基于虚拟现实的三维小区仿真设计:虚拟现实与增强现实

　　摘要：利用3DS MAX三维技术，通过仿真小区建筑、道路、绿地、公共设施等模型，对社区设施与环境进行了虚拟再现。对小区平面地图的获取、社区二维平面图形的创建、小区数据的采集以及小区三维模型的构建等方面进行了介绍，重点阐述了在3D环境下三维模型的创建及材质、灯光的设置等关键技术。
　　关键词：3DS MAX；三维小区；仿真；构建；仿真设计
　　
　　0　引言
　　
　　计算机软、硬件技术的发展使得虚拟现实技术有了很大的发展空间。不论是室内仿真技术还是室外仿真技术，3ds max都有着其独到的优势。本文将从小区资料的收集、底图的生成、三维模型的创建、三维贴图的使用、场景中灯光设置到小区三维仿真渲染输出等方面介绍三维小区的仿真设计技术。具体设计流程如图1所示。
　　
　　1　平面底图的制作
　　
　　二维平面图形的制作好坏直接影响三维图形的效果。三维小区的仿真基于小区的二维平面图形，而平面图形的形状及比例决定了小区三维仿真的比例及位置的真实性与准确性。
　　为了得到真实的小区二维图形，可以从互联网上获取相应小区卫星图片作为创建三维小区的底图。如通过单击谷歌网站(http：／／wwwgoogle.cn)中的“地图”按钮，打开“Goog|e地图一Windows In／ernet Explorer”网页，选择“卫星”地图，从打开的网页中找到相应的小区卫星地图，再通过截图软件就可截取小区地图部分。在截图中应注意地图的实际比例，准确掌握小区实际面积的大小及相关建筑物与其他三维实体、道路、花坛、绿地等所占面积信息。
　　
　　2　原始数据的收集、整理
　　
　　小区数据的采集任务艰巨，工作量大。它包括获取建筑物外观图片、各种三维图形的外观材质与贴图及其他一些实景图片。材质包括建筑物外墙材质、玻璃材质、门窗材质、路面材质、屋顶材质、草坪与花坛材质及其他一些必要的材质等。材质与贴图的获取可以通过数码相机进行实景拍摄或其他的一些途径获取。实景模型包括小区的建筑、道路、人文景观、绿化、运动设施、服务设施、生活设施及其他一些公共辅助设施等模型。小区面积往往不大，在获取建筑外观图形时应尽可能地从不同的方位和角度进行拍摄，包括房顶图片的获取。要做到图片拍摄清晰、完整，建筑物轮廓清楚。图片一定要合理地编号，使图片拼凑起来方便、快捷，准确，能完整地表达建筑物的外观轮廓，为较好地构建三维小区奠定良好的基础。
　　
　　3　材质、贴图的形成
　　
　　3ds Max中有很多种贴图方法，最简单的是利用位图。在三维小区的制作中，位图是较为常用的一种二维贴图。大部分模型的表面贴图都需要与现实中的实体相吻合，而这一点通过其他程序贴图是很难实现的。也许通过程序贴图可以模拟出一些纹理，但也与真实的纹理有一定差距。在3ds max中选择以数码相机拍摄获取的位图作为三维对象的贴图。具体制作过程如下：从实地拍摄的数码相片中选取合适角度的照片在Photoshop中进行拉伸扭曲，得到所需贴图单元，保存为JPg格式，需要贴图时直接调用即可。
　　
　　4　三维模型的创建及材质贴图的使用
　　
　　4.1　三维模型的创建
　　4.1.1　单位及标高的设置
　　4.1.1.1　单位曲设置
　　构建三维小区的关键就是构建小区的三维模型，特别是构建三维建筑模型。在3DS MAX中创建三维模型前，首先应在该软件中设置好单位比例，如：将显示单位比例设置为公制中的“米”，系统单位设置为毫米。
　　4.1.1.2　标高的设置
　　标高是构建三维模型的―个参照高度，它包括楼层标高及整个建筑物总体标高。这两个标高都应该控制好，在实际构图中应严格按要求设计楼层标高。在制作标高时，一般普通楼层为3.5米高，商住楼(底座一楼)考虑4米高，其它层次考虑3.5米高。
　　4.1.2　在3DS MAX中使用小区卫星地图作为底图参考物
　　在3DS MAX中创建三维小区，首先要保证在3ds max中有小区卫星地图。使用卫星地图作为创建三维小区的底图参考物方法如下：在3DS MAX中，根据卫星地图的形状及大小，创建一个平面图形；然后打开“材质编辑器”对话框，选择一个空白材质球，选择Blinn明暗器，单击“Blinn基本参数”中的漫反射后面的“None”按钮，打开“材质／贴图浏览器”对话框，从列表中双击“位图”，打开“选择位图图像文件”对话框，找到存放小区卫星地图的文件夹并打开小区卫星地图；最后将材质球拖放到前面所创建的平面图形上，该平面图形上就出现了小区卫星图片，然后以该平面图形作为创建三维小区模型的依据进行构图。
　　
　　4.1.3　虚拟三维建筑模型
　　在创建三维建筑模型时，首先要在小区平面图形上找到需要制作的三维建筑图形的位置，用3ds max创建及编辑命令创建出形状相似的三维图形，然后对照数据采集表中的相应数据，如建筑实体的照片进行建模。
　　创建三维模型的方法很多，如网格建模、多边形建模、面片建模、NURBS建模等。构建三维小区模型最好选择多边形建模方法，因为这种方法比较方便、灵活，也能满足构图要求。
　　在构建三维实体模型的过程中，三维模型的方位应与小区的实际方位一致。首先，在小区平面图形上找到需要创建的三维模型的位置。如果该模型的轮廓形状比较规则，可以直接在该位置上创建一个与建筑物轮廓大小相当的长方体，并将其转换为可编辑多边形；如果建筑物的外形不规则，可以在“创建”命令面板中的“图形”面板中选择“线”命令来勾画出建筑物的轮廓形状，然后添加一个“挤出”修改器，挤出的高度为建筑物所要求的高度值。根据该建筑物的外墙材质要求，先给外墙赋予相应的材质，然后将赋予了材质以后的建筑物转换为可编辑多边形。右击“透视图”的文字“透视”，从弹出的菜单中选择“边而”命令，然后利用“可编辑多边形”的子层次对象中的点、边、边界、多边形、元素等对多边形进行编辑。选择编辑多边形命令中“边”子对象，使用“编辑边”卷展栏中的“连接”命令将多边形分出与该建筑物相同的楼层、利用“切角”命令分出墙体与窗户的高度值，再一次使用连接命令分出建筑物的单元数，综合使用“可编辑多边形”中的其他子对象层级编辑出阳台、窗户、门、楼顶等部分。注意在编辑过程中，应给不同的对象赋予材质，然后再一次将其转换为可编辑多边形后继续进行编辑，直至最终编辑出三维模型。
　　4.1.4　小区道路的创建
　　根据小区平面图形的路径显示，首先在“创建”命令面板中用“线”命令勾勒出道路的大致轮廓形状，并将该轮廓线转换为“可编辑样条线”；然后切换到“修改”命令而板，利用“可编辑样条线”命令中的顶点、线段、样条线等次层级对象进行编辑操作，使道路的轮廓形状与实际道路的轮廓形状一致；添加一“挤出”修改器将道路轮廓挤出一定的值后就完成了小区道路模型的建模；最后给小区道路赋予相应的材质。 　　4.1.5　小区花坛的创建及绿化
　　在虚拟系统中，小区的绿化也是一项非常重要的工程，它包括花草、树木等，这些对象都有一个共同的特点，即重复性高。在虚拟系统中，花坛的建模应尽可能使比较少的面。获得尽可能少的面的方法是在建立模型时使用合适的方式。当把贴图赋给模型时，也应该使用最少的面。这类模型在构建时主要用二维的模型结合透明贴图来创造出三维的模型效果，即用贴图来代替细节模型。树木可以直接从“创建”而板的“几何体”中的下拉列表选“AEC扩展”进行创建。在“AEC扩展”中单击“植物”按钮，选择相应的树木，然后根据实际情况适当地修改参数。
　　4.1.6　小区其他公共设施的创建
　　小区公用设施的创建主要包括道路、电话亭、垃圾箱、照叫路灯、健身娱乐设施、公告牌、生活服务设施、庭院其他景点等的创建。对这些对象，同样可以采用多边形命令进行创建。
　　
　　4.2　材质贴图的使用
　　建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图，如果将模型比作骨架的话，贴图好比我们的衣装，可以为整体造型添彩润色。3DS MAX中最简单的是Bitmap贴图，除此之外还有多种贴图形式。
　　给对象赋予材质时，在“UVW贴图修改器”的参数卷腱栏中有7种不同的贴图坐标指定方式，即平面、柱形、球形、收缩包裹、长方体、面、XYZ到UVW等，可以将不同模型看成这七种贴图坐标的近似形状，根据模型的形状选择相近的贴图方式坐标。因为小区模型大多数建筑都是呈矩形，因此box与planar两种方式比较常用，如建筑物的外墙面就是用box方式来贴图。box与planar通常还用在重复的无缝贴图上而。窗户的重复率最高，可使用重复贴图法完成整栋楼的窗口贴图Cylindrical贴图方式则常用在圆柱面的贴图上。
　　在给对象赋予材质并选择相应的贴图坐标后应，往往可发现贴图的形状并没有达到预期的效果，为此可作如下处理。
　　在修改器列表中选择UVW展开，即添加一个“UVW展开”修改器，在其“参数”卷展栏中单击“编辑…”按钮，打开“编辑UVW"窗口。在“编辑UVW”窗口下方单击“而子对象馍式”按钮，选择“贴图”菜单一p的“展开贴图”菜单，打开“展开贴图”对话框，从下拉列表中选择“移动到最远的面”后确定。框选“编辑UVW”该窗口中的所有面，并移动所选择的面，直到在透视图中看到满意的效果为止。
　　对于材质中的二维贴图，物体就必须具有贴图坐标。这个坐标确定了二维贴图以何种方式映射在物体上，它不同于场景中的XYZ坐标系，它使用的是uv或uvw坐标系。
　　UnwrapUVW贴图方式一般用于较复杂的模型贴图，因为它能够自定义UVW坐标的位置，所以能够把几幅图片都集成在一张贴图上面，这样能省下不少资源。
　　
　　5　场景的灯光设置
　　
　　灯光对场景的基调和气氛起着决定性的作用，可以说灯光是场景的灵魂。通常情况下，场景设计的目标是相当复杂的，如为表现一种意境、一种状态、一种情感或一种关系等，借助于灯光能为场景提供更大的深度和更广阔的想象空间，展现丰富的层次。在设置灯光时，应首先设置主光源，再增加辅助光源来增强真实感。恰当的灯光照射可以改变材质的效果，增加场景的重演效果。这种效果不仅仅是在场景的某一位置添加照明，而且可以增加场景的感官效果，使场景充满生机。
　　一般来说主光源应该与视角(摄象机)呈15-45度角，目标点指向主题物体；在侧视图中，光源位置要高出视角(摄象机)15-45度。辅光的位置在顶视图上看与主光应该是相对方向的。背光在前视图中一般在主题物体的后面，与视角(摄象机)相对；在侧视图中放置的位置要超过主题物体的高度一些。
　　
　　6　仿真渲染输出
　　
　　经过以上流程，小区立体图基本形成，下一步就是输出图像，并将它以jPg格式保存。3DS MAX渲染得到的图象颜色通常较生硬，画面缺乏层次感，所以，利用photoshop强大的图形修饰功能对小区立体图进行修饰，从而得到一理想的三维小区仿真设计效果图。
　　
　　7　结束语
　　
　　　采用3DS MAX软件可直观地实现三维小区的设计与仿真。从小区资料的收集处理、底图生成、模型创建、贴图使用、灯光设置到小区仿真渲染输出等方面的实现过程并不复杂，可以看出，3DS MAX软件功能之强大。相信以后虚拟现实技术将会突飞猛进，而3DS MAX软件在各行各业的发展前景也将更为广泛。