虚拟现实技术在建筑展示中的应用

沈烁

摘要：如今人们可以使用虚拟现实技术模拟、创建一个仿真的虚拟场景，从而将现实世界中的物体全方位的呈现在人们面前，这种技术可以在各个领域中发挥它巨大的作用。然而创建一个类似于现实的虚拟环境仍然是一项不轻松的挑战，虚拟校园系统代表着其中的一个挑战。通过虚拟校园，人们可以非常直观的观察到校园内部的景观和设施，从而使用户能够更容易熟悉整个校园的概况。在本文中，我们仅通过3D max建模软件对校园图书馆进行三维建模，并且增加部分漫游动画来全方位展示。动画制作主要包括教学楼的建模，材质、灯光、动画路径的制作、摄影机的使用。最后动画渲染输出。并且通过视频编辑软件premiere cs6对动画进行后期合成处理。

关键词：虚拟校园；3D建模；3Ds max

1前言

随着2014年底迪士尼与漫威联合出品的《超能陆战队》影片（参见图1）在全球的火爆热映，三维动画制作再一次成为人们关注的焦点。相比于传统的二维动画，三维动画制作起来更加系统化和便捷化，而且具有更真实的表现性。

三维动画的制作，通俗来讲就是首先依据现实中存在的物体或者凭空想象在计算机中创建出一个逼真的虚拟世界，然后在这个虚拟世界中设置一定的运动规则即可。在现实中许多事物的运动和变化往往不可逆转，然而在计算机的虚拟世界中，许多软件却可以非常轻松的解决这个问题。所以。三维动画在制作过程中具有非常好的容错性和重塑性。制作三维动画的基础是创建合适的三维模型和场景。

随着计算机技术的飞速发展，如今人们可以利用三维建模软件完美的创建出几乎所有现实中存在或者人们想象中的物体，这使得它的应用几乎无处不在。国内已经有许多所大学利用这项技术制作了相对成熟的虚拟校园系统，虚拟校园系统的出现使得用户可以足不出户的了解到校园内的一切景观和构造。这项高新技术整逐渐走进国内的每一所院校。

本文主要利用3D max三维建模工具对武汉轻工大学金银湖校区的图书馆进行建模及渲染动画展示。为了保证相关设计的可行性，首先会在3D max软件中对图书馆进行精细建模。其次使用V-ray渲染工具对模型上色及赋予材质贴图，最后使用Premiere和After Effects对渲染出的动画片段进行拼接和美化。

3D max拥有强大的三维建模功能，在收集完成图书馆的建筑资料及馆藏布局后，可以在软件中创建出可以任意角度观察的三维模型。为保证场景整体的美观度。可以在完成建模后添加相关背景和标志性的贴图。

V-ray可以在已经完成的三维模型上面增加类似于现实世界的材质和贴图。在对模型的精美处理中比3D max自带渲染器要更加简便和美观。由于3D max渲染出的动画片段在衔接和展示上存在非常繁冗的问题，使用Premiere和After Effects可以完美的解决这些问题。

2三维漫游动画简介

2.1三维建模简介

创建三维模型是建立虚拟现实环境和制作三维动画的基本前提。为了创建一个能使用户感到身临其的虚拟环境。我们需要建立一个高仿真的模型并附加上合适的场景。但是，一旦模型和场景过于精细，将导致需要处理的数据量极其冗余，这将会使虚拟现实系统非常难以得到正常使用。在虚拟场景中的建模，应该在保证模型的精美真实的前提下尽可能减少数据量的计算，以此保证虚拟场景能够获得完美的运行效果和效率。

本文选用3Ds max建模工具。3Ds max是欧特克公司研发的一款基于Windows操作系统的计算机三维图形软件，它在三维制作领域被视为一种普及型的软件。3Ds max凭借其高性价比、低配置要求、可堆叠的建模步骤等突出优势在数码影视和电脑游戏行业中有着广泛的应用，诸如：《碟中谍》、《帝国时代》、《古墓丽影》等许多深受用户喜爱的电脑游戏都得到过它的强力支持。

在3D max工具中，有许多不同的建模方法，本文中用到的几种有：面片建模、多边形建模、复合建模、堆砌建模。

2.1.1面片建模

面片建模是先用样条线勾勒出物体的形状或者轮廓，然后使用曲面修改器编辑从而构建模型。这种建模方式常使用于建筑墙体和非线性规则物体的制作。例如在构建建筑的墙壁时，可以先使用样条线勾画出建筑墙面的平面轮廓图，设置合适的样条线厚度，然后使用“挤出”工具即可。

片面建模应用非常广泛，在针对有一些不规则的曲面的物体进行建模有非常编辑的应用。不同于多边形编辑器，面片修改器中将对象的组成点转换为Bezier角点，以曲线的调节方法来调节曲面。片面细分建模在人物等有机物体建模时有着非常广泛的用途。

2.1.2多边形建模

多边形建模是三维建模最常用的方法之一，使用这种方法创建出的模型全由直线组成，常使用于线性构造的建模。首先将一个已存在的基本模型添加可编辑多边形修改器，然后再对该模型的最基本子对象进行编辑。已经添加了多编辑多边形修改器的模型存在五个子对象：顶点（Vertex），边（Edge），边界（Border），面（Polygon），元素（Element）。在计算机图形学里，任何物体都可以看做由无数个点相连组成，于是改变这些点的状态，就可以做到任何你想要的建模效果。所以，多变形建模可以完美的解决线性建模的任何需要。使用多边形建模常需要在前、左、上三视图中互相调节，在制作线性模型时，常常优于其它的建模方法。

2.1.3复合建模

复合建模常用在不规则模型的细节处理上。如：蜿蜒曲折的山路，凹凸不平的平面。常用的符合建模工具有：变形、散布、水滴网络、布尔、放样、超级布尔（Proboolean）等。其中布尔运算常用在建筑窗户孔和门孔的创建，它类似于三维模型之间的一种加减法则。先构建一个整体对象，然后再用这个整体对象减去不想要的部分，即可得到合适的模型。复合对象中的放样工具也是一种非常常见的建模方式，放样工具通常是将一个二维图形作为截面，沿着既定的路径复制延伸，从而得到三维图形。

2.1.4堆砌建模

堆砌建模更像是一种对模型进行后期处理的方法。配合缩放和移动工具，它可以将各个不同对象完美的拼接为一体。

堆砌建模就如同建筑业上做房子一样，将个体一砖一瓦的拼接成一个整体。它是建筑建模上必不可少的一种方法，即先完成各栋楼层的概况，然后合适的拼接在一起，从而完成一个整体。例如，在制作常见商品房模型时，都是首先将主楼体、楼梯、楼顶、阳台等组成部分先完成，然后选择合适的位置拼接成一个单元楼即可。

2.2材质和贴图简介

在常用的三维建模软件中，由于初始建模的对象一般使用的都是纯色材质，基本无法达到人们所需的模型的视觉效果，所以一般在完成模型的基本建模之后非常有必要对模型进行精细加工——赋予材质和贴图。材质更像是一种使模型更加逼真的美化工具。由于人们在现实世界中观察物体常常受到灯光反射、折射等各方面因素的影响，所以为了使三维模型能显示的更加逼真，需要不断的精细调节模型的材质。材质受到高光颜色、光泽度、折射、和透明度等诸多因素影响，在调节时应尽可能的使其更接近现实。

贴图可以理解为一种特殊的材质。用户可以使用现实中拍摄到的图片附在合适的模型位置上，从而获得完全仿真的视觉效果。

2.3三维动画制作简介

在3D max中，在合适的时间轴上对已完成建模和赋予材质的三维对象添加一定的轨迹和变化，即可自动生成动画。3D max所采用的是关键帧动画技术，所谓关键帧是指在两个时间点上设置关键帧，然后软件会对比对象在这两个关键帧之间的差异从而自动生成这两个关键帧中间其它帧。具体在3D max中，这种关键帧被描述为所选对象在该时间点的状态，这种状态包含所选对象的位置，大小，材质，形状等诸多信息。然后，对比两个时间点状态的差异从而运算得到动画。

由于仅通过3D max渲染得到的动画存在许多不足之处，比如：模型内部和外部的展示动画无法做到无缝链接等。所以一般情况下，都是先使用3D max渲染出各个需要展示的动画片段。然后使用Premiere专业视频剪辑软件进行拼接和美化。Premiere可以在各个动画片段中增加各种转换特效，这样可以使得展示动画更加人性化和美观。再则，Premiere还可以在已经完成的动画片段上增加合适的背景音乐，这也会使得动画得到更好的观赏和宣传效果。

3实例展示

通过灵活运用3D max工具中的各种建模工具，我们可以很轻松的完成笔者学校图书馆的三维大体模型。然后调节逼真的材质，赋予合适的贴图，即可使模型在表现上更加真实。

对于学校图书馆这种复合型的高层建筑，有计划的分部建模是非常有必要的，之前尝试过对漫无章法的整体建模，后来发现一些室内或者内嵌的对象根本无法正常建模，并且这种方法也不适合后期的检查和精修工作。制定了详细的分部计划之后，设计完成的整体也比较顺利。类似于一个部分、一个部分的拼接上去的，任何一个部分有了显示BUG或者比例失调，都可以及时进行修改和重做。这使得图书馆整体建模一气呵成，干净利落。当然，由于专业知识及设计时间有限，在许多本应该做的更好的部分仍然存在许多我当前无法解决的问题。这些专业知识的缺失在以后的学习工作中需要逐步去填补，从而使得最终产品更加精美、真实。

在完成模型的创建之后，可以设置合适的背景和地面，然后使用摄像机配置轨迹进行动画制作。摄像机分为两种，自由摄像机和目标摄像机。相比于目标摄像机，自由摄像机具有更多样化的拍摄手法，且调节起来更为便利。在顶视图中画出摄像机的运行轨迹。然后再创建摄像机。使用“动画”下拉栏里的“路径约束”工具，将摄像机约束在运行轨迹上，在“运动层级”设置摄像机状态为“跟随”，然后合适调整摄像机的镜头光圈和拍摄角度，使整个模型能笼罩在摄像机的视角内。使用了路径约束的摄像机，就默认在场景中添加了摄像机运动视角的关键帧动画，可以使用快捷键“C”切换摄像机视角看到。为了使环境更加和谐。可以在图书馆模型外面设置一个笼罩着的圆柱体，然后使用“法线编辑”修改器将其法线翻转，再赋予淡蓝色渐变贴图，这样可以在摄像机视角中营造出类似于蓝天的效果。

出于使效果图更加具有表现性的目的，对一些极其精细的地方并没有精细建模（比如图书馆内部楼梯），而对于一些标志性的建筑，使用了更为夸张的材质和贴图（比如图书馆窗户和空中走廊）。这样的做法在一定程度上节省了3D max软件的内存占用量和缓解了电脑显卡的压力。笔者个人感觉。三维建模中。并不是所有的对象都是细节表现越多越好，延伸到3D max中即并不是组成对象的点或者线段越多，对象就越具有表现力，三维建模既是对专业知识的应用，也是对精简工作能力的一种考验。

在完成了几个片段的动画输出之后，为了使整个动画视频看起来更加完整和协调。可以使用Premiere软件进行后期处理。本次使用Premiere主要是为了拼接视频、转换特效和添加背景音乐。在完成之后类似于3D max，Premiere也需要渲染输出最终成品，选用默认设置和.mp4格式就可以完成本次设计的全部制作。