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

1、在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DS MAX在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DS MAX 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DS MAX 信息技術(shù)論文 更新：2006-4-8 閱讀： 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DS MAX在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建過程中使用3DS MAX國防科技大學(xué)自動控制系 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上最流行的三維動畫造型軟件。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機技術(shù)開展到一定階段的產(chǎn)物，它使計算機適應(yīng)人而不是人適應(yīng)計算機，它的開展應(yīng)用日益廣泛、普及。本文擬就

2、3DS MAX 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建過程中的應(yīng)用做一介紹。1.虛擬現(xiàn)實簡介虛擬現(xiàn)實VR是一種由計算機和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個看似真實的模擬環(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虛擬世界的物體進展考察或操作，參與其中的事件；同時提供視覺、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時感知，并使參與者沉浸于模擬環(huán)境中。VR的三個最突出的特征，即它的3“I特性：交互性interactivity、沉浸感Illusion of Immersion、想象 imagination。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在眾多相關(guān)技術(shù)如計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工

3、智能的根底上開展起來的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在最近十年里獲得了極大的開展，這主要歸因于計算機軟、硬件條件的飛速開展，以及虛擬現(xiàn)實專用設(shè)備價格的下降和性能的進步。目前虛擬現(xiàn)實技術(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機上甚至可以構(gòu)建自己的個人PCVRS個人虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。設(shè)計一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)除了硬件條件一般個人無法定制外，可以充分發(fā)揮個人能動性的就只能是在系統(tǒng)軟的方面下功夫了。設(shè)計一個VR系統(tǒng)，首要的問題是創(chuàng)造一個虛擬環(huán)境，這個虛擬環(huán)境包括三維模型、三維聲音等，在這些要素中，因為在人的感覺中，視覺攝取的信息量最大，反響亦最為靈敏，所以

4、創(chuàng)造一個逼真而又合理的模型，并且可以實時動態(tài)地顯示是最重要的。虛擬現(xiàn)實系統(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 簡介3D Studio MAX是Kinetix公司推出的一套強大的三維建模軟件,由于它是基于Win NT 或Win98平臺的，方便易學(xué)，又因其相對低廉的價格優(yōu)勢,所以成為目前個人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)固了它在個人PC平臺上的地位。它的3.0版本相較以前的版本有了明顯的改進,詳細(xì)表如今以下幾個方面: 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。操作界面的改進是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。Autodesk公司在收購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技術(shù)，3D MAX R3 對其渲染器幾乎做了重新設(shè)計，不僅增加了渲染的速度，而且進步了畫面渲染的質(zhì)量。 建模技術(shù)的增強。建模技術(shù)的增強是3D Studio MAX

6、最重要、最突出的改進，這也是在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建中應(yīng)用它的一個有力的原因。主要的改進包括： 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。 柔性選擇。此項技術(shù)可以“局部地選擇頂點，從而在變換頂點時獲得光滑、柔和的效果,這對建立復(fù)雜物體的模型時非常有用。 曲面工具和改進的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。 對游戲的更好支持。3D Studio MAX R3大大增強了對游戲的支持，而且這些特性也可以用于其他場合。 增加了角色動畫功能。Release 3.0版本內(nèi)置了制作角色動畫的功能，可以方便制作人物或動物的動作、柔軟物體的效果以及變形效果。 頂點信息以及加強的貼圖坐標(biāo)功能。如今可以對頂點著色，并增加了頂點的通道，增強了UVW Unwarp的功能，并增加了World XYZ貼圖坐標(biāo)。此外，3D Studio MAX R3也顯著增強了動畫功能。3. 3DS MAX 在VR系統(tǒng)構(gòu)建過程中的應(yīng)用如前所述,VR系統(tǒng)要務(wù)實時動態(tài)逼真地模擬環(huán)境,考慮到硬件的限制和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實時性的要求,VR系統(tǒng)的

8、建模與以造型為主的動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中加以實現(xiàn)和驗證，下面詳細(xì)展開加以說明。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。通常建立一個模型可以分別通過幾種方法得到，但有優(yōu)劣、繁簡之分。 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)，它的思想很簡單，就是用小平面來模擬曲面，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際中多是三角形或矩形。使用多邊形建?？梢酝ㄟ^直接創(chuàng)立根本的幾何體，再根據(jù)要求采用修改器調(diào)整物體形狀或通過使用放樣、曲面片造型、組合物體來制作虛擬現(xiàn)實作品。多邊形建模的主要優(yōu)點是簡單、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，同時可根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(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)虛擬場景實時顯示的需要。 NURBS建模。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines非均勻有理B樣條曲線的縮寫，它純粹是計算機圖形學(xué)的一

10、個數(shù)學(xué)概念。NURBS建模技術(shù)是最近4年來三維動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)無可比擬的優(yōu)勢。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,會導(dǎo)致控制點急劇增加而難于控制;構(gòu)造復(fù)雜模型時經(jīng)常需要裁剪曲面,但大量裁剪容易導(dǎo)致計算錯誤;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)在建立曲面時面臨的困難，它使用任意多面體作為控制網(wǎng)格，然后自動根據(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，并始終保持整個曲面的光滑性。細(xì)分曲面技術(shù)的另一個重要特點是“細(xì)分，就是只在物體的局部增加細(xì)節(jié)，而不必增加整個物體的復(fù)雜程度，同時還能維持增加了細(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，就可以在為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)制作相應(yīng)模型前,根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(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)實的作品的制作。在虛擬現(xiàn)實作品制作的時候應(yīng)當(dāng)遵循一個原那么:在可以保證視覺效果的前提下，盡量采用比擬簡單的模型，而且假設(shè)可以用參數(shù)化方法構(gòu)建的對象盡量用參數(shù)化方法構(gòu)建，同時，在模型創(chuàng)作過程中，對模型進展分割，分別建模，以利于在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進展操作和考察。對于復(fù)雜對象的運動或原理演示,我們可以預(yù)先將對象的運動和說明做成動畫存為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)計的，因此繪制過程涉及到復(fù)雜的建模、消隱和光亮度計算。盡管通過可見性預(yù)計算技術(shù)及場景幾何簡化技術(shù)可大大減少需處理景物的面片

13、數(shù)目，但對高度復(fù)雜的場景，現(xiàn)有的計算機硬件仍無法實時繪制簡化后的場景幾何。因此我們面臨的一個重要問題是如何在具有普通計算才能的計算機上實現(xiàn)真實感圖形的實時繪制。IBR技術(shù)就是為實現(xiàn)這一目的而設(shè)計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)來生成不同視點的場景畫面，與傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比，它有著鮮明的特點： 圖形繪制獨立于場景復(fù)雜性，僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)。 預(yù)先存儲的圖像(或環(huán)境映照)既可以是計算機合成的，亦可以是實際拍攝的畫面，而且兩者可以混合使用。 該繪制技術(shù)對計算資源的要求不高，因此可以在普通工作站和個人計算機上實現(xiàn)復(fù)雜場景的實時顯示。由于每一幀場景畫面都只描繪

14、了給定視點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處拍攝或通過計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遨游，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的對應(yīng)的視圖。IBR技術(shù)是新興的研究領(lǐng)域，它將改變?nèi)藗儗τ嬎銠C圖形學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)識，從而使計算機圖形學(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，強大的貼圖控制才能，各種空間扭曲和變形，都提供了對圖像和環(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應(yīng)的基板，比方，柱面全景圖就先生成一個圓柱，然后控制各個方向的條狀圖像沿著圓柱面進展貼圖即可。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)實系統(tǒng)中遨游的效果，這通過在Video Post設(shè)置攝像機的運動軌跡即可。事實上，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，這可以通過在3DS MAX中設(shè)置雙攝像機來模擬人的雙眼來渲染立體視圖對，這個需要調(diào)整雙攝像機的相對位置，然后分別渲染不同的攝像機視圖即可得到立體視圖對，詳細(xì)實現(xiàn)過程可參見文獻2。3DS MAX 是用C+語言和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的渲染計時器可以方便地檢驗我們所編算法的效率和效果。參考文獻1. 曾芬芳主編.虛擬現(xiàn)實技術(shù).上海交通大學(xué)出版社, 1997年第一