3DMAX建模及其在虚拟校园设计中的应用 毕业论文.doc
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1、I 3DMAX 建模及其在虚拟校园设计中的应用 摘要:虚拟现实是计算机领域的一门新兴技术 ,具有举足轻重的作用。国外经 济发达国家一直将其列为国防高科技重点发展的关键技术。 本文主要研究的是基于 3DS MAX 的虚拟校园设计,主要运用软件为 3DS MAX 9。3DS MAX 是一款非常标准的高级建模和动画制作软件,是目前世界上 使用人数最多的建模软件。在虚拟校园的设计中主要运用复合物体法即布尔运 算、样条线的挤出等建模方法对校园进行建模设计,并依照现实场景进行了贴 图和渲染操作,初步完成了校园主要场景外部状态的虚拟现实设计。 关键词:虚拟现实 校园 建模 3DSMAX Modeling A
2、nd Its Application In Virtual Campus Abstract:Virtual reality play the vital role in the new field of computer technology. It is considered key development technology in the defense area by the developed country. The paper study the desigu of virtual campus based on 3DS MAX. 3DS MAX ,used by the wor
3、ld largest number, is a very high standard modeling and animation software. The Boolean operation and sample line of extrusion etc are used mainly to design virtual campus model. According to the real scene of the campus,take the map and render operation and preliminary complete the virtual reality
4、design of the appearance of the campus main buildings. Key words: virtual reality campus modeling III 目录 摘要: I 目录 III 1 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 虚拟现实的概念与意义 .1 1.3 虚拟现实的技术特征 .2 1.4 虚拟现实技术的发展和发展趋势 .2 1.5 虚拟现实系统的种类 .2 1.6 虚拟现实系统的组成 .3 1.7 虚拟现实技术的在校园中的应用 .3 1.8 视频制作流程介绍 .4 2 虚拟校园在 MAX 中的设计过程 .4 2.1 3DS MAX 简
5、介 .4 2.2 建模方法 .5 2.3 系统设置 .5 2.4 虚拟校园在 MAX 中建立过程 .6 3 虚拟校园中的材质和灯光设计 .17 3.1 材质的制作 .17 3.2 虚拟校园中应用到的贴图技术 .21 3.2 灯光和摄影机的设定 .23 4 虚拟校园的渲染与纹理 .25 4.1 VR 渲染器设置 .25 4.2 视频后期制作 .31 5 结论: 34 参 考 文 献 34 致 谢 36 0 1 绪论 1.1 引言 虚 拟 现 实 技 术 是 一 项 综 合 集 成 技 术 , 涉 及 计 算 机 图 形 学 、 人 机 交 互 技 术 、 传 感 技 术 、 人 工 智 能 等
6、领 域 , 它 用 计 算 机 生 成 逼 真 的 三 维 视 、 听 、 嗅 觉 等 感 觉 , 使 人 作 为 参 与 者 通 过 适 当 装 置 , 自 然 地 对 虚 拟 世 界 进 行 体 验 和 交 互 作 用 。 使 用 者 进 行 位 置 移 动 时 , 电 脑 可 以 立 即 进 行 复 杂 的 运 算 , 将 精 确 的 3D 世 界 影 像 传 回 产 生 临 场 感 。 该 技 术 集 成 了 计 算 机 图 形 (CG)技 术 、 计 算 机 仿 真 技 术 、 人 工 智 能 、 传 感 技 术 、 显 示 技 术 、 网 络 并 行 处 理 等 技 术 的 最 新
7、 发 展 成 果 , 是 一 种 由 计 算 机 技 术 辅 助 生 成 的 高 技 术 模 拟 系 统 。 概 括 地 说 , 虚 拟 现 实 是 人 们 通 过 计 算 机 对 复 杂 数 据 进 行 可 视 化 操 作 与 交 互 的 一 种 全 新 方 式 , 与 传 统 的 人 机 界 面 以 及 流 行 的 视 窗 操 作 相 比 , 虚 拟 现 实 在 技 术 思 想 上 有 了 质 的 飞 跃 。 虚拟现实能给用户以更逼真的体验,为人们探索宏观世界和微观世界,以 及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律,提供了极大的便利,因 此它的发展前景非常诱人。有关人士认为,80 年
8、代是个人计算机的年代;90 年 代是多媒体计算机的年代;21 世纪初将是虚拟现实技术的时代。 1.2 虚拟现实的概念与意义 虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR,又译作灵境、幻真)是近年来出现的 高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维 空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者 如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。它由计算 机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的人工环境虚拟环境。是可实 现的和不可实现的物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中, 即可与之交互作用。VR 已在娱乐、医疗、工
9、程与建筑、教育与培训、军事、 科学和金融可视化等方面获得了应用,它将是 21 世纪广泛应用的一种新技术。 VR 技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实 时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的近年来发展较快且 较活跃的最新技术。VR 技术以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变 化与相互作用的三维图像世界, 在视听、触、嗅等感知行为的逼真体验中,使参 与者可以直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化,仿佛置身于一个 虚拟的世界中,产生沉浸感。 VR 技术追求的是将传统的计算机从一种需要人用键盘、鼠标对其进行操 作的设备变成了人处于计算机创造的人工环境
10、中,通过感官、语言、手势等比 较“自然”的方式进行“交互、对话”的系统和环境。它将从根本上改变目前 让人去适应计算机的不友善的局面,而变成让计算机来适应人的一种新体制, 从而使人不需要经过专门训练就可在不知不觉中使用计算机,大大扩大了计算 第 1 页 共 36 页 机的应用,使计算机渗透到人们工作、学习和生活的各个领域。正是这个特点, 有人把 VR 技术称为 21 世纪的一种技术。 VR 技术有 3 个重要的特征:(1)沉浸感(Immension):要求计算机所创造的 虚拟环境能使操作者有“身临其境”的感觉,就像现实世界一样。使操作人员 相信在虚拟境界中人也是确实存在的,而且在操作过程中他可以
11、自始至终地发 挥作用,就像真正的客观现实世界一样。(2)交互性(Interactivity): 操作者与虚 拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力,操作者不再是被动接收信息,用 户是交互作用的主体,与虚拟物体可进行多行为的交谈。(3)构想性 (Imagination): 可使操作者沉浸于定性和定量的环境中获取新的知识,提高感 性和理性认识,从而产生新的构思。所以,VR 技术强调的是一种身临其境的 方式。 1.3 虚拟现实的技术特征 (1)多感知性:除 PC 所具有的视觉感知外 ,还有听觉、力觉、触觉和运动 感知,理想的 VR 应该具有人所具有的感知功能。 (2)存在性:操作者感到作为 主角存
12、在于模拟环境中的真实程度,理想的模拟环境应该达到操作者难以分辨 真假的程度。(3)交互性:操作者对模拟环境内物体的可操作程度和从模拟环境 中得到反馈的自然程度(包括:实时性) 。(4)自主性:虚拟环境中物体依据物 理定律动作的程度。 1.4 虚拟现实技术的发展和发展趋势 早在 60 年代初,随着 CAD 技术的发展,人们就开始研究立体声与三维立 体显示相结合的计算机系统。80 年代,Jaron Lanier 提出了“虚拟现实 “VR( Virtual Reality)的观点,目的在于建立一种新的用户界面,使用户可以 置身于计算机所表示的三维空间资料库环境中,并可以通过眼、手、耳或特殊 的空间三
13、维装置在这个环境中“环游“,创造出一种“亲临其境“的感觉。 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交 互的环境。与传统的计算机人机界面(如键盘、鼠标器、图形 用户界面以 及流行的 Windows 等)相比,虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。 传统的人机界面将用户和计算机视为两个独立的实体,而将界面视为信息 交换的媒介,由用户把要求或指令输入计算机,计算机对信息或受控对象作出 动作反馈。虚拟现实则将用户和计算机视为一个整体,通过各种直观的工具将 信息进行可视化,形成一个逼真的环境,用户直接置身于这种三维信息空间中 自由地使用各种信息,并由此控制计算机。 本世纪末,专
14、业 VR 技术硬、软件技术竞相登台。从目前总体水平看, VR 技术正走向实用,已有许多成功的经验。 1.5 虚拟现实系统的种类 第 2 页 共 36 页 实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类:1)桌面虚拟现实系统,也称 窗口中的 VR,它成本低,主要用于 CADCAM、建筑设计、教育教学等领域; 本文中所提及的虚拟现实主要指这种类型。2)沉浸虚拟现实系统,使用头盔显 示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来,产生一种身临其境的错觉;3) 分布式虚拟现实系统,它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真 (distributed interaction simulation)的基础上;4)增强现实。
15、 1.6 虚拟现实系统的组成 VR 系统包括硬件和软件两个部分。 1)虚拟现实系统的硬件 为了实现身临其境的交互环境,要求系统具有实时的三维计算机图形,大 视角的立体显示,头部跟踪,手及姿势跟踪,三维声音,以及触觉反馈和力反 馈等。为了达到上述技术要求,目前已经开发出满足上述要求的 VR 装置,在视 觉方面有:立体眼镜、头盔式立体显示器等,在听觉方面有:三维声音产生器 等,在力觉、触觉等方面有:数据手套、数据衣、头跟踪器、手跟踪器及姿势 跟踪器,以及一些语音识别、眼球运动检测等装置,在未来还会开发出味觉、 嗅觉系统,那时,VR 将更加真实,VR 技术也会更加先进。 2)虚拟现实系统的软件 在
16、VR 系统中,硬件是基础,软件是核心。尤其是像 VR 这种以三维图形 为主的复杂系统,如果一切都从基础工作做起,其软件的工作量大到不可思议, 而且也无此必要。利用现有开发平台可以大大提高效率。目前,VR 应用系统 的常用开发软件有;(1) WTK(WorldToolKit):由美国 Sense8 公司开发,WTK 不 依赖硬件环境,适用包括 PC 机在内的各类硬件平台: WTK- Windows:Windows 3.1 或 NT; WTK-SGI:IRIX。(2) MultiGen 和 Vega:由 美国 MultiGen-Paradigm 公司开发,是非常成熟和出色的三维建模软件和实时仿 真
17、软件,用于三维视觉数据的建立和编辑,以及视景仿真。MultiGe 系统的模块 化设计可以满足用户不同应用的要求,它的数据库格式 Openflight 已成为飞行 模拟领域的标准,也为 VR 系统广泛采用。(3) PerFormer:由 SGI 公司开发, 该软件有 SGI 的图形工作站技术作坚强后盾,对其 SGI 的多 CPU 系统有最充 分的利用和支持。故有很好的 VR 性能,其系统可产生 60 帧/s 的图像速度,对 于缺帧图贴有很好的平滑算法。 (4)还有 OpenGL,VRML ,3DS MAX, Maya,Photoshop,Eai 等用于应用系统的开发。 1.7 虚拟现实技术的在校
18、园中的应用 教育部在一系列相关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园 的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,它 由浅至深有三个应用层面,分别适应学校不同程度的需求:简单的虚拟我们的 校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化 第 3 页 共 36 页 虚拟校园 以学员为中心,加入一系列人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程 教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教 育教学点提供可移动的电子教学场所,通过交互式远程教学的课程目录和网站, 由局域网工具作校园网站的链接,可对各个终端提供开放性的、远距离的持续
19、 教育,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会,创造更大的经济效益与 社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善,以及硬件设备价格的不断降 低,我们相信,虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力,将会逐渐受到 教育工作者的重视和青睐,最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。 1.8 视频制作流程介绍 根 据 实 际 制 作 流 程 , 一 个 完 整 的 影 视 类 三 维 动 画 的 制 作 总 体 上 可 分 为 前 期 制 作 、 动 画 片 段 制 作 与 后 期 合 成 三 个 部 分 。 1 前 期 制 作 , 是 指 在 使 用 计 算 机 制 作 前 , 对 动 画 片
20、进 行 的 规 划 与 设 计 , 主 要 包 括 : 造 型 设 计 、 场 景 设 计 。 2 动 画 片 段 制 作 根 据 前 期 设 计 , 在 计 算 机 中 通 过 相 关 制 作 软 件 制 作 出 动 画 片 段 , 制 作 流 程 为 建 模 、 材 质 、 灯 光 、 动 画 、 摄 影 机 控 制 、 渲 染 等 , 这 是 三 维 动 画 的 制 作 特 色 。 3后期合成影视类三维动画的后期合成,主要是将之前所做的动画片段、 声音等素材,按照分镜头设计,通过后期编辑软件的编辑,最终生成动画影视 文件。 2 虚拟校园在 MAX 中的设计过程 2.1 3DS MAX 简
21、介 3D Studio Max,常简称为 3ds Max 或 MAX,是 Autodesk 公司开发的基于 PC 系统的 三维动画渲染和制作软件。其前身是基于 DOS 操作系统的 3D Studio 系列软件,最新版本是 2011。在 Windows NT 出现以前,工业级的 CG 制作被 SGI 图形工作站所垄断。3D Studio Max + Windows NT 组合的出现一下子降低 了 CG 制作的门槛,首选开始运用在电脑游戏中的动画制作,后更进一步开始参 与影视片的特效制作,例如 X 战警 II,最后的武士等。 在 应 用 范 围 方 面 , 广 泛 应 用 于 广 告 、 影 视
22、、 工 业 设 计 、 建 筑 设 计 、 多 媒 体 制 作 、 游 戏 、 辅 助 教 学 以 及 工 程 可 视 化 等 领 域 。 拥 有 强 大 功 能 的 3DS MAX 被 广 泛 地 应 用 于 电 视 及 娱 乐 业 中 , 比 如 片 头 动 画 和 视 频 游 戏 的 制 作 , 深 深 扎 根 于 玩 家 心 中 的 劳 拉 角 色 形 象 就 是 3DS MAX 的 杰 作 。 在 影 视 特 效 方 面 也 有 一 定 的 应 用 。 而 在 国 内 发 展 的 相 对 比 较 成 熟 的 建 筑 效 果 图 和 建 筑 动 画 制 作 中 , 3DS MAX 的
23、使 用 率 更 是 占 据 了 绝 对 的 优 势 。 根 据 不 同 行 业 的 应 用 特 点 对 3DS MAX 的 掌 握 程 度 也 有 不 同 的 要 求 , 建 筑 方 面 的 应 用 相 对 来 说 要 局 限 性 大 一 些 , 它 只 要 求 单 帧 的 渲 染 效 果 和 环 境 效 果 , 只 涉 及 到 比 较 简 单 的 动 画 ; 片 头 动 画 和 视 频 游 戏 应 用 中 动 画 占 的 比 例 很 大 , 特 别 是 视 频 游 戏 对 第 4 页 共 36 页 角 色 动 画 的 要 求 要 高 一 些 ; 影 视 特 效 方 面 的 应 用 则 把 3
24、DS MAX 的 功 能 发 挥 到 了 极 至 。 2.2 建模方法 在 3D MAX 软件中可运用多种方法来建模,一种是直接运用系统提供的简 单三维模型或平面模型,然后对其修改而成,即为简单建模方法,但这在实际 运用中并不满足建模需求,使用更多的为高级建模,即复合对象建模,网格建 模,NURBS 建模。在虚拟校园的设计过程中主要使用了高级建模中的复合对象 建模和网格建模。 复合对象由两个或两个以上的对象通过一定的组合方式所产生新的几何模 型。复合对象在原对象的基础上进行各种合成运算,如布尔运算,放样运算等。 1.布尔运算制作门洞和墙洞 布尔运算主要用来对两个以上的对象进行交集,并集,差集运
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