虚拟现实动画场景的建模方法研究

熊　明，卢　洁湘潭大学艺术学院，湖南湘潭　411105

虚拟现实动画场景的建模方法研究

熊明，卢洁
湘潭大学艺术学院，湖南湘潭411105

摘要虚拟现实动画模型的制作一直动画场景制作的难题。在动画场景中，高精度的模型往往多边形数量繁多，导致渲染速度过慢，而多边形数太少往往会降低动画画面的质量。文章通过研究了三维软件建模的特点及难点，分析了虚拟现实动画建模的方法和注意事项，总结了虚拟现实场景中贴图的三种方法：通过三维软件的烘培工具优化贴图，通过三维软件的投影工具优化模型，使用Alpha信道对模型进行 优化，给出了虚拟现实动画场景中建模的方案。关键词 虚拟现实；模型；贴图

0　引言

虚拟现实技术已经成为建筑、产品展示的重要方式，它以自由空间的方式呈现给观众，比传统平面的方式更为直观，展示的内容也更为丰富。这里的展示绝对不是在三维软件和虚拟现实软件中简单地对产品模型进行拼接，它借助于虚拟现实这一手段，根据观众的意愿和产品自身的特点将模型组合加以优化，进一步加深观众对产品的理解。合理地设计虚拟现实场景的模型，并对场景中产品的贴图进行艺术加工以营造精美的画面空间是展示能否取得成功的先决条件。

三维模型的建模方法已经很成熟，但绝大多数的建模方法都基于三维动画的需求。在三维动画中，为了实现高精度的画面，往往使用高面数的图形，这种模型被赋予材质、贴图后，往往需要大量的时间进行渲染输出成视频。而在虚拟现实系统中，模型是需要实时显示的，即显卡处理图形的速度必须跟上视点的改变速度。在较大的场景中，如果模型面数过多，材质、贴图过于复杂，计算机处理图像能力往往跟不上视点的移动，从而导致图形显示的迟滞现象。因此，对模型的优化，即降低场景的复杂度也就成为虚拟现实动画实现的必然需求。

1　虚拟现实场景中模型的创建

虚拟现实是实时的展示过程，想加深客户对产品的理解，需要使其实时而流畅地观察场景或产品的模型信息。场景模型多边形的数量是影响虚拟现实画面显示速度的重要因素，在场景制作的过程中应着重减少模型多边形数量。模型的创建软件较多，现在比较流行的有3ds max、maya、犀牛等三维工具。以国内使用较多的3ds max软件为例，它具有丰富的建模修改器和完善的材质、灯光、渲染系统，使用相对比较简单。3ds max支持DWG、FBX、DFX、OBJ等常用的三维模型格式，通过丰富的材质系统和完善的渲染引擎可以制作精美的各类模型。它主要包括网格建模、多边形建模、面片建模和曲线曲面建模四种方式。通过软件的各类工具，可以灵活处理各类场景模型。

在虚拟现实场景建模的过程中，主要注意以下三个问题。

1.1 确定合理的场景比例和单位

在三维软件中，建模首先要考虑的就是根据实际场景的大小按比例创建模型。制作人员首先根据CAD的原始素材进行分工，确定各自负责的区域，将CAD图纸导入到3ds max软件的坐标原点进行绘制，并确定好统一的绘制单位。只有正确尺寸比例的场景，才能更好地在软件中进行光照计算以加深观众对虚拟现实的体验。

1.2 合理控制场景多边形的数量

在制作场景时严格控制相邻物体面与面之间的多边形数量，对于被遮挡的多边形进行删除，多余的面不影响虚拟现实的画面质量，但是模型越复杂，消耗的系统资源越多，图形处理的速度也就越慢。一般来说，只创建受光线影响的多边形，视图中看不到且对别的物体不造成折射、反射影响的物体可以忽略不计。我们也可以根据镜头对模型进行精简，删除摄像机不可见的多边形，在控制模型面数的同时又可以充分利用贴图资源，以达到提高显示速度的目的。

1.3 严格控制模型之间的距离

虚拟现实场景中为避免破面、闪烁、漏光等现象，应严格保持模型之间的距离，模型之间必须控制叠面、共面、漏面和反面的现象。这里主要是为了防止贴图显示时出现错误，导致在浏览场景是出现破面、闪烁、漏光的问题。一般可以使面与面之间距离控制在场景最大尺度的两千分之一单位。

2　虚拟现实场景中贴图的优化

虚拟现实场景具有浸没感的特征，通过合理地设置模型和材质，使用户在软件的模拟环境中难辨真假，如同游走在现实世界中。贴图的大小影响显卡对图像的读取速度，而这种读取速度恰恰是影响用户进行虚拟体验的重要因素。现阶段的虚拟现实中，模型的处理主要通过三维软件的烘培工具优化贴图、通过三维软件的投影工具优化模型、使用Alpha信道对模型进行贴图处理这三种方法来实现。

2.1 通过三维软件的烘培工具优化贴图

烘培学名又叫“渲染到纹理”，行业内部俗称“烘培”。使用贴图烘培技术能够依据对象在渲染场景中的外观创建纹理贴图，这种纹理贴图包含了场景内部的灯光、折射、反射等材质信息。通过将具有材质信息的贴图烘培回对象之上，使模型本身在没有灯光、环境的情况下也具相关的质感，也就是说通过贴图使得当前的外观情况成为了对象的一部分。这种技术在游戏、虚拟现实的场景中尤为重要，在3ds max、maya等主流三维软件中都可以实现。通过贴图的烘培，使得模型不需要计算场景的灯光信息和其他物体对其折射、反射的影响也能显示真实效果，贴图占用较少的内存空间，提高计算机对虚拟场景的运算能力。从而大大降低了显卡的工作强度，在保证画质的同时为虚拟现实的实时显示提供了可能。

在虚拟现实场景中，烘培的贴图尺寸大小一般保存为2n像素单位，同时，根据场景中模型的比例对贴图像素尺寸进行严格控制，以最大程度优化场景。

在三维软件中，烘培贴图的使用需要对模型进行精确的UV贴图坐标设置，即确定二维贴图在三维空间的坐标点。三维软件的坐标系统通过UVW的数值来控制，模型的每一个顶点都有不同的UV信息。只有烘培出来的贴图合理地分配到对应的坐标点上，才能准确地表现物体的体积关系和材质、灯光信息。对于某些物体较多，模型结构复杂的场景而言，烘焙贴图的工作比较繁琐，需要消耗较长时间对模型进行处理，我们可以将模型进行结构划分，把复杂模型分区域处理，使得模型的烘焙更方便。如对于一个建筑模型而言，我们可以把建筑外部框架结构、玻璃、屋顶等分成多个模型进行烘培。

2.2 通过三维软件的投影工具优化模型

在虚拟现实场景的制作中，虽然通过烘培使得模型脱离灯光和环境也能显示良好的质感，但如果被烘培的对象本身属于多面数的模型，显卡同时处理的多边形数量过多，同样会影响到显卡显示图形的效果。在这种情况中，一般会使用“投影修改器”将烘培后高模的UV贴图映射到低模的UV上。“投影修改器”是高模进行低模转换的重要工具，它指定了高模物体贴图到低模物体贴图的坐标。通过投影修改器，一个具有上万个多边形的复杂模型将被显示在一个十余个面的简单几何体上，对图形处理的加速有了质的飞跃。

在复杂的虚拟场景中，应用烘培和投影贴图的方式对模型进行优化是非常重要的步骤。结合投影贴图的设置可以让烘焙出来的贴图更好地覆盖在低精度模型的表面，在保证画面效果的同时又降低场景模型的面数，达到优化场景模型的效果，从而加快了虚拟现实动画的显示速度。

2.3 使用Alpha通道进行建模

为实现图形的透明效果，采取在图形文件的处理与存储中附加上另一个8位信息的方法，这个附加的通道代表图形中各个素点透明度的信息就叫做Alpha通道。[1]Alpha通道用黑色表示图层的透明信息，白色表示图层的不透明信息，灰色代表图层的半透明层度。

在设计软件中大量使用到该通道，如平面软件photoshop，三维软件3ds max、maya、zbrush等，一般用来优化模型，降低模型的复杂度。在虚拟现实场景的制作中，这种技术主要使用在植物、栏杆、人物头发等细节过多模型上。在三维软件中，通过在材质的透明通道中加上黑白灰的通道图，制作透明效果以去除模型多余部分，同时在漫反射通道中加上带有色彩信息的图片。这样简单的步骤使一个数以万记面数的模型能用一个简单的面片来实现，大大地降低了虚拟现实场景模型的复杂程度，提升了交互过程的显示速度，如图所示。

3　结论

虚拟现实动画作为一种交互的形式，在展示设计领域的应用使受众对产品的认识从被动接受转为主动认识，产品的信息得以更为直观地表现出来。随着虚拟现实技术的不断发展，它在展示领域的运用将会越来越广泛，对模型的要求也会越来越高，对计算机硬件的需求也不断增强。通过三维软件建模，并利用烘培工具、投影工具、Alpha通道对虚拟现实场景的模型和贴图进行优化，使得设计师在计算机硬件与虚拟现实画面质量的冲突中有了表现的余地，得以在现有硬件条件基础上最大化的表现出展品的特征。同时，这种模型的处理方法大大缩短了制作工期。有理由相信，这种模型的优化技术将在很长的时间内成为制作虚拟现实模型的技术保障。

参考文献

[1]周中云.Alpha通道在多媒体课件作品开发中的应用[J].现代教育技术，2003（2）：71-73

基金项目：湖南省教育厅优秀青年课题（项目名称：虚拟现实动画中人机交互技术在建筑展示中的应用研究。项目编号：11B129）

中图分类号TP39

文献标识码A

文章编号1674-6708（2015）139-0095-02