VRP编辑器之后,大部分效果都丢失了。如在Reflection(反射)通道里添加Flat Mirror(镜面反射),虽然渲染时看得到,但当物体经过烘焙导入到VRP编辑器之后就看不出来了。

4.3 灯光和相机的设置

VRP对Max场景中的灯光设置没有特别要求,按需要设置合理的灯光和阴影参数即可。本文使用的是Target spot,并添加了一个skylight,使用的阴影类型为Area Shadows阴影类型(也可以将其改为其它阴影类型)。场景中的灯光参数都是按照通常作图的布光方式进行设置的,对于相机的参数也没有特别的要求,而且相机不是必须的。

4.4 渲染与烘焙

VRP对应用什么类型的渲染器进行渲染没有严格要求,使用高级光照渲染可以产生全局照明和真实的漫反射效果;但应用标准灯光模拟全局光照,使用Scanline进行渲染其效果也很好。为加强真实感,在本系统中我们使用Max的高级光照渲染。按F10打开渲染面板,选择高级光照选项卡,然后选择Light Tracer选项。修改设置Bounces的参数,其它参数取默认值即可。渲染后的效果如图3所示,这里加入了周围场景。

烘焙就是把MAX中的物体的光影以贴图的方式带到VRP中,以求真实感,在3DS max中进行烘焙的工具是Render To Texture命令。在对3DS max 7中的场景渲染效果感到满意之后,首先在3DS max任意视图中选择所有物体(也可直接按下Ctrl+A组合键),然后单击RenderingRender To Texture命令,随后便会弹出Render To Textures对话框,依次修改参数并进行设置,设置完毕后点击Render开始烘焙。

4.5 虚拟现实软件中的设计

把上边的工作完成后,就要把在3ds Max中建立好的场景模型导出到VRP-Builder编辑器中进行后期的处理。利用VRP提供给3DS Max建模软件的VRP-for-Max插件,把场景中的模型导出至VRP-Builder中,导出过程非常自动化,对用户没有太多特定的要求。

在VRP-Builder中集成了一个可视化的二维界面编辑器,可以设计各式各样的界面,如添加面板、添加按钮、设置热点和动作等,在本编辑器中还可以对场景材质进行编辑。对场景贴图的优化,通过调整贴图格式减小贴图量,由于贴图量与贴图的面积成正比,因此在将其尺寸缩小为1/2后,其贴图量会缩小到原贴图量的1/4,改变贴图的压缩格式也可以减小贴图量。在VRP-Builder中可以创建场景相机、可以设置场景的碰撞检测、可以制作场景特效等功能[6]。

在对运行窗口各个选项设置完成后,单击工具栏中的运行按钮或F5,这时VRP-Builder会启动一个内置的浏览器,将用户所编辑的场景以最终产品的形式展现在一个窗口中。把所做的场景文件保存,最后通过简单的操作制作能够独立运行的Exe文件。

5 结束语

从以上设计研究中可以看出,VR-Platform平台具有很强的灵活性。虚拟桥梁系统主要由建模和交互漫游两部分组成,通过本文的研究为以后桥梁的设计、施工与维护提供了重要的依据,并结合数据库管理技术做到了实时、高效的信息查询功能,更高的可以为桥梁的监测做出进一步的探讨和研究,提供可视化的监测系统。

摘要：利用3DSMax建模软件和中视典数字科技有限公司自主开发的VR-Platform虚拟现实平台软件的结合,探讨了大型桥梁虚拟漫游系统的设计,介绍了虚拟现实的应用和发展前景,讨论了三维场景构建与交互漫游实现过程中所使用的技术,展现了虚拟现实技术在大型桥梁设计中的强大功能,证明了这种方案是切实可行的。

关键词：大型桥梁,虚拟漫游,三维场景,虚拟现实技术

参考文献

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虚拟现实技术三维建模 篇8

1 三维虚拟校园建模概论

1.1 虚拟校园构建方式

具体而言, 现阶段的虚拟环境三维建模方式大致分为基于图像的建模技术及基于图形的建模技术这两类。基于图像构建的虚拟现实环境具备极强的景观真实感, 不过需要具备大量内存;基于图形建模方式所建立的虚拟环境要具备大量计算机矢量建模过程, 同时对计算机系统速度要求极高, 并且真实感不强, 便于人机交互的实现。随着矢量建模及图像纹理粘贴融合技术的出现及发展, 充分提升了三维景观逼真性, 不过这对虚拟环境硬件性能要求较高。

1.2 3DMAX三维建模

3DMAX属于Autodesk公司所开发的给予PC系统的一种技术, 大多是用于各类物体三维建模及可视化设计和动画与渲染等处理方案, 可以说是制作建筑效果图及动画制作的专业工具, 所以3DMAX于校园三维建模中有着较强的优势。3DMAX建模流程主要是:第一, 启动软件且设置单位, 通常单位设置是米, 基于CAD底图展开三维建模。从而直接性导入CAD底图, 同时勾画出各类建筑物大体轮廓, 若是没有CAD矢量图则可于googleearth上截取建筑物底图, 测量确定截取建筑物图片的长宽比例。再按照该比例创建box, 截取图片贴到建筑物长宽, 按照截图勾画建筑物轮廓, 从而确定建筑物材质。最终是按照高度信息挤压建立建筑物立体模型, 把所采集的纹理数据贴图以展开模型优化, 包括模型结构优化及模型贴图优化, 模型结构优化则是保持模型具体效果而尽可能缩减不必要的点线面, 避免出现冗余度。贴图优化则关键是对纹理数据施以亮度处理, 再按照所需调整纹理像素尺寸, 使得视觉效果更为逼真。

2 具体建模

2.1 数据准备

虚拟校园三维模型大致可分为建筑模型及地形模型和地物模型这三种。常见地物为树木及路灯等, 可通过3DMAX软件所提供的三维数据模型库中对应模型直接建模, 较为复杂或是大型建筑物模型则需采用3DMAX软件建模, 注重研究需要, 同时经过外业量测及资料搜集而获得各项数据。

(1) 通过大地测量工具测量, 运用Auto CAD编辑校正, 最终获取建筑物平面图及坐标底图;

(2) 采用高分辨率数码相机拍下各建筑物, 获得模型贴图照片, 再通过Photoshop等图像处理软件裁切校正, 最终以JPG格式保存以形成贴图库。贴图长度及宽度均是2的幂次整数, 以便后期能够有效显示贴图可视化。

2.2 内业建模

虚拟环境下三维建模中复杂且困难的就是模型建立, 为了能够确保模型精确度及真实感则建模中应保持对应原则:第一, 建模房屋长宽高数据务必严格根据基础数据实地勘测数据而建立, 建筑物方向应严格根据实地统一方向;第二, 房屋模型地面中心位置均位于3DMAX XY平面中心 (x, y, z:0, 0, 0) 的位置;第三, 适当的情况下则尽可能压缩纹理;第四, 模型建立时务必紧扣建筑主体轮廓, 以便确保模型真实性及可塑性, 从而有效减少不必要的细化。

2.3 材质贴图

利用贴图增加模型质感, 以便有效健全模型造型, 使得所创建的三维场景更加现实, 3DMAX中常用贴图方式为位图及光线追踪和衰减与噪波等程序贴图。虚拟校园三维建模中则位图方式应用较多, 该方式可生成良好的模拟建筑物表面, 同时操作便捷。三维场景制作中很多模型表面贴图均需及具体实体互相吻合, 但是这一点利用其它程序贴图较难实现, 选择数码相机收集各个建筑物外形轮廓, 以便获得三维地建模纹理图片。因为建筑物高度及拍摄距离和透视关系与光照条件等方面因素使得拍摄图片比例失调, 因此不能直接应用, 应通过Photoshop软件处理, 使得图片成为正射状态。具体流程为:

(1) 实地拍摄的数码照片中选用适宜的照片于Photoshpo中拉伸扭曲而获得贴图单元;

(2) 3DMAX中要采用经过处理的图片贴图, 利用修改工具中的UVW贴图坐标来确定二维贴图, 同时以任何方式映射于物体上, 再施以效果校正以使得贴图效果更加真实。

3 结束语

实现三维虚拟校园建模系统仍需相关部门更大的投入, 同时也应注重建模及实现和开发。本文通过3DMAX软件校园建筑物展开三维模型创建, 3DMAX于场景建模中具备极强的实用性及便捷性, 因此该技术所制作的三维模型场景非常细腻且真实感极强, 充分适用于学校小区域精细建模。采用3DMAX技术的构建的三维模型可实现及Auto CAD格式校园建模数据源无缝融合, 这两者的坐标系可精确拟合, 同时数据亦可快速相互转换, 准确无误的构建校园三维场景模型。

参考文献

[1]史素霞, 宋志英.三维虚拟校园漫游研究设计[J].产业与科技论坛, 2015 (08) .

[2]毛学刚, 李明泽, 范文义.三维虚拟校园的设计与实现[J].测绘信息与工程, 2008 (01) .

[3]冯莉莉, 武卫玲.基于3ds Max的虚拟校园三维模型的创建[J].林业科技情报, 2009 (01) .

[4]陈三, 蒋珊珊, 王蕾, 白元昊, 阚丽丽.数字化校园3D虚拟图书馆的建设[J].电脑知识与技术, 2014 (33) .

虚拟现实技术三维建模 篇9

1软件选择

Inventor是美国Autodesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件，能够方便快捷地创建和验证完整的数字样机，可用于建模、装配等工作。3dsMax是Autodesk公司研发的三维动画制作和渲染软件，具有通用性好、方便易学、价格低廉、扩展性强等优点，是目前较为流行的同类软件之一。本文所述的自动化集装箱码头三维建模和动画仿真基于Windows操作系统，三维建模由Inventor软件完成，三维动画制作由3dsMax软件完成，动画后期制作由AfterEffects后期特效软件和PremierePro非线性编辑软件完成。

2模型创建及导入

自动化集装箱码头设备众多，这些设备的三维模型需要利用Inventor软件分别创建。本项目创建的模型包括集装箱船舶、桥吊、内集卡、自动导引车、自动导引车伴侣、轨道吊、铁路吊、码头地形等。

模型创建完成后，需要导入3dsMax软件中以构建场景模型。在3dsMax软件中，依次选择“应用程序”菜单→“导入”选项→“选择要导入的文件”对话框→“文件类型”→“AutodeskInventor（*.IPT；*.IAM）”，将建好的模型逐个导入。导入模型时应当根据具体情况选择适当的选项，以确保模型精度及Z轴方向正确（见图1）。设备模型全部导入后，按方案布置图将模型放置在相应位置，形成自动化集装箱码头总体三维模型（见图2）。

3材质及灯光设置

对模型进行材质、纹理贴图是关键步骤之一。为增强码头整体效果的真实性，要根据业主的要求，利用材质编辑器赋予模型相应的颜色、材质。一般情况下不要求对材质进行做旧处理，只要根据业主提供的色标调出相应的颜色，再调整高光级别及光泽度参数即可。此外，对港徽铭牌、集装箱材质等进行贴图处理，并利用3dsMax软件的UV纹理编辑器进行对位和编辑，配合整体模型达到最好的效果。

本项目使用mrSun和mrSky设置灯光参数，能够精确渲染日光场景，实现较真实的光照阴影效果（见图3）。

4脚本设计

本项目需要动画演示7种作业工况，分别为卸船、装船、堆场移箱、堆场接力、集卡装卸、特殊箱装卸、边装边卸等，每种作业工况均要制定详细的动画脚本。卸船作业的动画脚本见表1。

5动画设置

3dsMax软件设置运动的方法有关键帧法、变形法和关节法等，技术动画一般采用关键帧法和关节法。该软件中几乎所有参数都可以创建关键帧，而机械运动和受物理规律制约的运动仅需少数关键帧就能使画面栩栩如生。

本项目采用关键帧法进行动画设置。为便于设置动画关键帧，对设备及其零部件按所在位置关系分组，并用“选择链接”和“打断链接”的命令建立物体之间的层级关系，定义父物体和子物体，形成动作关联性，使子物体跟随父物体运动。需要注意的是，集装箱分别跟随桥吊小车、自动导引车、轨道吊小车运动，而常规的分组或链接只能使其在整个动画过程中跟随唯一的父物体运动，对其单独设置动画帧的工作量又较大，为此，将集装箱的控制器类型改为“链接约束”，使其继承目标对象的位置、旋转度和比例，从而随场景中的不同对象运动。集装箱在特定关键帧的链接状态见图4。

6渲染输出及后期合成

按照动画脚本对相关的设备、零部件设置关键帧后，即可进行渲染输出，在“渲染器设置”对话框中调节“活动时间段”“输出大小”“渲染输出”“指定渲染器”等参数。本项目采用MentalRay渲染器进行渲染，输出分辨率为高清电视的1280€？20，并采用TGA图片序列为最终渲染结果，这样方便后期特效软件和非线性编辑软件合成动画视频，通过添加字幕、音乐、配音等完成整个三维仿真动画的制作。

7结束语

Inventor软件和3dsMax软件各有优势，在动画仿真应用上能够实现功能互补。利用上述软件模拟自动化集装箱码头的布局规划和各种作业工况，可以使抽象的技术问题形象化，使码头管理者和研发人员直观了解自动化集装箱码头的布局方案和作业流程，从而大大方便方案论证和交流改进，并为调整优化方案提供决策依据。实践证明，三维建模和动画仿真软件以其独特的设计理念，将科学性与艺术性相结合，为自动化集装箱码头设计和推广提供重要支撑。

参考文献：

[1]杨桂樨.我国港口集装箱运输及码头建设[J].港工技术，2003（1）：14-18.

（编辑：张敏收稿日期：2012-12-27）

虚拟现实技术三维建模 篇10

关键词：平口钳,三维软件,虚拟建模

0 引言

夹具是制造业工艺装备的重要部分之一, 是实现各种零件优质、高效、低耗切削加工而必备的硬件, 在国内外正在逐渐形成一个依附于机床业或独立的小行业[1]。夹具设计的好坏直接影响机加工零部件的精度, 文中以平口钳为设计对象, 采用Solid Works软件, 进行其各个组成零件的三维设计和虚拟装配, 提高了设计效率, 为下一步零件加工精度的保证奠定基础。

1 机用平口钳的工作原理

平口钳又称台虎钳, 是机械加工和钳工装配或维修所必备的辅助工具, 同时也是用来夹持工件一种通用夹具具体结构如图1所示。

钳座6安装在机床的工作台上起机座作用, 支承钳口铁4、活动钳口1、螺杆8和方块螺母7等零件[2]。当用扳手转动螺杆8时, 通过螺旋运动带动方块螺母7作左右移动, 因为螺旋线有转动和轴向移动两种, 而螺杆8的左边用开口销卡住, 使得它只能在固定钳座的两圆柱孔中转动, 而不能沿轴向移动螺杆。方块螺母7通过螺钉2、带着活动钳口1和钳口板2作左右移动, 起夹紧或松开工件的作用。

2 机用平口钳的建模

Solid Works建模基本思路是根据零件CAD数据, 选择适当基准面建立相应草图, 通过拉伸、旋转、扫描、放样等建立基体模型, 运用各种切除、异型孔、倒圆和倒角等操作, 建立各个零件三维图。文中主要对平口钳中形状比较复杂的零件进行建模:钳座、活动钳口和螺杆。建立后的钳座、活动钳口和螺杆如图2所示。

1.活动钳口2.螺钉3.螺钉4.钳口铁5.调整垫6.钳座7.方块螺母8.螺杆9.螺母10.开口销

3 螺杆的强度计算确定

该平口钳采用梯形螺纹传动, 螺杆和方块螺母均采用45钢, 需要传动100 k N的夹紧力, 该钢的许用切应力为185 MPa, 强度极限为370 MPa。螺纹规格为Tr18×4-7e, 查梯形螺纹基本尺寸 (GB5796-86) , 其小径和中径计算如表1。

mm

平口钳在夹紧工作状态下, 螺杆螺纹牙受力是最大的部位, 在根部发生剪切和挤压破坏, 如图3所示, 如果将一圈螺纹沿螺杆的螺纹大径d展开, 则可以看作宽度为πd的悬臂梁, 假设螺杆每圈螺纹所承受的平均压力为Q/z, z为啮合圈数, 并作用在以螺纹中径d2为直径的圆周上, 则螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条件为[3]

螺纹牙危险截面a-a的弯曲强度条件为

式中:b为螺纹牙根部的厚度, 对于梯形螺纹, b=0.65P, P为螺纹螺距, mm;l为力臂, mm, l= (d-d2) /2;[τ]为螺杆材料许用切应力, MPa;[σ]为螺杆材料许用弯曲应力, MPa;因为方块螺母绘图长度选用30 mm, 螺距P为4 mm, 故

z=30÷3=10。

将该平口钳设计参数Q=100 k N, d=18, b=2.6, l=1, z=10, 代入式 (1) 、式 (2) , 得到:τ=Q/ (πdbz) =100÷ (3.14×18×2.6×10) ≤[τ]=180 MPa, 满足剪切强度;σb=6Ql/ (πdb2z) =6×100×1÷ (3.14×18×2.62×10) ≤[σ]=370 MPa, 满足弯曲强度。

4 台虎钳装配

采用自底向上的装配方法, 先创建一个个零件, 然后选择要进行装配的零件几何模型, 设置零件加入到装配中的相关信息, 再通过面与面之间的配合、孔与孔之间中心对称配合、孔与轴中心对称配合等零件约束, 完成装配模型图4。

在装配过程中若发现零件尺寸不匹配, 有干涉现象的话, 可以打开零件图模式, 通过修改相应尺寸, 达到无干涉的配合效果。

5 结语

文中采用三维软件进行了平口钳的零部件建模和装配, 及时发现零件设计中的问题。实践证明, 用Solid Works软件设计产品, 可以使设计图形直观化, 减少设计错误, 在较短的时间内可开发出高质量的机械产品。

参考文献

[1]汤先云.基于Solid Works机用虎钳的三维建模与运动仿真[J].吉首大学学报:自然科学版, 2009 (5) :67-69.

[2]郭猛.立柱缸体的Solid Works三维建模[J].机械工程与自动化, 2013 (4) :182-183.