基于3D MAX的虚拟场景设计与研究

2014-12-26闻燕豪

科技视界 2014年4期

闻燕豪陈峰

（山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安 271021）

0 引言

三维模型获取是计算机图形学和计算机视觉领域的一个基本研究问题。然而，利用建模软件(比如3D MAX和Maya等)手工进行三维模型构建是一项十分繁琐和代价昂贵的工作。因此，研究如何从现实世界直接和快速地获取三维模型，成为该领域的热点研究问题。目前，现实物体的三维结构获取作为一种数字存储和记录技术，在物体建模、场景建模、真实感绘制、机器人导航、目标识别和三维测量等科学和工程领域以及考古学、广告、娱乐等其他文化领域有广泛的应用需求。

1 研究现状

客观世界在空间上是三维的，而现有的图像采集装置所获取的图像是二维的。尽管图像中含有某些形式的三维空间信息，但要真正在计算机中使用这些信息进行进一步的应用处理，就必须采用三维重建技术从二维图像中合理地提取并表达这些三维信息。三维重建技术能够从二维图像出发构造具有真实感的三维图形，为进一步的场景变化和组合运算奠定基础，从而促进图像和三维图形技术在航天、造船、司法、考古、工业测量、电子商务等领域的广泛深入的应用。

1.1 三维信息的获取

三维信息获取的技术手段多种多样，通常，人们获取物体三维模型的方式有三种:第一种方式利用建模软件构造三维模型；第二种方式通过仪器设备获取三维模型；第三种方式利用图像或者视频来重建场景的三维模型。

图像是二维数据，但是在关于某一场景或物体的一幅或者多幅图像中可以找到许多线索，从中人们能够推知图像所记录的场景或物体的几何信息。这些线索包括物体边与边之间的几何关系、两幅图像的视差关系、两幅图像中特征点的对应关系以及物体轮廓信息等等。这些线索是场景中物体所具有的，称为“被动线索”。有时候根据需要还可以创造线索，如在物体表面上用光线打上条纹或者制造出阴影，这样的人造线索称为“主动线索”。

对于使用主动线索的方法而言，又可以分为以下两类。第一类利用场景中已知形状的物体或者某些简单几何元素之间的关系进行建模。第二类使用物体的轮廓信息，物体在图像上的轮廓是理解物体几何形状的一个重要线索。

对于以上所述可以用图1来表示。

图1

1.2 3D MAX软件

3D是three-dimensional的缩写，就是三维图形。在计算机里显示3D图形，就是说在平面里显示三维图形。不像现实世界里，真实的三维空间，有真实的距离空间。人眼有一个特性就是近大远小，就会形成立体感。计算机屏幕是平面二维的，我们之所以能欣赏到真如实物般的三维图像，是因为显示在计算机屏幕上时色彩灰度的不同而使人眼产生视觉上的错觉，而将二维的计算机屏幕感知为三维图像。基于色彩学的有关知识，三维物体边缘的凸出部分一般显高亮度色，而凹下去的部分由于受光线的遮挡而显暗色。这一认识被广泛应用于网页或其他应用中对按钮、3d线条的绘制。

2 三维场景的制作

三维场景的制作主要分8个步骤：

（1）方案分析：按照设计草图确定各部分的尺寸、材料、样式以及方案的风格、色调，还要准备一些照片或图片为参考。方案分析时还要确定建模的顺序和方法、灯光布置的初步方案，并确定哪些需要在3DMAX完成，哪些需要在photoshop中调整及合成。

（2）创建框架：这一步是为确定视角做准备，模型应该尽量精简，但各部分的距离和比例关系应该准确。

用频移特性求调幅信号f(t)cosω0t和f(t)sinω0t的频谱。写出信号的表达式f(t)=u(t+1/4)-u(t-1/4)，ω∈[-8π，8π]

（3）建立摄像机：首先要确定摄像机的视角，视角应突出空间的特点，位置和方向应尽量开阔。

（4）精确建模：建模应在摄像机的视野范围内做，看不到的部分不用建模。模型的复杂程度应在满足效果的情况下，越简单越好，模型过于复杂，在展示效果图中看不出差别，白白增加了建模和修改的时间以及电脑渲染的时间。

（5）编辑材质和贴图：在3DMAX中材质与贴图的建立和编辑都是通过材质编辑器来完成的。并且通过最后的渲染把它们表现出来，使物体表面显示出不同的质地，色彩和纹理，材质在三维模型创建过程中是至关重要的一环。

（6）设置灯光：打灯光时应尽量参考类似空间的照片或图片的灯光效果，而不要凭空想象。用3DSMAX里的灯光模拟出真实光线的效果，并要考虑画面的艺术效果。

（7）渲染输出：确定渲染输入的尺寸大小，该大小将决定图像的用途以及清晰程度。

（8）后期处理：渲染合成展示效果图并在photoshop中修改亮度、对比度以及细腻的光影变化，还要加上人物、植物、小饰品等配景。这些部分在photoshop中做既省事又出效果。增加配景时又要注意，样式、颜色和风格应与整个空间协调统一，还要考虑画面的构图。

三维场景的制作步骤如图2所示。

图2

3 案例分析

本次建模样本位于山东省煤田地质局物探测量队(山东中煤物探测量总公司），地址:山东省泰安市泰山大街西段，此次我要做的内容是办公大楼的三维立体建模。

3.1 基本框架的建立

首先修改系统单位，以方便数据之间的转换，将办公大楼的CAD底图导入3DMAX中，根据平面图的二维样条线生成三维模型，用挤出或切片的方法先建立出办公楼的基本框架。基本框架如图3所示：

图3

3.2 材质编辑

在办公楼的粗模建立起来以后，要用之前对模型各个角度拍摄之后的照片，对这些照片用photoshop进行分析处理编辑，切出关键部位，对模型进行材质的粘贴，需要注意的是这些图片的大小必须都为2的幂次方，部分所需贴图如图4所示。

粘贴材质之后的效果渲染图如图5所示。

3.3 灯光的设定

在灯光布置阶段，只需按照实际灯光的位置和类型进行布置即可，架设上灯光之后的四个视图如图6所示：

图4

图5

图6

3.4 后期处理

用Light scape进行渲染，首先是灯光的定义，包括日光的窗口定义和日光的强度等，然后调整各个材质的参数，准确定义物体的物理属性，再进行光能分析计算，再进行各项参数的仔细调整，最后渲染输出，调整图像的亮度、颜色、饱和度、对比度，修补渲染中留下的缺陷，加入室外的配景，最后完成作品，经过渲染调色之后的图片如图7所示。