三维建模技术在虚拟现实中的应用

王志岗

(宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021)

0 引言

虚拟现实技术是近些年来新兴应用的感官模拟技术，在应用该技术的过程中以计算机为基础，通过对现实世界的模拟未应用者提供身临其境的体验感，不仅可以为用户提供对应的视觉感，还可提供听觉感与触觉感等，因此具有较强的沉浸性与感知性。现如今虚拟现实技术在各行各业的应用逐渐广泛，例如可应用于建筑项目的虚拟演示或者飞行训练模拟、远程线上教学或者手术等多个方面。在虚拟现实研究的过程中以真实情景为基础的三维场景建模技术是应用基础，也是我国现阶段虚拟现实领域的研究爆点话题。据相关调查研究可知，我国的虚拟现实技术起步时间相对较晚，但近些年来的研究成果较为丰硕，其中虚拟现实中三维建模技术的研究与应用逐年深入，体现出我国新型科技领域的全新发展趋势。

1 虚拟现实建模基本内容概述

三维建模技术作为虚拟现实建模的基础内容，通过有效的实践可促进虚拟现实系统的构建。具体而言，三维建模技术可根据感官与实际应用的不同，分为视觉建模与听觉建模两大部分。本文重点探讨三维视觉建模的主要内容，其中所包含的类型有几何建模、物理建模等。

1.1 物理建模

在虚拟现实系统中，物理建模属于层次较高的建模形式，在构建过程中需要将物理学科知识与计算机知识相结合，有效利用图形学的相关理论进行模型构建。在物理建模的过程中，力的反馈可起重要作用，相关理论知识可对物理建模的表面形态(是否变形)、重量情况、硬度情况等方面的表达产生重要影响。综上所述，物理建模作为应力较高的建模方式之一，可以物体质量、物体重量、物体外观表面形态、物体硬度与物体惯性等方面为切入点完成的模型构建。在构建模型的过程中，将上述特征的表达形式与传统几何建模的基本原则有效结合，从而使得虚拟环境中的物体模型构建更加真实，并具有生动形象的特征[1]。

通过查阅相关文献可知现阶段较为常用的物理建模方法包括：粒子系统、分形技术两种，两种建模方法在适用范围上有较大差异。其中在虚拟现实的物理建模过程中，粒子系统通常适用于对处于运动状态的物体建模，通过该种建模方法可以有效描述天气或者喷泉等动态现象；而分形技术更适用于静态物体或视觉对象的模型构建。

1.2 几何建模

几何建模是虚拟现实建模技术的最基本内容。众所周知，物体的形状组成主要以物体的顶点以及多边形为基础，而物体的外观所包含的内容相对较多，不仅包含颜色，同时还包括纹理等内容。在几何建模中，需要根据物体的几何信息构建图形所涉及的信息，不仅包括结构数据，还包含可操作数据结构的相关算法等方面内容。与现实世界相同，在虚拟环境中的物体同样需要关注外观与形状的构建。在构建的过程中，几何建模可根据虚拟环境中所组成的相关信息进行搭建。与此同时，在应用虚拟建模技术完成几何建模的过程中，必须重点关注交互操作能力、易构建能力、交互显示能力三大部分的具体要求，从而确定几何物体的实际形态[2-5]。

1.3 行为建模

行为建模主要是指不仅需要创建模型，同样需要对模型的表现特征加以重视，在尊重客观规律的情况下，不仅使得所构建的模型具备物理属性，同时还要让模型具备物体本身所拥有的反应能力与行为手段，即通过一定的技术手段使得所构建的模型更加富有灵活性与生命力。因此，虚拟现实从本质上来说不仅是对客观现实世界的模拟，同时也体现出折射特点。这要求在构建模型的过程中，必须将虚拟现实环境的模型与现实模型相比对，使二者不仅具有相似性，同时还得具有高度一致性。在构建虚拟现实环境的过程中，有效结合几何建模与物理建模，不仅可以使虚拟现实中的物体静态更加真实，还体现出动态真实的特征。由此可知，为了使虚拟环境与现实世界更加相似，突出二者间的一致性，必须着重强调应用行为建模途径[6]。

行为建模着重强调对模拟对象的动态描述，其所包含的内容主要为物体的行为描述。因此，行为建模可着重突出虚拟现实环境的特征，体现出生命性与真实性。如果在虚拟环境中物体并不具备行为或者反馈，则会导致真实性较差，不利于吸引更多的虚拟现实用户。

1.4 运动建模

在虚拟环境中，我们不仅要建立静态的三维几何体，同时也要营造动态的三维几何体。此时物体的特性不仅需要考虑到自身属性，同时需要考虑到物体位置之间是否存在碰撞或者表面变形等方面，这也是虚拟环境处理难度相对较高的方面。本文以碰撞检测方面为切入点进行具体阐述。其中碰撞检测作为虚拟现实技术众多技术手段中重要性相对较高的技术之一，应用效果相对较好，在运动建模中具有较高的应用率。虚拟现实系统与现实一样，人是不能通过墙而穿越画面或对象的。因此，利用碰撞检测可以对不同物体的相对位置进行计算与测量，简而言之，碰撞检测技术作为一种识别技术，可对虚拟环境中不同对象之间是否存在碰撞或相对位置进行识别与确定。但是在应用碰撞检测的过程中，如果对两个物体对象中的每一个点都进行碰撞计算，那么不仅任务量较大还需要大量的时间。因此，在现阶段应用碰撞检测的过程中，为了进一步降低人力成本与时间成本，通常应用矩形边界检测的方法。此方法尽管精确度相对较低但是具有较好的应用效果[7]。

1.5 模型分割

应用模型分割可将虚拟世界按照一定规则或原则进行分割，从而转化成相对更小的单元，这一过程可以有效绘制单元中的不同对象，从而降低模型的复杂性与构建难度。在现阶段的模型分割过程中，应用率相对较高的分割方法为细节水平分割与单元分割两种。其中单元模型分割主要是指将虚拟环境分割成相对较小的单元，由此可以使得所构建的模型物体被渲染，进一步降低出行处理的难度与复杂程度。因此，单元模型分割在应用中更适用于大型建筑模型的构建与分割。应用单元分割后，所被分割模型的绝大部分在固定视景中所起的作用相对较小[8-10]。在应用模型分割后，视野中多边形的数量与视点的移动并无密切关系，对于某些相对规则的模型切割过程而言具有较好的应用效果；与此同时对于那些完成后一般不再轻易变化的建筑模型，可在预先计算阶段离线完成分割。

2 三维场景构建流程的改进分析

2.1 三维建模优化流程

在三维建模的过程中，优化技术环节具有重要作用。所优化的结果水平高低对最终系统的呈现结果起决定性作用，可对显示速度与运行速率等多方面造成影响。因此，必须立足于场景模拟系统对原有的传统优化技术，进行进一步更新与改进，将新型的优化技术贯穿于整个建模环节。具体步骤如下：

(1)结构优化。对结构进行优化必须对虚拟场景进行深层看，按照场景分块节奏或者模块分割节奏构建层次结构。在完成层次结构分划后，按照层次建模原则进行结构调整与处理。

(2)纹理优化。首先将数据按照文理原则进行预处理，并以建模的实际需求为原则进行再处理，将数据分类处理为简单分量纹理、开展纹理格式优化或纹理拼接等。

(3)模型优化。在模型创建完毕后应用可见消隐技术或实例化技术等技术手段进行再处理，通过对多边形数目进行简化与优化，达成模型优化的目标。

(4)场景优化。将已经构建完毕的模型应用纹理映射技术或实例化技术、外部引用技术等对场景进行进一步优化与处理。

2.2 结构优化

在虚拟现实环境中，即使模型的结构相对较为简单，也必须根据层次结构加以调整，通过优化模型结构促进最终呈现效果质量的提升。因此，必须对模型所处的环境开展层次结构区分，具体步骤如下：

(1)根据场景特点开展层次划分，在划分结束后对场景建模的内容开展分块处理，对场景建模中的内容进行划分并设定组织计划。

(2)明确场景建模的构建目标。与此同时，必须着重强调组织计划的可行性，在一定程度上降低技术人员的工作量压力。

(3)在完成上述步骤后搭建对应的三维场景。在构建三维场景的过程中，必须以前期的几何结构以及物体的具体类型为基础，明确虚拟场景的具体结构以及结构划分情况。在构建三维场景的过程中，所应用的结构绝大多数为层次结构。因此，必须从宏观与微观两个角度开展结构优化工作，通过场景结构优化与模型结构优化逐一完成区域的三维场景的优化。

其中结构优化主要是对场景进行分块或者模型分割，完成层次建模，最后进行集成。在对结构优化进行场景分块与模型分割的过程中，要遵循以下原则：(1)若物体为同一类型则可分为一块，例如街灯等物；(2)在原则上，每个物品都可以进行独立分块，例如防火装置等；(3)若物体与物体之间存在关联关系，则可进行同类分块，其中关联关系可包括运动关系或制约关系等，例如卫星与火箭可分为一块；(4)若在人体视觉上处于相邻关系的物体则可分为一块，例如建筑中的配电室或值班室可进行同类分化；(5)若物体存在实际可操作性，则可分为一块；(6)若物体完全没有任何关联关系或者关联度较低，则也可进行同类分块，比如天空与草地或者其他远景；(7)若物体在视觉观感中属于连接体则可分为一块。在结构优化中，结构调整是核心部分，尤其是层次结构的调整更是会对最终三维建模的实际效果产生重要影响。

在层次结构建模的调整过程中必须遵循以下原则。

(1)在构建过程中按实际需求完成具有层次结构的模型。一个相对复杂的物体，其构成可能由多个简单物体组成。因此，在构建复杂物体的组节点过程中不需要将所有简单物体都进行详细考虑，可根据不同物体的结构特点完成组建过程，在组建过后将其组合在同一个组。在将简单物体进行组合的过程中，组合顺序及组合原则可根据物体在实际场景中的具体位置以及重要因素性等因素综合决定。

(2)在完成层次建模的过程中，还需根据物体是否规则进行情况判定。规则物体与不规则物体的建模方式有所区别。在构建不规则物体的层次建模过程中，需根据该物体的实际情况明确规则部分与不规则部分，根据两部分的重要程度分别完成建模。其中若不规则部分具有较高的可操作性并且重要程度较高、具有可视性则可作为建模重点；若其余部分重要程度相对较低，则可利用平面体或较为简单的几何体进行代替。在完成规则物体的层次建模时，需以不影响真实观感为基础条件，对物体的外围部分完成建模，与此同时规则物体的连接面或底部等部分，则可忽略不计。

(3)若从视觉观感上物体属于相邻位置，则可简单进行层次结构建模的调整与调节。若数据节点属于同一等级则需按照顺序从左至右完成排列，若节点存在但却不可观察物体时可对节点进行调整，使得物体显示位置有所变化；若从视觉上物体为部分可见时，则可对不可见的物体进行节点调整或者多边形调整。

3 结语

综上所述，随着新兴科技的不断发展进步，现阶段虚拟现实中三维建模技术的发展更为迅速，逐渐应用至各行各业中。本文以此为基础，简单概述虚拟现实的建模基本内容并具体分析如何更好地完成三维场景构建流程的改进与优化。