基于3DMAX和VRP的农产品虚拟展厅设计与构建

蒋纪平,胡萍,臧珊珊,赵明富

（河南科技学院信息工程学院,河南新乡453003）

基于3DMAX和VRP的农产品虚拟展厅设计与构建

蒋纪平,胡萍,臧珊珊,赵明富

（河南科技学院信息工程学院,河南新乡453003）

虚拟场景是运用计算机技术对现实世界进行模拟仿真所创建的具有真实感的虚拟环境.研究主要利用3DMAX和VRP构建农产品虚拟展厅,使用3DMAX进行基础建模、材质贴图与烘焙,使用VRP进行后期的调整与交互制作,实现实时反射、人物在场景中行走、角色相机与行走相机、鼠标触发事件等,形象逼真地展示三维虚拟农产品展厅.

虚拟现实；农产品展厅；3DMAX；VRP

三维虚拟场景是将现实存在的实体场景以虚拟的三维立体方式呈现出来,实现实体场景的科普教育及其他功能.农产品虚拟展厅是指以数字化和多媒体技术作为展示技术,结合独到的数字创意宣传内容,以各类新颖的技术吸引参观者,实现人机交互方式的农产品虚拟展厅形式[1].它是一种新型的具有各种多媒体展示系统功能的平台,通过对声音、动画、视频组合运用,可以让用户随时随地在虚拟场景中体验.展厅参观者能在虚拟的农产品展厅中随意游览,观看展厅内各种展品的三维仿真展示,并可以对三维虚拟展品进行操作,从各种视角查看三维虚拟展品,同时也可以观看录制的农产品展厅内部动画并与虚拟展厅进行动态交互等,打破了传统场馆建设时间较长、展示方式落后、展馆面积有限、展品更新慢、交通不便等困境[2],在很大程度上促进了农产品技术的应用和推广,促进农业科技交流和培训[3].本文选用3DMAX与VirtualReality Platform（VRP）作为技术支持,以农产品虚拟展厅为例展开对三维虚拟场景构建的探讨和研究.

1 场景设计

三维虚拟农产品展厅是将实体农产品展厅的馆外、馆内环境构建成三维模型,展示实体农产品展厅的科技内容,尽可能多地提供虚拟交互操作,同时还提供一些实体农产品展厅难以提供的多媒体交互等功能.

三维虚拟农产品展厅的开发主要包括三个阶段：查询和搜集有关农产品展厅资料进行场景规划,进行农产品展厅的三维建模、材质与贴图的创设与烘培,运用VRP对虚拟场景进行后期调整并实现虚拟交互控制的内容进行研究.开发流程如图1所示.

图1 农产品虚拟展厅总体设计Fig.1 Overalldesign ofvirtualexhibition hallofagriculturalproducts

在农产品虚拟展厅中主要介绍一些新型农作物以及一些比较稀有的果蔬产品,虚拟展厅是以实体展厅为基础,应具有实体农产品展厅的组成元素和基本功能.

2 模型构建

对于三维农产品虚拟展厅的构建,主要利用3DMAX进行初期模型的制作,灯光、材质与贴图的创设与烘培.

2.1 基础建模

根据所搜集的农产品展厅资料、数据以及农产品展厅的规划图,使用3DMAX进行建模.在建立模型时可以采用搭积木的方式进行拼接组合.对于农产品展厅模型的建立,主要是先用扩展基本体中的L-Ext建立墙体,根据前期搜集的农产品展厅的数据资料调节系数,然后按照由外到里的顺序依次构建出其他模型.

2.2 材质贴图

3DMAX实现了从一个二维图像被映射到场景中的一个三维物体模型上产生复杂的视觉效果的功能[4],为初期建立好的模型附以贴图,可以营造事物真实的三维效果.在模型建立后,需要对模型的每一部分分配材质和贴图.同时,对前期搜集和处理过的图片根据农产品展厅真实情况再次进行处理,以达到逼真的效果.在本研究所建的三维展厅模型中有很多展示牌和展板,主要使用Adobe Photoshop和Adobe Illustrator对前期搜集的图片进行设计处理,大约36张左右,做成适合农产品展厅使用的贴图.

在附贴图时,一般使用标准材质.通过在3DMAX的漫反射通道里加入一张贴图可以为模型赋材质,一般使用“UVW贴图”即可,在必要的时候使用“UVW展开”使贴图更好地分布展开,看起来更加形象逼真[5].物体的贴图只允许使用bmp、png、tga、dds、jpg这几种格式.经过对三维农产品展厅的材质与贴图的调整,得到了比较逼真的模型,如图2所示.

图2 农产品虚拟展厅模型Fig.2 Modelofvirtualexhibition hallofagriculturalproducts

2.3 烘焙

所谓烘焙就是将3DMAX场景中的灯光效果通过烘焙操作以贴图的方式导入到VRP编辑器中,从而得到一个具有真实光影效果的虚拟现实场景[6].烘焙除了能够增强虚拟现实场景的光影效果,还可以节省系统资源,提高场景的运行效率[7].在烘焙之前需要对场景中的模型使用层管理器进行分层,按照烘焙类型和尺寸进行“层”的划分.分层之后,分别对每个层的模型进行渲染,即点击工具栏“渲染”到“渲染到纹理”,然后在渲染面板中进行输出与各个参数的设置.

3 后期交互

三维虚拟农产品展厅的交互功能主要在VRP编辑器中实现,通过模型调整与交互设置,使游览者感觉在农产品的三维展厅中漫游,自由地浏览农产品,仿佛身临其境.

3.1 模型导入

通过在VRP中安装的插件可以将烘焙好的农产品展厅模型从3DMAX中导入到VRP.模型的导入可以选择直接调入VRP编辑器或者保存场景两种方式.

3.2 模型材质调整

为了使导入到VRP中的农产品虚拟展厅模型的玻璃材质、展板材质以及树模型等能够更逼真地显示,需要在VRP编辑器中对它们的参数进行调整.首先设置农产品展厅模型展台玻璃材质的系数,即分别对模型的材质、光照系数、透明度、反射贴图、混合模式等进行调整,使其显示出玻璃材质的效果.调整好了玻璃材质,接着就要对模型的展板、树模型、亭子柱子等进行调整.对于像柱子、树模型这类在3D MAX中没有附材质的模型,要增强其逼真效果,可以通过在VRP编辑器为其添加反射贴图实现,选择合适的UV通道,并调整混合模式以及混合系数,使其达到最优效果.在VRP编辑器的作用下,经过烘焙技术处理的图片在其仿真环境下的光照效果非常好,且降低了系统的资源消耗[8].

3.3 交互制作

交互设置是三维虚拟场景构建的一个重点,基于虚拟现实的多感知性、沉浸感、交互性和构想性的特点,使用者既可以全景观看预先制定的三维农产品展厅的动画展示,也可以实现交互式漫游功能,对三维虚拟农产品展厅进行旋转、全景等基本操作.

3.3.1 实时反射功能实现为了使地板能够较真实地显示,需要给地板设置实时反射功能,使地面上的模型或物体能够反射到地板上,完成投影的效果.在这个过程中,需要先选定反射模型,即选定哪些模型会投影到地板,然后将它们编制成组group1.接着选择地板模型,在VRP编辑器中对其设置一个反射贴图,设置UV通道为campos,点击实时反射按钮,选择group1,再在混合模式中调整合适的系数即可.

3.3.2 骨骼动画与路径动画的实现用户从VRP角色库中调用一个模型之后,就可以从动作库中为模型添加一个或多个动作.在VRP编辑器中绘制一条路径,然后将角色绑定到路径上面,可以实现模型角色沿着路径行走的动画效果[9],如图3所示.

图3 骨骼动画与行走路径设置Fig.3 Settingsofskeleton animation andwalkingpath

路径编辑是对创建好的路径,通过路径运动选项设置绑定物体的路径和路径动画的速度以及方向.根据场景的需要,在VRP编辑器中设置合适的参数.

3.3.3 角色相机与行走相机设置使用者在三维虚拟农产品展厅中漫游时,是以一定的视角来参观整个农产品虚拟展厅场景,因此需要在农产品虚拟展厅中模拟合适的视角,即创建相应的相机.本场景中用到的有行走相机和角色控制相机.行走相机可以使用户以第一人称的视角观察整个虚拟场景,并根据自己的需要随意浏览.利用角色控制相机可以录制一段农产品虚拟展厅的展示动画,提供给观看者一个展厅内部的浏览效果.

3.3.4 鼠标触发事件的设置在VRP编辑器下,可以通过设置鼠标触发来实现查询并获取相关模型属性、开关控制音乐、连接数据库、打开网页、加载视频等常用功能[10].

根据所构建的农产品虚拟展厅,设置按钮的触发事件.在此场景中设置了“角色相机”和“行走相机”两个按钮,并对他们添加鼠标事件脚本,如图4所示.

图4 角色相机按钮添加的鼠标事件Fig.4 Mouseeventon role camerabutton

在该漫游动画中,按钮的触发事件主要运用在相机的转换和交替中,场景中分别有“角色控制01”和“行走相机”2个相机来实现三维虚拟农产品展厅的展示,通过按钮控制来完成切换和展示.点击角色相机后将调出之前已经录制好的展厅展示动画,点击行走之后将显示行走相机控制页面,也就是展厅正面,可以由使用者自由控制进行浏览.

在高级面板大小控制中添加了滑竿,通过设置控件属性,调出VRP编辑器,添加脚本来实现控制背景音乐以及解说词的音量大小.

可以通过在模型上添加脚本来实现介绍说明目的的设置.在该农产品展厅中有许多展台展板,在展厅正面方向上的长形展台上面摆放了15张小展板用来介绍多种果蔬,由于展板面积较小,所以使用者在浏览展厅时难以看清展板上面的具体信息.通过在各个小展板上面添加脚本实现了鼠标移入放大显示展板信息的效果,解决了这一问题.具体操作步骤如下：首先在初级界面中创建面板,调整其大小与位置,并为其附上贴图,即小展示板的放大显示图；接着在创建对象模型面板中选择与刚才贴图相对应的展板模型,在VRP编辑器中为其设置鼠标事件,分别设置鼠标移入、移出时的动作脚本.在为所有小展板模型添加动作脚本之后,当鼠标移入该模型,在展示页面正上方就会出现该展板的详细信息,当鼠标移出时,该展板的消息信息图片就会消失[11].

3.4 发布输出

在完成场景中所有模型的交互功能后,需要将其发布成单独的界面.VRP可以输出两种类型的文件,一种是可以独立运行的EXE文件,另一种是可网络发布的VRPIE文件.本农产品虚拟展厅模型将制作好的三维漫游动画输出为可单独执行的EXE文件,完成编译之后就会在保存页面出现EXE文件图标,双击该文件即可观看在VRP中制作完成的三维虚拟农产品展厅动画.

4 系统实现

农产品虚拟展厅系统的实现主要以3DMAX技术和VRP技术为技术支撑,进行虚拟实验的设计与开发.主要利用3DMAX进行三维基础建模、材质贴图与烘焙；主要利用VRP实现虚拟实验中的相机动画和鼠标触发事件等交互功能,形象逼真地展示三维虚拟农产品展厅.输出效果如图5所示.

图5 输出效果Fig.5 Outputeffect

5 小结

三维虚拟场景的发展改变了以往实体场景展示的方式.采用虚拟现实技术改进展示方式,让使用者能够以一种新的方式来汲取知识.本研究以三维虚拟农产品展厅为例对基于3DMAX和VRP的虚拟场景构建展开研究,以3DMAX作为前期建模工具构建三维虚拟农产品展厅模型,借助VRP软件平台再现了现代化农产品展厅,并完成了交互设置等.构建过程相对简易,为虚拟场景的构建提供了一种借鉴.

[1]李欣.虚拟现实及其教育应用[M].北京：科学出版社,2008：4-7.

[2]黄建萍.三维数字技术在博物馆网站中的应用[J].数字技术与应用,2011（9）：44-45,47.

[3]马海霞,王恒炜,杨博超,等.基于Web 3D技术的甘肃省农业科学院虚拟展馆设计及实现[J].甘肃农业科技,2013（10）：19-22.

[4]况扬,江婕.虚拟三维场景中贴图问题探索[J].福建电脑,2011（11）：144.

[5]徐健.三维虚拟仿真关键技术和示范应用[D].南昌：江西师范大学,2013：13.

[6]颜颖.基于3DMAX和VRP的虚拟现实研究[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2012（4）：58-59.

[7]马萍.三维虚拟校园立体场景的设计与实现[D].济南：山东师范大学,2013：15-17.

[8]屈宜丽,任志国,蓝才会.基于3DMAX和VRP的虚拟校园技术研究[J].中国建材科技,2016（2）：110-111.

[9]王佳.基于虚拟现实技术VR-Platform平台的产品展示研究[D].太原：太原理工大学,2013：47-48.

[10]高义栋,杨小飞.虚拟导游实训系统中交互功能的设计与实现：以《比干庙导游实训VR教学平台》为例[J].现代教育技术,2013（5）：117-121.

[11]孟庆轩.基于虚拟展厅的学生作品展示系统设计与实现[J].计算机时代,2014（10）：41-43.

（责任编辑：卢奇）

Design and construction of virtual exhibition hall of agricultural products based on the 3D MAX and VRP

JIANG Jiping,HU Ping,ZANG Shanshan,ZHAOMingfu
（Schoolof Information Engineering,Henan InstituteofScienceand Technology,Xinxiang453000,China）

Virtual scene is a kind of virtual environmentwhich is created by using computer technology to simulate the real world.In this study,3D MAX and VRPwere used to build virtual exhibition hall of agricultural products.3D MAX was used for basic modeling,texturing and baking,VRP was used to make real-time reflection,characters walking in the scene,role camera and walking camera and mouse triggering events and so on.The paper vividly displays the three-dimensional virtual agricultural products exhibition hall.

virtual scene；agricultural exhibition；3D MAX；VRP

G434

A

1008-7516（2017）03-0039-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.03.007

2016-11-18

新乡市科技创新平台建设项目（CP1406）

蒋纪平（1982―）,女,河南遂平人,硕士,讲师.主要从事数字媒体研究.