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1、在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中使用3DS MAX在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中使用3DS MAX 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中使用3DS MAX 信息技術(shù)論文 更新:2006-4-8 閱讀: 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中使用3DS MAX在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中使用3DS MAX國(guó)防科技大學(xué)自動(dòng)控制系 黃衛(wèi)平 李 林摘要:3D Studio MAX 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)開(kāi)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),它的開(kāi)展應(yīng)用日益廣泛、普及。本文擬就

2、3DS MAX 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的應(yīng)用做一介紹。1.虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)介虛擬現(xiàn)實(shí)VR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(guò)多種傳感設(shè)備用戶可根據(jù)自身的感覺(jué),使用人的自然技能對(duì)虛擬世界的物體進(jìn)展考察或操作,參與其中的事件;同時(shí)提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多通道的信息,用戶通過(guò)視、聽(tīng)、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interactivity、沉浸感Illusion of Immersion、想象 imagination。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

3、智能的根底上開(kāi)展起來(lái)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在最近十年里獲得了極大的開(kāi)展,這主要?dú)w因于計(jì)算機(jī)軟、硬件條件的飛速開(kāi)展,以及虛擬現(xiàn)實(shí)專用設(shè)備價(jià)格的下降和性能的進(jìn)步。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,也出如今一些游戲中,在一些高檔的PC機(jī)上甚至可以構(gòu)建自己的個(gè)人PCVRS個(gè)人虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。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(wú)法定制外,可以充分發(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(wèn)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(jué)中,視覺(jué)攝取的信息量最大,反響亦最為靈敏,所以

4、創(chuàng)造一個(gè)逼真而又合理的模型,并且可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示是最重要的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建的很大一局部工作也是建造逼真適宜的三維模型。2.3D Studio MAX 簡(jiǎn)介3D Studio MAX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Win NT 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(shì),所以成為目前個(gè)人PC上最為流行的三維建模軟件。其3.0版本的推出,更是穩(wěn)固了它在個(gè)人PC平臺(tái)上的地位。它的3.0版本相較以前的版本有了明顯的改進(jìn),詳細(xì)表如今以下幾個(gè)方面: 工作流形式使得工作組的協(xié)調(diào)更容易,效率更高。3D Studio MAX R3引入了工作流形式,在詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)上從外

5、部參考體系XRef、示意視圖Schematic View的引入以及如今3D MAX 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。 易用性的改進(jìn)。操作界面的改進(jìn)是Release 3.0版本的最顯著的變化,除了外觀的變化之外,R3.0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。 渲染的改進(jìn)。Autodesk公司在收購(gòu)了以渲染和視頻技術(shù)知名的Discreet Logic公司,吸收了該公司的先進(jìn)技術(shù),3D MAX R3 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,而且進(jìn)步了畫面渲染的質(zhì)量。 建模技術(shù)的增強(qiáng)。建模技術(shù)的增強(qiáng)是3D Studio MAX

6、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: 細(xì)分曲面技術(shù)(Subdivision Surface) 。3DS MAX 包含了細(xì)分曲面技術(shù),細(xì)分曲面技術(shù)是1998年以來(lái)業(yè)界最流行的建模技術(shù),大有趕超NURBS技術(shù)之勢(shì),它可以使模型建立更容易,而且效果更好。 柔性選擇。此項(xiàng)技術(shù)可以“局部地選擇頂點(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。 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 3.0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

7、功能。 對(duì)游戲的更好支持。3D Studio MAX R3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(chǎng)合。 增加了角色動(dòng)畫功能。Release 3.0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。 頂點(diǎn)信息以及加強(qiáng)的貼圖坐標(biāo)功能。如今可以對(duì)頂點(diǎn)著色,并增加了頂點(diǎn)的通道,增強(qiáng)了UVW Unwarp的功能,并增加了World XYZ貼圖坐標(biāo)。此外,3D Studio MAX R3也顯著增強(qiáng)了動(dòng)畫功能。3. 3DS MAX 在VR系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的應(yīng)用如前所述,VR系統(tǒng)要?jiǎng)?wù)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

8、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(chǎng)景的構(gòu)造主要有以下途徑:基于模型的方法和IBR基于圖像的繪制方法兩種。這兩種方法都可以在3DS MAX中加以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證,下面詳細(xì)展開(kāi)加以說(shuō)明。3 1 基于模型的構(gòu)造方法。3DS MAX的幾何建模方法主要有多邊形Polygon建模、非均勻有理B樣條曲線建模NURBS、細(xì)分曲面技術(shù)建模Subdivision Surface。通常建立一個(gè)模型可以分別通過(guò)幾種方法得到,但有優(yōu)劣、繁簡(jiǎn)之分。 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(jiǎn)單,就是用小平面來(lái)模擬曲面,從而制作出各種

9、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^(guò)直接創(chuàng)立根本的幾何體,再根據(jù)要求采用修改器調(diào)整物體形狀或通過(guò)使用放樣、曲面片造型、組合物體來(lái)制作虛擬現(xiàn)實(shí)作品。多邊形建模的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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)適宜于構(gòu)造具有規(guī)那么形狀的物體,如大局部的人造物體,同時(shí)可根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求,僅僅通過(guò)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(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示的需要。 NURBS建模。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines非均勻有理B樣條曲線的縮寫,它純粹是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一

10、個(gè)數(shù)學(xué)概念。NURBS建模技術(shù)是最近4年來(lái)三維動(dòng)畫最主要的建模方法之一,特別適宜于創(chuàng)立光滑的、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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。但由于NURBS建模必須使用曲面片作為其根本的建模單元,所以它也有以下局限性:NURBS曲面只有有限的幾種拓?fù)錁?gòu)造,導(dǎo)致它很難制作拓?fù)錁?gòu)造很復(fù)雜的物體(例如帶空洞的物體);NURBS曲面片的根本構(gòu)造是網(wǎng)格狀的,假設(shè)模型比擬復(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。 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

11、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(lái)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,因此可以很容易地構(gòu)造出各種拓?fù)錁?gòu)造,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),3D Studio MAX R3對(duì)它的支持還顯得稚嫩,還不能完成一些非常復(fù)雜的模型創(chuàng)作。有了以上3DS MAX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)的要求選取適宜的建模途徑,多快好

12、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)原那么:在可以保證視覺(jué)效果的前提下,盡量采用比擬簡(jiǎn)單的模型,而且假設(shè)可以用參數(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(guò)程中,對(duì)模型進(jìn)展分割,分別建模,以利于在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)展操作和考察。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(shuō)明做成動(dòng)畫存為avi文件,然后等待VR系統(tǒng)適宜的觸發(fā)事件,播放該avi文件即可。32 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,因此繪制過(guò)程涉及到復(fù)雜的建模、消隱和光亮度計(jì)算。盡管通過(guò)可見(jiàn)性預(yù)計(jì)算技術(shù)及場(chǎng)景幾何簡(jiǎn)化技術(shù)可大大減少需處理景物的面片

13、數(shù)目,但對(duì)高度復(fù)雜的場(chǎng)景,現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件仍無(wú)法實(shí)時(shí)繪制簡(jiǎn)化后的場(chǎng)景幾何。因此我們面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是如何在具有普通計(jì)算才能的計(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)這一目的而設(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(lái)生成不同視點(diǎn)的場(chǎng)景畫面,與傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比,它有著鮮明的特點(diǎn): 圖形繪制獨(dú)立于場(chǎng)景復(fù)雜性,僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)。 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。 該繪制技術(shù)對(duì)計(jì)算資源的要求不高,因此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(chǎng)景的實(shí)時(shí)顯示。由于每一幀場(chǎng)景畫面都只描繪

14、了給定視點(diǎn)沿某一特定視線方向觀察場(chǎng)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(guò)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(chǎng)景中遨游,我們需要建立場(chǎng)景在不同位置處的全景圖,繼而通過(guò)視圖插值或變形來(lái)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。3DS MAX在IBR中的應(yīng)用是自然的,3DS MAX的出色的紋理貼圖,強(qiáng)大的貼圖控制才能,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

15、圖的生成是經(jīng)常需要解決的問(wèn)題,這方面,利用3DS MAX可以根據(jù)所需的全景圖類型先生成對(duì)應(yīng)的基板,比方,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)展貼圖即可。而且可以將圖像拼接的過(guò)程編制成Script文件做成插件嵌入3DS MAX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)中遨游的效果,這通過(guò)在Video Post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3DS MAX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LODLevel of Detail模型,假設(shè)需要可利用MAX 自帶的LOD插件直接生成對(duì)象的LO

16、D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3DS MAX制作VR作品,下面再簡(jiǎn)單介紹一些3DS MAX 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(guò)在3DS MAX中設(shè)置雙攝像機(jī)來(lái)模擬人的雙眼來(lái)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),詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)2。3DS MAX 是用C+語(yǔ)言和Open GL編寫的應(yīng)用軟件,而且它提供的MAX SDK也是采用C編寫的代碼,我們可以很容易地用C和Open GL結(jié)合MAX SDK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3DS MAX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3DS MAX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

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