【文章內容簡介】 pus 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 4 在這里有必要說明的是，基于以上流程的建模方式費用低廉、可操控型高、紋理表達真實；缺點是需時長，需要較高能力人員，且在對已知物體建模時缺乏精度，且需要額外的測量工作 ,其中建模數(shù)據(jù)量較大難以滿足實時渲染對數(shù)據(jù)量的要求是此項方案技術限制的瓶頸，因此基于此方法的三維模型必須要進行優(yōu)化處理、消除冗余數(shù)據(jù)才能滿足虛擬漫游系統(tǒng)要求。 論文框架 本文研究以南京郵電大學仙林校區(qū)為對象，借助 AutoCAD、 Photoshop、 3ds max 建模軟件和 VRP 虛擬仿真軟件開發(fā)桌面型虛擬校園漫游系統(tǒng)。共計六章，具體結構如下： 第一章 緒論 本章簡要的介紹了研究背景，虛擬現(xiàn)實的相關發(fā)展，一些成品效果以及研究趨勢，總結了本 文 的主要內容流程。 第二章 校園建模技術的分析與對比 本章首先對各種建模技術 總體 介紹， 其次對 建模過程中 的相關軟件和細節(jié)進行對比和分析，采納出最終方案。 第三章 校園模型的建立 本章對于 校園建模的方式給出了 多邊形細致建模 和紋理貼圖建模 兩種方式的具體實現(xiàn) 流程 ， 以及分析對比， 給出 最終的采納方案。 第四章 校園場景的渲染 烘焙 本章介紹了 校園場景渲染 和紋理烘焙 的 多種 操作 方式， 及 其 分析 與 比對， 選擇合適的方案， 給出場景的效果圖樣。 第五章 校園 虛擬漫游的實現(xiàn) 本章對于 校園虛擬漫游實現(xiàn)過程中所進行的具體操作 ，例如，漫游、前進、旋轉導航圖等功能的實現(xiàn)， 給予詳細的說明。 第六章 結論與展望 本章總結了研究的主要成果和結論 ，過程中遇到的問題和解決方式 ，并對研究中仍然存在的問題進行了討論，指出 需要進一步深入研究的一些問題。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 校園建模技術的分析與對比 常見建模技術 MultiGen Creator 建模 MultiGenCreator 系列軟件是美國 MultiGen 公司新一代實時仿真建模軟件 。 它在滿足實時性的前提下生成面向仿真的 ， 逼真性好的大面積場景。它可為二十五種之多的不同類型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的 OpenFlight 格式在實時三維領域成為最流行的圖像格式，并成為仿真領域的行業(yè)標準。它由以下幾部分組成： 表 MultiGen Creator 建模組成部分 Model Building’s parts of MultiGen Creator CreatorPro： MultGen CreatorPro 是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實時三維建模工具，它能夠滿足視景仿真、交互式游戲開發(fā)、城市仿真以及其他的應用領域。 CreatorPro 是唯一將多邊形建模、矢量建模和地形生成集成在一個軟件包中的手動建模工具，它給我們帶來不可思議的高效率和生產力。它能進行矢量編輯和建模、地形表面生成。 Terrain Pro： Terrain Pro 是一種快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫的工具，它可以使地形精度接近真實世界，并帶有高逼真度三維文化特征及圖像特征。 Road Pro： RoadPro 擴展了 TerrainPro的功能，利用高級算法生成路面特征，以滿足駕駛仿真的需要。 Interoperability Pro： Interoperability Pro 提供 了用于讀、寫及生成標準格式數(shù)據(jù)的工具，主要用于 SAF 系統(tǒng)、雷達及紅外傳感器的仿真。 Smartscene： SmartScene 是將實時 3D 技術應用于訓練，考察和保持高效的工作能力方面的先驅，它使工作者完全融入虛擬環(huán)境過程成為可能。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 6 OpenFlight： OpenFlight 為 MultiGen數(shù)據(jù)庫的格式，它是一個分層的數(shù)據(jù)結構。 OpenFlight 使用幾何層次結構和屬性來描述三維物體，它采用層次結構對物體進行描述，可以保證對物體頂點、面的控制。 MultiGen Creator 是 MultiGenParadigm 公司的業(yè)界領先的軟件工具集，用于產生高優(yōu)化 ,高精度的實時 3D 內容 ， 用在視景仿真、交互式游戲、城市仿真、和其他的應用。這個集成的和可擴展的 工具集提供比其他的建模工具更多的交互式的實時 3D 建模能力 。MultiGen Creator 軟件包是合算的、交互式的、高度自動化的軟件，用它可以高效、實時的3D 數(shù)據(jù)庫產生而沒有可視質量的損失。 Maya 建模 隨著 PC 機的廣泛推廣， Alias 與 Wavefront 于 1998 年 6 月對 PC 用戶推出了 Maya NT版。 Maya 是 Alias|Wavefront （ 2021 年 7 月更名為 Alias） 公司的產品，作為三維動畫軟件的后起之秀，深受業(yè)界歡迎和鐘愛。 Maya 集成了 Alias| Wavefront 最先進的動 畫及數(shù)字效果技術，它不僅包括一般三維和視覺效果制作的功能，而且還結合了最先進的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染和運動匹配技術。 Maya 在燈光、攝像機、材質等方面的表現(xiàn)也不俗，模擬燈光更加真實，可調參數(shù)更突出；特技燈光種類更豐富更具有吸引力。攝像機的功能和參數(shù)更加專業(yè)，如鏡頭、焦距、景深等特殊功能是其他軟件不具備的。矢量材質可模仿木紋、毛石、水等節(jié)省了貼圖的制作，同時在折射、反射等效果上更加獨特。 3Ds Max 建模 3Ds Max（原名： 3D Studio Max），是 Autodesk 傳媒娛樂部 開發(fā)的全功能的三維計算機圖形軟件。它運行在 Win32 和 Win64 平臺上。具有基于 PC 系統(tǒng)的低配置要求；人性化的界面設計，入門簡單快捷；強大的角色（ Character）動畫制作能力；可堆棧的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性等功能。 3Ds MAX 的幾何建模方法主要有多邊形 （ Polygon） 建模、非均勻有理 B 樣條曲線建模 （ NURBS） 、細分曲面技術建模 （ Subdivision Surface） 。通常建立一個模型可以分別通過幾種方法得到，但有優(yōu)劣、繁簡之分。 總體來說， 3Ds Max 在學習和操作方面跟適合于入門 ，但是在大場景地理環(huán)境和數(shù)據(jù)量的控制方面略有不足。 本課題根據(jù)實際需求的分析，決定采用 3Ds Max 這一種較為淺顯易懂，并且教學應用較為廣泛的建模技術。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 7 校園建模相關技術 模型和材質的建立與編輯 校園場景的創(chuàng)建基礎工作是導入按照方案設計的 CAD 平面圖，然后按照 CAD 平面圖建立模型并且賦予材質。俗話說 “ 萬丈高樓平地起 ” ，校園建筑模型的搭建也是一樣，必須從基礎做起。 場景中實體 3D 對象和用于創(chuàng)建它們的對象，稱之為幾何體。軟件中提供的多項基本功能，提供建造符合校園建筑大體形狀的幾何體。之后為其賦予 相應的紋理。 其中，關于紋理，即材質的編輯，是 3Ds Max 中一項重要的步驟。有關本 文 中有機會應用到的材質基本為：涂料、白色方格磚、水泥、大理石和花崗石、金屬、玻璃。盡管在虛擬校園模型中放大的系數(shù)有限，個體的細致程度，但是這些材質的編輯處理還是具有很多實際意義的。 涂料： 涂料是建筑中使用最多的材料之一。遠距離觀察時，可以認為是均質的材料，也就是說可以不使用其他貼圖材質，只用調節(jié)色彩和反射光的方式即可。涂料對光線反射有光澤和亞光之分，調節(jié)高光形態(tài)時須注意，即使亞光涂料，當 Specular Level 和 Glossiness的數(shù)值都為 0 時，渲染后會毫無生機顯得過于沉悶。高光部分受環(huán)境影響，有環(huán)境色的傾向。涂料上的花紋則需要配合 Bump 貼圖制作了。 白色方格磚： 南郵的建筑樓體大都采用一種邊長為 30mm30mm 的啞光白色方磚。各種砌塊，包括各種面磚的表面勾縫是使用 Bump 貼圖來模擬的。勾縫是有嚴格尺寸的結構，但表現(xiàn)時不一定按其尺寸，但需接近。磚塊，砌塊，面磚的長寬比需嚴格按實際制作。在3D 有砌塊的貼圖程序，調配合適可以產生復雜的變化，這個程序有一個特點是可以使砌塊表面產生一定的隨機的顏色差異。在制作面磚材質時要注意貼 圖坐標的問題，一般是從轉角開始，在不重要的地方結束，當一個單元面積有些大時，需嚴格按實際尺寸處理，大塊砌塊也是如此，還要注意勾縫的寬度。由于磚面存在一些小的凹凸，則需使用較小值的Mix 混合較小值的 Noise 和磚縫貼圖作為 Bump 貼圖。 水泥： 水泥是路面常見的材質。其表面有較多細小顆粒，造成光線在其平面上的漫反射效果。物體的表面比較粗糙，但是顏色比較單一，高光值極小，不會在物體表面形成高亮點，但是表面可能有凹凸感。在材質編輯器中注意 SHADER【 明暗方式 】： BLINN 方式 （ 如果選用 PHONG 方式不容易突出表 面的粗糙感 ） 。 大理石和花崗石、巖石： 如同沒有兩片樹葉是完全一樣的，每片石材表面是否相同的，最好的辦法是使用大尺寸石材圖像，再添加合適的勾縫。由于石材表被拋光，存在一定的鏡面放射，且多于高光反射，這是需要注意的地方。同時， 3Ds Max 也可以加載一些相關的石塊編輯器，巖石生成器是一個小巧簡單的工具，能夠幫助用戶在很短時間內創(chuàng)建出一塊巖石，并且該巖石自動被賦予了材質。 Vue 5 Esprit 自動隨機生成各種不同形態(tài)的巖石，在創(chuàng)建好巖石之后還可以使用材質面板對巖石的材質進行任意的修改。 金屬： 金屬的具體情況有些 復雜，在渲染時可以分為拋光的和亞光的。根據(jù)不同的渲南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 8 染方式，有不同的貼圖方法 玻璃： 玻璃的表現(xiàn)有一些類似金屬?，F(xiàn)實中的金屬沒有顏色，渲染的玻璃卻要根據(jù)場景上色，簡單的辦法是用 Raytracer 貼圖。建筑中存在有大量的鍍膜玻璃，基本特點是當室外光線亮時，玻璃表面基本是反射表面環(huán)境，這是作鏡面玻璃處理即可，當室內光線亮時，這時玻璃的透明度變高，一般是在夜景中，玻璃幕墻中存在各種框架支撐，讓玻璃的存在更具真實性，但注意調節(jié)透明度時考慮與支撐框架的整體效果。在使用燈光時要注意 Ray Trace 光源和影子。 木材： 木材 表面的顏色和花紋一樣沒有重復的，對木材處理不一樣，表面效果也不一樣，這也會因為木材種類不一效果不一，大概有疏松密實之分；處理有拋光，上清漆等。疏松未上漆的木材表面基本不存在高光，而上清漆可以使表面出現(xiàn)模糊的鏡面反射。木材的紋理就像磚墻的勾縫一樣，應該注意，特別是在能同時看到大角度的兩個面時，這種情況可以考慮使用 3D 自帶的三維木紋貼圖，由于只存在兩種顏色過渡。最好是再在子貼圖使用其他形式貼圖，以豐富其變化。在近距離觀察時，可以適當?shù)陌凑漳炯y做一些凹凸效果，軟化其給人硬硬的感覺。 渲染技術 隨著光能傳 遞渲染技術的不斷進步，越來越多的光能傳遞渲染技術被應用到商業(yè)效果圖的制作中。以前最大的瓶頸就是渲染計算速度，但隨著時間的推移，一方面計算機硬件運算速度在不斷提升，另一方面，相關的軟件開發(fā)也在不斷優(yōu)化。針對 3Ds Max 軟件，已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的光能傳遞渲染插件，包括 VRay、 Brazil、 finalRender 等最為著名。按照渲染手段可以分為三類：一類為 MAX 自帶 Scanline 線性渲染器，它是目前市場上應用最為廣泛的渲染器。其優(yōu)勢計算速度快，缺點是沒有物理光照，渲染質量也一般，如果想出效果需用系統(tǒng)模擬 光能傳遞方法。二類是第三方開發(fā)的渲染器： Insight、 Brazil、 Vray、Finalrender 和 MentalRay。它們是屬于全局光渲染。優(yōu)點是傳遞模擬簡單，缺點為速度慢。三類使用物理傳遞技術，如 LightScape。優(yōu)點渲染品質真實，可以達到照片級水平，缺點為速度慢。 渲染插件的好與壞是相對的，需要看哪種最適合工作需求。現(xiàn)在很火的渲染器 VRay使用率比較高，而有些公司則使用 MAX 自帶的 MR 渲染器。有的插件上手程度有局限，不是一個初次接觸 3Ds Max 可以完成的了的。所以在渲染插件的選擇中，需要適度 的考慮。 本次校園模型場景使用了 3Ds Max 自帶的默認渲染器 Scanline 渲染。在這里，值得提一點，只有渲染出質量良好的效果圖，才能烘培出好的貼圖，最終做出好的作品。由于模型建的比較簡單，并且紋理都是貼圖，所以此場景渲染的主要工作是給場景打上燈光，顯示出真實的效果。 燈光設置 在 3Ds Max 中，燈光的設置可以說是至關重要，它直接關系到最后作品的效果，同時也是一個難點。主燈光可以放置在場景中的任何地方，但實際應用中有幾個經(jīng)常放置主燈南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 9 光的位置，而且每個位置都有其渲染物體的獨特方式，下面來分別 介紹： FRONT（前向）照明： 在攝象機旁邊設置主燈光會得到前向照明，實際的燈光位置可能比攝象機的位置要高一些并且偏向一些。前向照明產生的是平面型圖象和扁平的陰影，由于燈光均勻照射在物體上并且離攝象機很近，所以得到的是一個二維圖形，前向照明會最小化對象的紋理和體積，使用前向照明不需要進行燈光建模。 BACK（后向）照明： 將主燈光