在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DS-MAX

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DSMAX

摘要3DStudioMAX是Autodesk公司的子公司Kinetix推出的一種優(yōu)秀的三維動(dòng)畫造型軟件,它廣泛用于游戲、廣告、建筑等領(lǐng)域，是目前PC上最流行的三維動(dòng)畫造型軟件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，它使計(jì)算機(jī)適應(yīng)人而不是人適應(yīng)計(jì)算機(jī)，它的發(fā)展應(yīng)用日益廣泛、普及。本文擬就3DSMAX在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過程中的應(yīng)用做一介紹。1.虛擬現(xiàn)實(shí)簡介虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備用戶可根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對(duì)虛擬世界的物體進(jìn)行考察或操作，參與其中的事件；同時(shí)提供視覺、聽覺、觸覺等多通道的信息，用戶通過視、聽、摸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知，并使參與者沉浸于模擬環(huán)境中。VR的三個(gè)最突出的特征，即它的3“I”特性：交互性、沉浸感、想象。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在眾多相關(guān)技術(shù)如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在最近十年里獲得了極大的發(fā)展，這主要?dú)w因于計(jì)算機(jī)軟、硬件條件的飛速發(fā)展，以及虛擬現(xiàn)實(shí)專用設(shè)備價(jià)格的下降和性能的提高。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，而且日益普及，不僅在諸如NASA的大型工程得到應(yīng)用，也出現(xiàn)在一些游戲中，在一些高檔的PC機(jī)上甚至可以構(gòu)建自己的個(gè)人PCVRS。設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)除了硬件條件一般個(gè)人無法定制外，能夠充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性的就只能是在系統(tǒng)軟的方面下功夫了。設(shè)計(jì)一個(gè)VR系統(tǒng)，首要的問題是創(chuàng)造一個(gè)虛擬環(huán)境，這個(gè)虛擬環(huán)境包括三維模型、三維聲音等，在這些要素中，因?yàn)樵谌说母杏X中，視覺攝取的信息量最大，反應(yīng)亦最為靈敏，所以創(chuàng)造一個(gè)逼真而又合理的模型，并且能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地顯示是最重要的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建的很大一部分工作也是建造逼真合適的三維模型。StudioMAX簡介3DStudioMAX是Kinetix公司推出的一套強(qiáng)大的三維建模軟件,由于它是基于WinNT或Win98平臺(tái)的，方便易學(xué)，又因其相對(duì)低廉的價(jià)格優(yōu)勢,所以成為目前個(gè)人PC上最為流行的三維建模軟件。其版本的推出，更是鞏固了它在個(gè)人PC平臺(tái)上的地位。它的版本相較以前的版本有了明顯的改進(jìn),具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:⑴工作流模式使得工作組的協(xié)調(diào)更容易，效率更高。3DStudioMAXR3引入了工作流模式，在具體的實(shí)現(xiàn)上從外部參考體系、示意視圖的引入以及現(xiàn)在3DMAX可以使用其他程序從外部加以控制，而不必激活它的工作界面。⑵易用性的改進(jìn)。操作界面的改進(jìn)是Release版本的最顯著的變化，除了外觀的變化之外，版本還增加了諸如用戶自定義界面、宏記錄、插件代碼、變換Gizmo、軌跡條等功能。⑶渲染的改進(jìn)。Autodesk公司在收購了以渲染和視頻技術(shù)聞名的DiscreetLogic公司，吸收了該公司的先進(jìn)技術(shù)，3DMAXR3對(duì)其渲染器幾乎做了重新設(shè)計(jì)，不僅增加了渲染的速度，而且提高了畫面渲染的質(zhì)量。⑷建模技術(shù)的增強(qiáng)。建模技術(shù)的增強(qiáng)是3DStudioMAX最重要、最突出的改進(jìn)，這也是在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建中應(yīng)用它的一個(gè)有力的原因。主要的改進(jìn)包括①細(xì)分曲面技術(shù)(SubdivisionSurface)。3DSMAX包含了細(xì)分曲面技術(shù)，細(xì)分曲面技術(shù)是1998年以來業(yè)界最流行的建模技術(shù)，大有趕超NURBS技術(shù)之勢，它可以使模型建立更容易，而且效果更好。②柔性選擇。此項(xiàng)技術(shù)可以“部分地”選擇頂點(diǎn)，從而在變換頂點(diǎn)時(shí)獲得光滑、柔和的效果,這對(duì)建立復(fù)雜物體的模型時(shí)非常有用。③曲面工具和改進(jìn)的NURBS技術(shù)。使用曲面工具可以產(chǎn)生很復(fù)雜的“面片”模型，這亦是一種重要的建模方法，Release版本中的NURBS技術(shù)不但速度加快，而且增加了一系列方便、易用的功能。⑸對(duì)游戲的更好支持。3DStudioMAXR3大大增強(qiáng)了對(duì)游戲的支持，而且這些特性也可以用于其他場合。①增加了角色動(dòng)畫功能。Release版本內(nèi)置了制作角色動(dòng)畫的功能，可以方便制作人物或動(dòng)物的動(dòng)作、柔軟物體的效果以及變形效果。②頂點(diǎn)信息以及加強(qiáng)的貼圖坐標(biāo)功能?，F(xiàn)在可以對(duì)頂點(diǎn)著色，并增加了頂點(diǎn)的通道，增強(qiáng)了UVWUnwarp的功能，并增加了WorldXYZ貼圖坐標(biāo)。此外，3DStudioMAXR3也顯著增強(qiáng)了動(dòng)畫功能。3.3DSMAX在VR系統(tǒng)構(gòu)建過程中的應(yīng)用如前所述,VR系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)逼真地模擬環(huán)境,考慮到硬件的限制和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求,VR系統(tǒng)的建模與以造型為主的動(dòng)畫建模方法有著顯著的不同,VR的建模大都采用模型分割、紋理映射等技術(shù)。目前VR中的虛擬場景的構(gòu)造主要有以下途徑：基于模型的方法和IBR方法兩種。這兩種方法都可以在3DSMAX中加以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，下面具體展開加以說明。3．1基于模型的構(gòu)造方法。3DSMAX的幾何建模方法主要有多邊形建模、非均勻有理B樣條曲線建模、細(xì)分曲面技術(shù)建模。通常建立一個(gè)模型可以分別通過幾種方法得到，但有優(yōu)劣、繁簡之分。⑴多邊形建模。多邊形建模技術(shù)是最早采用的一種建模技術(shù)，它的思想很簡單，就是用小平面來模擬曲面，從而制作出各種形狀的三維物體，小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形但實(shí)際中多是三角形或矩形。使用多邊形建?？梢酝ㄟ^直接創(chuàng)建基本的幾何體，再根據(jù)要求采用修改器調(diào)整物體形狀或通過使用放樣、曲面片造型、組合物體來制作虛擬現(xiàn)實(shí)作品。多邊形建模的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便和快速但它難于生成光滑的曲面，故而多邊形建模技術(shù)適合于構(gòu)造具有規(guī)則形狀的物體，如大部分的人造物體，同時(shí)可根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求，僅僅通過調(diào)整所建立模型的參數(shù)就可以獲得不同分辨率的模型，以適應(yīng)虛擬場景實(shí)時(shí)顯示的需要。⑵NURBS建模。NURBS是Non-UniformRationalB-Splines的縮寫，它純粹是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)數(shù)學(xué)概念。NURBS建模技術(shù)是最近4年來三維動(dòng)畫最主要的建模方法之一，特別適合于創(chuàng)建光滑的、復(fù)雜的模型,而且在應(yīng)用的廣泛性和模型的細(xì)節(jié)逼真性方面具有其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。但由于NURBS建模必須使用曲面片作為其基本的建模單元，所以它也有以下局限性NURBS曲面只有有限的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它很難制作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很復(fù)雜的物體(例如帶空洞的物體)；NURBS曲面片的基本結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格狀的,若模型比較復(fù)雜,會(huì)導(dǎo)致控制點(diǎn)急劇增加而難于控制;構(gòu)造復(fù)雜模型時(shí)經(jīng)常需要裁剪曲面,但大量裁剪容易導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤;NURBS技術(shù)很難構(gòu)造“帶有分枝的”物體。

⑶細(xì)分曲面技術(shù)。細(xì)分曲面技術(shù)是1998年才引入的三維建模方法，它解決了NURBS技術(shù)在建立曲面時(shí)面臨的困難，它使用任意多面體作為控制網(wǎng)格，然后自動(dòng)根據(jù)控制網(wǎng)格來生成平滑的曲面。細(xì)分曲面技術(shù)的網(wǎng)格可以是任意形狀，因而可以很容易地構(gòu)造出各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并始終保持整個(gè)曲面的光滑性。細(xì)分曲面技術(shù)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是“細(xì)分”，就是只在物體的局部增加細(xì)節(jié)，而不必增加整個(gè)物體的復(fù)雜程度，同時(shí)還能維持增加了細(xì)節(jié)的物體的光滑性。但由于細(xì)分曲面技術(shù)是一種剛出現(xiàn)不久的技術(shù)，3DStudioMAXR3對(duì)它的支持還顯得稚嫩，還不能完成一些十分復(fù)雜的模型創(chuàng)作。有了以上3DSMAX幾種建模方法的認(rèn)識(shí)，就可以在為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)制作相應(yīng)模型前,根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求選取合適的建模途徑,多快好省地完成虛擬現(xiàn)實(shí)的作品的制作。在虛擬現(xiàn)實(shí)作品制作的時(shí)候應(yīng)當(dāng)遵循一個(gè)原則:在能夠保證視覺效果的前提下，盡量采用比較簡單的模型，而且若能夠用參數(shù)化方法構(gòu)建的對(duì)象盡量用參數(shù)化方法構(gòu)建，同時(shí)，在模型創(chuàng)作過程中，對(duì)模型進(jìn)行分割，分別建模，以利于在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行操作和考察。對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的運(yùn)動(dòng)或原理演示,我們可以預(yù)先將對(duì)象的運(yùn)動(dòng)和說明做成動(dòng)畫存為avi文件,然后等待VR系統(tǒng)合適的觸發(fā)事件,播放該avi文件即可。3．2基于圖像的繪制(IBR)，傳統(tǒng)圖形繪制技術(shù)均是面向景物幾何而設(shè)計(jì)的，因而繪制過程涉及到復(fù)雜的建模、消隱和光亮度計(jì)算。盡管通過可見性預(yù)計(jì)算技術(shù)及場景幾何簡化技術(shù)可大大減少需處理景物的面片數(shù)目，但對(duì)高度復(fù)雜的場景，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件仍無法實(shí)時(shí)繪制簡化后的場景幾何。因而我們面臨的一個(gè)重要問題是如何在具有普通計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)真實(shí)感圖形的實(shí)時(shí)繪制。IBR技術(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)的一種全新的圖形繪制方式。該技術(shù)基于一些預(yù)先生成的圖像(或環(huán)境映照)來生成不同視點(diǎn)的場景畫面，與傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比，它有著鮮明的特點(diǎn)⑴圖形繪制獨(dú)立于場景復(fù)雜性，僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)。⑵預(yù)先存儲(chǔ)的圖像(或環(huán)境映照)既可以是計(jì)算機(jī)合成的，亦可以是實(shí)際拍攝的畫面，而且兩者可以混合使用。⑶該繪制技術(shù)對(duì)計(jì)算資源的要求不高，因而可以在普通工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)顯示。由于每一幀場景畫面都只描述了給定視點(diǎn)沿某一特定視線方向觀察場景的結(jié)果，并不是從圖像中恢復(fù)幾何或光學(xué)景象模型，為了擺脫單幀畫面視域的局限性，我們可在一給定視點(diǎn)處拍攝或通過計(jì)算得到其沿所有方向的圖像，并將它們拼接成一張全景圖像。為使用戶能在場景中漫游，我們需要建立場景在不同位置處的全景圖，繼而通過視圖插值或變形來獲得臨近視點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的視圖。IBR技術(shù)是新興的研究領(lǐng)域，它將改變?nèi)藗儗?duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，從而使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)獲得更加廣泛的應(yīng)用。3DSMAX在IBR中的應(yīng)用是自然的，3DSMAX的出色的紋理貼圖，強(qiáng)大的貼圖控制能力，各種空間扭曲和變形，都提供了對(duì)圖像和環(huán)境映照的容易的處理途徑。例如，在各種IBR的應(yīng)用中，全景圖的生成是經(jīng)常需要解決的問題，這方面，利用3DSMAX可以根據(jù)所需的全景圖類型先生成對(duì)應(yīng)的基板，比如，柱面全景圖就先生成一個(gè)圓柱，然后控制各個(gè)方向的條狀圖像沿著圓柱面進(jìn)行貼圖即可。而且可以將圖像拼接的過程編制成Script文件做成插件嵌入3DSMAX環(huán)境中，可以容易地生成全景圖并且預(yù)先觀察在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中漫游的效果，這通過在VideoPost設(shè)置攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡即可。事實(shí)上，目前已經(jīng)有一些全景圖生成和校正的插件。在用3DSMAX為VR系統(tǒng)創(chuàng)作好模型后，結(jié)合VR系統(tǒng)的要求，看是否需要采用諸如LOD模型，如果需要可利用MAX自帶的LOD插件直接生成對(duì)象的LOD模型，最后根據(jù)VR系統(tǒng)的編輯環(huán)境將模型輸出為編輯環(huán)境所能接收的文件類型，如VRML97或DXF等格式的文件。以上主要介紹了3DSMAX制作VR作品，下面再簡單介紹一些3DSMAX的另外的應(yīng)用。在VR系統(tǒng)中經(jīng)常需要有視差和景深的立體視圖，這可以通過在3DSMAX中設(shè)置雙攝像機(jī)來模擬人的雙眼來渲染立體視圖對(duì)，這個(gè)需要調(diào)整雙攝像機(jī)的相對(duì)位置，然后分別渲染不同的攝像機(jī)視圖即可得到立體視圖對(duì)，具體實(shí)現(xiàn)過程可參見文獻(xiàn)〖2〗。3DSMAX是用C++語言和OpenGL編寫的應(yīng)用軟件，而且它提供的MAXSDK也是采用C＋＋編寫的代碼，我們可以很容易地用C＋＋和OpenGL結(jié)合MAXSDK實(shí)現(xiàn)我們的圖形學(xué)算法，再把我們的算法作為插件嵌入3DSMAX環(huán)境中，而不用考慮物體模型的生成和處理的復(fù)雜代碼，利用3DSMAX的渲染計(jì)時(shí)器可以方便地檢驗(yàn)我們所編算法的效率和效果。參考文獻(xiàn)1.曾芬芳主編.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).上海交通大學(xué)出版社,1997年第一版.2.黃心淵編