南京郵電大學2010屆地理信息系統(tǒng)專業(yè)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　南京郵電大學</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　日期：2010年3月15日至 2010年6月18日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　虛擬現實，或虛擬實境（Virtual

2、 Reality），簡稱VR技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境，是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術輔助生成

3、的高技術模擬系統(tǒng)。隨著現代科技與信息的發(fā)展，這項技術逐漸成為人們關注的熱點之一。</p><p>　　本文基于南京郵電大學的仙林校區(qū)教學區(qū)及其主要生活區(qū)域，利用CAD、3Ds Max以及VRP軟件，建立了其校園虛擬現實平臺，完成了校園的可視、漫游等功能的實現。</p><p>　　首先，對于虛擬現實有一個概念性的介紹，然后圍繞著南京郵電大學的虛擬演示及三維互動這個課題，講述了三維建模技術、

4、渲染技術、烘培技術和人機交互技術。介紹了其中所涉及的相關軟件，以及其中所涉及到的技術。對于課題的完成過程作了比較詳盡的描述，包括其中注意的細節(jié)，遇到的困難以及解決方法。</p><p>　　其次，通過南京郵電大學校園場景的模型建立、渲染、烘焙、交互等技術的結合，構造建立出了一個較為生動的三維校園。人們可以通過方向鍵盤在運行界面中進行校園漫游，展示了南京郵電大學的校園風貌，讓更多的人了解南京郵電大學。這是地理信息系

5、統(tǒng)在虛擬現實技術中的一個典型應用。</p><p>　　最后，對于此項課題進行總結和相關后續(xù)發(fā)展的論述，例如網絡平臺的發(fā)布，相關技術的現實應用等，結合本專業(yè)的知識論述了此項技術在各個領域的應用。</p><p>　　關鍵詞：虛擬現實，3Ds Max，VRP，建模，渲染，烘焙</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p>

6、;<p>　　Virtual reality (VR) is a term that applies to computer-simulated environments that can simulate places in the real world as well as in imaginary worlds. Most current virtual reality environments are primar

7、ily visual experiences, displayed either on a computer screen or through special stereoscopic displays, but some simulations include additional sensory information, such as sound through speakers or headphones. Some adva

8、nced systems now include tactile information, generally known as force fee</p><p>　　Based on the Nanjing University of Posts and Telecommunications Xianlin campus teaching areas and the main living area, thi

9、s paper takes use of the software such as CAD, 3Ds Max, VRP to build the campus virtual reality platforms, realize visual campus, roaming and other functions.</p><p>　　First of all, the concept of virtual re

10、ality technology is introduced firstly. Nanjing University of Posts and Telecommunications is taken as the test virtual space, the 3D modeling technology, rendering, bake and virtual wandering skills have been discussed

11、respectively. Then the paper introduces which involves software, and in which the technology involved. It completes the process for the subject made a more detailed description, including the attention to details the dif

12、ficulties encountered</p><p>　　Furthermore, with the adoption of kinds of technology such as modeling, rending, baking, a vivid 3D campus of Nanjing University of Posts and Telecommunications has been set up

13、. People can ramble in the virtual campus atmosphere with the help of the control keyboard or the mouse, and the mien of Nanjing University of Posts and Telecommunications is revealed. This successful case can be looked

14、as a typical application system of virtual reality technology.</p><p>　　Finally, the subjects were reviewed and discussed the development of related follow-up, such as network platform release, the relevant

15、technology, practical applications, combined with the professional knowledge on this technology in various fields.</p><p>　　Key words: Virtual Reality; 3Ds Max; VRP; modeling; rendering; bake.</p><

16、;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1選題背景1</b></p><p>　　1.1.1虛擬現實概述1</p><p>　　1.1.2虛擬現實的應用1</p>

17、<p>　　1.2虛擬校園概況2</p><p>　　1.2.1虛擬現實校園的發(fā)展2</p><p>　　1.2.2虛擬現實校園平臺技術2</p><p><b>　　1.3論文框架4</b></p><p>　　第二章 校園建模技術的分析與對比5</p><p>　　2.1

18、常見建模技術5</p><p>　　2.1.1 MultiGen Creator建模5</p><p>　　2.1.2 Maya建模6</p><p>　　2.1.3 3Ds Max建模6</p><p>　　2.2校園建模相關技術7</p><p>　　2.2.1模型和材質的建立與編輯7</p>

19、;<p>　　2.2.2渲染技術8</p><p>　　2.2.3烘焙技術11</p><p>　　2.2.4漫游技術11</p><p>　　第三章 校園模型的建立13</p><p>　　3.1前期處理13</p><p>　　3.1.1 前期處理的原因13</p><

20、;p>　　3.1.2 CAD圖樣編輯13</p><p>　　3.2將CAD導入3Ds Max15</p><p>　　3.3 3Ds Max建模16</p><p>　　3.3.1 多邊形細致建模16</p><p>　　3.3.2 紋理貼圖建模20</p><p>　　3.3.3地面的建造22&l

21、t;/p><p>　　3.3.4校園環(huán)境23</p><p>　　第四章 校園場景的渲染烘焙24</p><p>　　4.1燈光處理24</p><p>　　4.1.1定向投射類燈光24</p><p>　　4.1.2日光投射25</p><p>　　4.1.3環(huán)境效果26</p

22、><p>　　4.2渲染處理27</p><p>　　4.3烘焙處理28</p><p>　　第五章 校園場景虛擬漫游的實現29</p><p>　　5.1 前期工作29</p><p>　　5.2模型的導入29</p><p>　　第六章 結論與展望32</p>&l

23、t;p>　　6.1校園虛擬漫游平臺的實現32</p><p>　　6.2疑問與解答32</p><p>　　6.2.1大量的數據32</p><p>　　6.2.2 樹木的建立32</p><p>　　6.3虛擬現實的未來發(fā)展34</p><p><b>　　結束語35</b>&

24、lt;/p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻37</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1選題背景</b></p><p>　　1.

25、1.1虛擬現實概述</p><p>　　虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR；又譯作靈境、幻真）是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成

26、逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺（虛擬現實的3“I”特性：immersion-interaction-imagination，即沉浸—交互—構想），使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高

27、技術模擬系統(tǒng)。</p><p>　　虛擬現實技術的產生最早可追溯到上個世紀初，1929年，Edwin Link設計了一種競賽乘坐器，它使得乘坐者有一種在飛機中飛行的感覺。Link飛行模擬器是虛擬現實幾個先驅中的一個。40年代初，在美國以 Edwin Link命名的公司與 Admiral DeFlorez公司一起，為了減少訓練飛機駕駛員的時間和經費，正式開始了飛行模擬器的設計和研制工作。以后虛擬現實技術經歷了漫長的

28、發(fā)展道路，一直到上個世紀九十年代才得到飛速的發(fā)展。</p><p>　　1.1.2虛擬現實的應用</p><p>　　虛擬現實的技術在國內外廣泛的應用，以及深入的發(fā)展。當今VR技術已發(fā)展為幾大方向：虛擬戰(zhàn)場仿真、虛擬城市規(guī)劃、虛擬裝配、三維可視化地理信息系統(tǒng)、增強現實技術等。成為一項綜合性極強的技術，廣泛應用于設計規(guī)劃，建模仿真，教育訓練，醫(yī)學，建筑業(yè)，藝術與生活娛樂方面。</p&g

29、t;<p>　　隨著電子計算機科學的興起及現代意義上的地理信息系統(tǒng)的問世，將虛擬現實的實現推向了更為真實以及可參考性和實際意義方面。而今以虛擬技術和GIS技術為代表的真三維技術的出現從根本上打破了人類在地理空間信息表達和處理方面的限制，虛擬現實技術的開發(fā)和應用已經成為地理信息系統(tǒng)領域研究的熱點。國家測繪局著手辦理的一些項目，加快虛擬現實以及數字中國地理空間框架建設。逐步在網絡上形成了以便民形式的三維城市導向性質圖集（圖1.

30、1）。同時推動數字省區(qū)、數字區(qū)域建設，從而形成完整的、功能齊全的數字中國網絡，實現互聯(lián)互通、資源共享。便利人們生活的同時，也向外界展示了城市、亦或是某一地區(qū)的風采。</p><p>　　圖1.1 網絡中常見的南京郵電大學三牌樓校區(qū)3D視圖</p><p>　　Fig 1.1 The view in 3D scene of NUPT Sanpailou Campus in the netwo

31、rk</p><p>　　本文著重于虛擬現實的校園數字化平臺。在數字化城市平臺的基礎上，將虛擬現實的著重點落于大學校園的范圍之內。實現校園的虛擬漫游，在虛擬校園構建的同時，向外界展示了南京郵電大學的風采。</p><p><b>　　1.2虛擬校園概況</b></p><p>　　1.2.1虛擬現實校園的發(fā)展</p><p&

32、gt;　　虛擬校園漫游系統(tǒng)作為校園數字化工程的一部分，是指利用高性能計算機軟硬件去創(chuàng)建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與者構思的信息環(huán)境。借助這樣一個基于真實空間或假象空間的實時仿真虛擬空間，不僅可以全面展示校園建筑物的外觀、周邊環(huán)境，還可以以任意視角觀察建筑物的內部布局結構和內部設施，使參觀者足不出戶就可以進入虛擬的校園，盡情領略校園的美好風光。</p><p>　　目前各高校在許多領域都進

33、行了相關的課題研究，對科學技術研究具有很大的促進作用，如：清華大學在臨場感的研究頗具特色。香港中文大學在人機交互界面的設計以及服務器的處理。此外，北京航天航空大學、西北工業(yè)大學、天津大學等均在虛擬校園方面有了較為顯著的實現成果。隨著網絡教育的深入，人們已經不滿足于對校園環(huán)境的瀏覽，基于教學、教務、校園生活的三維可視化虛擬校園呼之欲出，人們需要一個完整的虛擬校園體系。</p><p>　　1.2.2虛擬現實校園平臺

34、技術</p><p>　　常見的三維場景建模方法優(yōu)缺點的分析：</p><p>　　（1）利用傳統(tǒng)GIS中二維線劃數據及其相應的高程屬性進行三維建模，各建筑物表面還可加上相應的紋理，此方法的建模方式可以大大節(jié)省實現三維可視化的時間，而且便于管理和開發(fā)地理信息。但一般GIS只有二維拉伸功能，稱為2.5維，僅展現了平面信息，其高度只是作為屬性信息關聯(lián)于其中，未實現真正意義上的三維效果。采用這種

35、方法只局限于平頂建筑物的三維重建，而對于那些拱頂、圓頂的建筑物則不能滿足要求，難以勝任逼真三維場景的建立。</p><p>　?。?）Multigen Creator虛擬現實應用軟件環(huán)境，是專門為的虛擬場景實時漫游設計的建模工具，有良好的用戶交互界面，而且它建立的模型較小，不會影響虛擬環(huán)境的實時性，但并不能滿足精細模型的創(chuàng)建需求，而且它不具備空間分析的功能，不利于建立高精度的數字校園基礎地理信息數據庫和基礎設施信

36、息庫。</p><p>　?。?）利用數字航空遙感立體像對為基礎建立三維模型，該方法建模速度快自動化程度高，但是由于受飛行高度、續(xù)航能力、姿態(tài)控制、全天候作業(yè)能力以及大范圍的動態(tài)監(jiān)測能力較差等因素的限制，并且航空像片遙感像片的影像缺乏建筑物側面的幾何數據和紋理信息。</p><p>　?。?）激光掃描重建物體精確的幾何模型。航空激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描為我們快速自動重建模型提供了更快捷的

37、方法。航空激光掃描如用LIDAR獲得的DSM數據和IKONOS影像以及地面攝取的紋理進行數字城市的建模；地面掃描系統(tǒng)如Leica的Cyrax，測量距離為100米，量測精度達2毫米，其速度可達每秒1000個點。但是無論航空還是地面掃描系統(tǒng)，其價格均十分昂貴。</p><p>　　實際上三維模型的建立是和相應的數據源相輔相成的，一直以來原模型數據的獲取難以實現快速、精確高效的現實，嚴重制約著三維GIS的進一步發(fā)展和廣

38、泛使用。</p><p>　　以上，一個完整的虛擬校園模型可以用流程圖表的形式清晰的表現出來（圖1.2）。</p><p>　　圖1.2 虛擬校園三維構建的流程</p><p>　　Fig 1.2 The process of three-dimensional building virtual campus</p><p>　　在這里有必要

39、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,其中建模數據量較大難以滿足實時渲染對數據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、消除冗余數據才能滿足虛擬漫游系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　1.3論文框架</b></p><p

40、>　　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：</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　本章簡要的介紹了研究背景，虛擬現實的相關發(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。</p&g

41、t;<p>　　第二章 校園建模技術的分析與對比</p><p>　　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。</p><p>　　第三章 校園模型的建立</p><p>　　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流程，以及分析對比，給出最終的采納方案。<

42、/p><p>　　第四章 校園場景的渲染烘焙</p><p>　　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。</p><p>　　第五章 校園虛擬漫游的實現</p><p>　　本章對于校園虛擬漫游實現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，給予詳細的說明。<

43、;/p><p><b>　　第六章 結論與展望</b></p><p>　　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。</p><p>　　第二章 校園建模技術的分析與對比</p><p><b>　　2.1常見建模技術<

44、;/b></p><p>　　2.1.1 MultiGen Creator建模</p><p>　　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

45、的行業(yè)標準。它由以下幾部分組成：</p><p>　　表2.1 MultiGen Creator建模組成部分</p><p>　　Tab.2.1 Model Building’s parts of MultiGen Creator</p><p>　　MultiGen Creator 是MultiGen-Paradigm公司的業(yè)界領先的軟件工具集，用于產生高優(yōu)化,高

46、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數據庫產生而沒有可視質量的損失。</p><p>　　2.1.2 Maya建模</p><p>　　隨著PC機的廣泛推廣，Alias與Wavef

47、ront于1998年6月對PC用戶推出了Maya NT版。Maya是Alias|Wavefront （2003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、數字化布料模擬、毛發(fā)渲染和運動匹配技術。</p><p>　　Maya在燈光、攝像

48、機、材質等方面的表現也不俗，模擬燈光更加真實，可調參數更突出；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。</p><p>　　2.1.3 3Ds Max建模</p><p>　　3Ds Max（原名：3D Studio Max），是Autode

49、sk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。</p><p>　　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 Su

50、rface）。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。</p><p>　　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)境和數據量的控制方面略有不足。</p><p>　　本課題根據實際需求的分析，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。</p><p>　　2.2校園建模相關技術&

51、lt;/p><p>　　2.2.1模型和材質的建立與編輯</p><p>　　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。</p><p>　　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

52、形狀的幾何體。之后為其賦予相應的紋理。</p><p>　　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。</p><p>　　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

53、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。</p><p>　　白色方格磚：南郵的建筑樓體大都采用一種邊長為30mm×30mm

54、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

55、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。</p><p>　　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）

56、。</p><p>　　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

57、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。</p><p>　　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。根據不同的渲染方式，有不同的貼圖方法</p><p>　　玻璃：玻璃的表現有一些類似金屬?，F實中的金屬沒有顏色，渲染的玻璃卻要根據場景上色，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

58、，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。</p><p>　　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，

59、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，可以適當的按照木紋做一些凹凸效果，軟化其給人硬硬的感覺。</p><p><b>　　2.2.2渲染技術</

60、b></p><p>　　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，已經涌現出一大批優(yōu)秀的光能傳遞渲染插件，包括V-Ray、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Sc

61、anline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。</p>

62、<p>　　渲染插件的好與壞是相對的，需要看哪種最適合工作需求?，F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。</p><p>　　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

63、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。</p><p>　　2.2.2.1燈光設置</p><p>　　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常放置主燈光的位置，而且每個位置都有其渲染物體的獨

64、特方式，下面來分別介紹：</p><p>　　1、 FRONT（前向）照明：</p><p>　　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。</p>&l

65、t;p>　　2、 BACK（后向）照明：</p><p>　　將主燈光放置在對象的后上方或正上方，強烈的高亮會勾勒出對象的輪廓，BACK照明產生的對比度能創(chuàng)建出體積和深度，在視覺上將前景從背景中分離出來。同時經過背后照明的對象有一個大的、黑色的陰影區(qū)域，區(qū)域中又有一個小的、強烈的高亮，強烈的背光有時用于產生精神上的表現效果，隨著發(fā)生過濾和漫射網的使用，物體周圍的明亮效果更強了，這種技術因為其對形態(tài)的提取而常

66、用來產生神秘和戲劇性的效果。</p><p>　　3、 SIDE（側向）照明：</p><p>　　側向照明是將主燈光沿對象側面成90度放置，包括左側放置和右側放置，側向照明強調的是對象的紋理和對象的形態(tài)，在側向照明中，對象的某一側被完全照射，而另一側處于黑暗中。側向照明屬于高對比度的硬照明，最適合于寬臉或圓臉，因為光線使臉的寬度變小并不顯示臉的圓形輪廓，主要用于產生內心的表現和影響，側向

67、照明也會導致相應變形，因為臉部不是嚴格對稱的。</p><p>　　4、 REMBRANDT照明：</p><p>　　REMBRANDT照明是將主燈光放置在攝象機的側面，讓主燈光照射物體，也叫3/4照明、1/4照明或 45度照明。在REMBRANDT照明中，主燈光的位置通常位于人物的側上方45度的位置，并按一定的角度對著物體，因此又叫高側位照明，當主燈光位于側上方時，REMBRANDT照

68、明模擬的是早上或下午后期的太陽位置，主燈光在這種位置是繪畫和攝影中常用的典型位置，被照射后的物體呈三維形狀并可以完全顯現輪廓。</p><p>　　5、 BROAD（加寬）照明：</p><p>　　加寬照明是REMBRANDT照明的變體，起變化包括位置的變化和照射出比3/4臉部更寬的區(qū)域，主燈光以和攝象機同樣的方向照射物體，加寬照明通常用于窄臉形拉長和加寬，加寬照明不適合于圓臉和寬臉，因

69、為燈光位置使臉部擴大。</p><p>　　6、 SHORT（短縮）照明：</p><p>　　短縮照明是與BROAD 照明相對的照明方法，在這種照明中主燈光的位置是從較遠處照射3/4臉部區(qū)域的側面，因為照射的是臉部的一個狹窄的區(qū)域，所以叫SHORT照明，因為短縮照明通過寬的側面添加陰影，使臉部看起來尖瘦，所以短縮照明最適合于圓臉或寬臉型。</p><p>　　7、

70、 TOP（頂部）照明：</p><p>　　在頂部照明中，主燈光位于對象的上方，也可以放置在側上方，但是光的方向要通過頂部。頂部照明類似于中午的太陽，頂部照明會在對象上形成深度陰影，同時被照射的側面很光滑，他不能用于圓臉對象，因為頂部照明會使對象的臉部加寬。</p><p>　　8、 UNDER或DOWN（下部）照明：</p><p>　　是將主燈光放置在對象的下方

71、，下部照明一般向上指向物體以照明物體的下部區(qū)域，產生一種奇異的神秘的隱惡的感覺。</p><p>　　9、 KICKER照明：</p><p>　　KICKER照明有兩種主燈光放置位置，一種位于物體的上方，一種位于物體的后面，當這兩個主燈光照到物體的側面時，物體的臉部處于陰影之中，然后該陰影區(qū)域在被反射光照亮，KICKER照明用于創(chuàng)建物體的高度輪廓。</p><p>

72、;　　10、 RIM照明：</p><p>　　RIM照明設置主燈光于物體的后面并稍稍偏離物體一段距離以創(chuàng)建一種光線輕拂物體表面的特殊效果，主燈光來自物體的后面，創(chuàng)建的是一個顯示物體輪廓的亮邊，同時相對的處于陰影之中，RIM照明通常將燈光放置在和物體相同的高度，并且設置其具有更強的亮度，RIM照明用于強調對象的形狀和輪廓的場合。</p><p>　　在3Ds Max的創(chuàng)建工具欄中可以選擇的

73、標準燈光種類有：目標聚光燈、自由聚光燈、目標平行光、自由平行光、泛光燈、天光、mr區(qū)域泛光燈、mr區(qū)域聚光燈。標準燈光屬于傳統(tǒng)的模擬類燈光，標準燈光共有5種類型，分別是泛光燈、聚光燈、平行光燈、天光燈和MR燈光：</p><p><b>　　1、泛光燈</b></p><p>　　泛光燈可以從一個無限小的點均勻地向所有方向發(fā)射光，就像是一個裸露的燈泡所放出的光線。泛光

74、燈的主要作用是用于模擬燈泡、臺燈等點光源物體的發(fā)光效果，也常被當作輔助光來照明場景。</p><p><b>　　2、聚光燈</b></p><p>　　聚光燈是一種具有方向性和范圍性的燈光，聚光燈可以產生圓錐形和矩形兩種照射區(qū)域，照射區(qū)域以外的范圍不會受到燈光的影響。聚光燈又分為目標聚光燈和自由聚光燈兩種類型。目標聚光燈擁有一個起始點和一個目標點，起始點表明燈光在場

75、景中所處的位置，而且標點則指向希望得到照明的物體。</p><p><b>　　3、平行光</b></p><p>　　平行光燈與聚光燈一樣具有方向性和范圍性，不同的是平行光燈會始終沿著一個方向投射平行的光線，因此它的照射區(qū)域是呈圓形，而不是錐形。平行光燈的原理就像太陽光，會從相同的角度照射范圍以內的所有物體，而不受物體位置的影響。當光線投射陰影時，投影的方向都是相同

76、的，而且都是改物體形狀的正交投影。</p><p><b>　　4、天光</b></p><p>　　天光是一種用于模擬日光照射效果的燈光，它可以從四面八方同時對物體投射光線。天光比較適合使用在開放的室外場景照明。因為天光沒有基于物理屬性的參數設置，所以可以用在所有不基于無理數值的場景中。需要說明的是，天光燈只有與光能傳遞渲染器配合才能得到理想的照明效果。</p

77、><p><b>　　5、MR燈光</b></p><p>　　MR燈光可以模擬各種面積光源的照明效果，因為默認渲染器不支持MR燈光的Mental Ray陰影貼圖，而且也無法渲染出面積光的效果。因此，MR燈光需要同Mental Ray渲染器配合使用才能發(fā)揮它的所有功能。MR燈光具有雙重作用，除了照明場景和投射陰影外，它還可以控制全局光和焦散的光子貼圖強度。</p&g

78、t;<p><b>　　2.2.3烘焙技術</b></p><p>　　烘培技術，可以把在非實時環(huán)境中渲染完成的燈光材質等效果轉換到實時交互的環(huán)境中去。通過烘培，物體導入到驅動平臺以后就會產生陰影、明暗的效果，整個場景看起來會更加真實，立體。烘培的過程與計算機的性能密切相關，因此烘培的時候，應該選擇配置較好的計算機以提高工作效率。另外烘培的速度與場景的大小也有關系。所以烘培前需

79、要對場景進行分塊，然后烘培，這樣會大大提高烘培的速度。</p><p>　　影響烘培質量的有幾個因素：</p><p>　　其一，物體的UV平鋪。烘培選項Automatic Unwrap MappingUV能自動將物體的UV進行平鋪。自動的成批量的平鋪是它帶給我們最大的好處，但其效果往往不好，多邊形面細密的物體在被自動平鋪時會產生很多非常小的簇，渲染時受精度影響會忽略掉過小的簇，結果出現了

80、很多黑斑黑塊。解決它的方法一是適當提高Threshold Angle值，可以在一定程度上減少零散的簇，二是使用其它的UV平鋪方法或工具，比如手工對簇進行調節(jié)，效果也會好很多。不過手工調節(jié)確實是一件耗費時間和精力的事情，對于速度和質量的平衡只有在實際工作中去把握了。</p><p>　　其二，選擇烘培以后貼圖的模式。經常使用的模式分為兩種：Completemap和Lightingmap。其中Lightingmap

81、支持雙層貼圖，除了原圖形以外還有一層專門保存光照效果的圖層。Completemap只用一層貼圖的保存圖片和光照效果。對于沒有使用貼圖的物體，最好不要使用Lightingmap貼圖。</p><p>　　其三，紋理的大小。Render to texture默認的紋理大小是256×256，但它并不完全適用于場景中所有的物體，最簡單的解決辦法就是選擇Use AutoMatic Map Size。</p&

82、gt;<p><b>　　2.2.4漫游技術</b></p><p>　　虛擬漫游技術是虛擬現實（VR）技術的重要分支，在建筑、旅游、游戲、航空航天、醫(yī)學等多種行業(yè)發(fā)展很快。由于有可貴的3I特性——沉浸感、交互性和構想性，使得沿用固定漫游路徑等手段的其他漫游技術和系統(tǒng)無法與之相比。虛擬漫游系統(tǒng)是虛擬現實技術在建筑設計、房地產開發(fā)工程、結構和工業(yè)設計市場的應用,它的開發(fā)和應用前景

83、非常好。虛擬現實漫游系統(tǒng)不儀儀提供了實時、交互性的三維場景,還提供了傳統(tǒng)表現方式無法比擬的、嶄新的信息交流界面。</p><p>　　本文中采用的是真實建筑場景的虛擬漫游，這種虛擬漫游的最大特點是：被漫游的對象是已客觀真實存在著的，只不過漫游形式是異地虛擬的而已，同時，漫游對象制作是基于對象的真實數據。在校園漫游過程中，可以通過鼠標和鍵盤操作來實時更改視點位置和觀察方向以實現對場景環(huán)境漫游的交互控制，也可以預先設

84、定好漫游路徑，實現自動路徑漫游。</p><p>　　2.2.4.1虛擬漫游技術軟件平臺</p><p>　　VR-Platform是由中視典數字科技獨立開發(fā)的具有完全自主知識產權的一款三維虛擬現實平臺軟件，可廣泛的應用于城市規(guī)劃、室內設計、工業(yè)仿真、古跡復原、橋梁道路設計、軍事模擬等行業(yè)。</p><p>　　這一款國產的三維互動平臺。雖然現在還不是很完善，但它有

85、很多自己的優(yōu)點，操作簡單，功能相對強大。不需要任何編程操作。并且可以與Max無縫集成。VRP不具有建模能力，Max是VRP的建模工具，VRP是Max功能的延伸，是Max的展示平臺。VRP的Max插件導出模塊支持Max的各種渲染器，包括ScanLine、Radiosity、LightTracer、以及第三方的FinalRender、VRay。只要是按一定規(guī)范制作的Max場景，都能導出至VRP中去。導出方便快捷，只需要按一下按鈕，即可導出場

86、景并預覽。導出時自動處理各種網格和材質，如不支持則給出提示。支持max的骨骼動畫和攝像機動畫。對建模沒有過多的限制，沒有如物體重名、名稱過長、中文字符等問題。支持Max中的所有單位格式。</p><p>　　VRP-產品體系有一個表狀的簡介如下（圖2.1）：</p><p>　　圖2.1 VRP-產品體系</p><p>　　Fig 2.1 VRP-product

87、system</p><p>　　其中可以看出，在不同需求和產品平臺的情況下，該系列軟件均有不同的分工作業(yè)，以滿足用戶的需求。實現虛擬現實效果。</p><p>　　第三章 校園模型的建立</p><p><b>　　3.1前期處理</b></p><p>　　3.1.1 前期處理的原因</p><

88、p>　　建筑的建模過程大都以CAD圖形為基礎進行定位。CAD圖形應該在保證清晰的前提下盡量簡潔，以減少導入3Ds Max的過程中不必要的時間浪費。因而在導入DWG文件前需要在AutoCAD將圖形文件進行“簡化”。</p><p>　　對于一張原始的南京郵電大學早期設計圖，有許多需要處理的地方。于是在模型建立工作之前，需在在AutoCAD軟件中進行一些圖樣編輯之類的前期處理工作。由于是早期的設計圖紙（圖3.1

89、），所以可見圖紙中的房屋建筑與實際建筑有一定的差異，并且基于本課題的要求，無需如此多的建筑群體。同時部分的道路，例如在教學區(qū)和生活區(qū)的連接之處的幾條小道并沒有顯示在底圖上，這是需要我們進行處理的。</p><p>　　圖3.1 校園CAD圖</p><p>　　Fig 3.1 CAD drawings of campus</p><p>　　另外，為了便于之后的建模

90、操作，以及控制模型數據的大小和其運行時間，可以考慮將各個圖層分離開來進行編輯。例如，分為道路圖層，教學建筑層，還有復雜的樓體編輯（例如南一食堂，既有圓形也有長方形的建筑體），之后將整理好的平面圖分別保存為單獨的文件。</p><p>　　3.1.2 CAD圖樣編輯</p><p>　　首先，可見早期設計圖中所示的房屋建筑與實際建筑有一定的差異，并且基于本課題的要求，無需如此多的建筑群體。在

91、CAD軟件中選中那些多余的白色建筑層線條，按“Delete”鍵進行刪除。</p><p>　　其次，可以根據需求進行圖層的分離，并且保存。我在此保存了道路，教學樓區(qū)，南一食堂三個建筑圖層（圖3.2）。在道路圖層需要注意的是，由于教學區(qū)至南一食堂區(qū)域的幾條道路均沒有畫出，所以需要重新繪制。開啟視圖窗口下側的捕捉工具，點擊右鍵進行對象捕捉設置，設置捕捉對象為“端點”和“交點”，點擊左側工具欄的“多段線”將路段匯出，注

92、意線條封閉。</p><p>　　圖3.2 CAD中的建筑圖層</p><p>　　Fig 3.2 Building layer in CAD</p><p>　　關于道路，還有一個需要編輯的地方，道路的封閉。原始圖中可以明顯看出不少道路的末端均為敞開式，不適合進行擠出操作。為了作圖的美觀，盡量保持原來的模樣，末端的圓角處可以采用CAD軟件左側工具條中的“圓弧”創(chuàng)建

93、，注意需要打開捕捉開關，以便于保證線條的封閉。會遇到線條的多余，在此可以采用軟件右側的“修剪”按鈕，將多余的邊消除。但是有的線條是一個完整的圖形，直接的刪除可能會造成線條的缺失，因此，也可以采用軟件右側的“打斷于點”按鈕，將其在交點處拆分為2條線段。之后選中多余線條，直接選擇刪除即可。修剪好的道路圖層如圖所示（圖3.3）。</p><p>　　圖3.3 編輯過的CAD道路圖層</p><p&g

94、t;　　Fig 3.3 Edited road layer CAD</p><p>　　同樣類似的操作也可用于建筑體的圖層修改中。</p><p>　　3.2將CAD導入3Ds Max</p><p>　　下面我們將在3Ds Max中導入簡化后的CAD文件。操作步驟如下：</p><p>　　1、設置系統(tǒng)單位。啟動軟件3Ds Max軟件，新建

95、一個場景文件。選擇菜單欄中的【自定義】|【單位設置】對話框，將“顯示單位比例”設置為“通用單位”。然后單擊【系統(tǒng)單位設置】按鈕，在彈出的【系統(tǒng)單位設置】對話框中，將“系統(tǒng)單位比例”設置為“毫米”如圖（圖3.4）所示。</p><p>　　圖3.4 設置系統(tǒng)單位</p><p>　　Fig 3.4 Set the system unit</p><p>　　2、導入簡

96、化后的CAD文件。保存文件后，選擇菜單欄中的【文件】|【導入】命令，彈出【選擇要導入的文件】對話框，在文件類型下拉列表中選擇文件類型為AutoCAD Drawing(*.DWG、*.DXF)，選擇制作好的CAD文件。</p><p>　　3、參數設置。為了保證導入圖形的質量，在導入時彈出的【導入選項】對話框中，勾選“焊接”，“焊接閾值”設置為一個合理的值，本課題的場景范圍較大，選擇一個較大的數值沒有太大的影響，在

97、這里設置為20。之后點擊確定鍵。導入便完成。如下圖所示（圖3.5）：</p><p>　　圖3.5 導入選項設置</p><p>　　Fig 3.5 Import option</p><p>　　3.3 3Ds Max建模</p><p>　　在這個步驟中，我采取了兩種房屋模型建立的方式，在此分別介紹：</p><p&g

98、t;　　3.3.1 多邊形細致建模</p><p>　　三維空間中的物體是以面片構成的，而這些面片都是附著在網格線上的，網格線的兩端又分別連接在節(jié)點上，這些節(jié)點、網格線、面片都是該物體的植物體，如果要針對這些子物體層級進行編輯，就必須為原物體添加編輯修改命令，比如【編輯網格】、【編輯多邊形】等，造型功能最強的是【編輯多邊形】修改命令。此種方法，是根據3Ds Max建模的各種工具條細致的在幾何體本身中表現出建筑物的

99、形狀和部分紋理。方法步驟如下：</p><p>　　1、根據CAD底圖，定位教學樓的位置，根據前視圖建立一個長方體。在右端編輯框中，將寬度分段設置為2。選中物體，單擊右鍵，選擇“轉換為可編輯多邊形”。進入修改命令面板，按快捷鍵“4”，選擇“面級別”，選擇一側的方體的所有面，按【Delete】鍵將其刪除。單擊【修改器列表】右側的下拉按鈕，在彈出的下拉列表中選擇“對稱”修改器，設置為y軸對稱。再單擊使其變成，對模型進

100、行編輯。</p><p>　　2、按快捷鍵“2”，進入“邊級別”編輯，選擇一圈邊，單擊【連接】右側的按鈕，設置風險段數。同理，可以將樓體分層，形成網格狀，便于進行擠出操作。建造出大致樓體形狀（圖3.6）。</p><p>　　圖3.6 樓體的大體形狀和分層</p><p>　　Fig 3.6 The general body shape and stratifica

101、tion of the building</p><p>　　3、樓體整體的材質賦予。南京郵電大學的教學樓整體以白色方格磚鋪成。在樓體近處拍攝墻面的照片，在3Ds Max中輸入快捷鍵“M”彈出【材質編輯器】對話框，選擇【貼圖】|【漫反射貼圖】，點擊將材質賦予幾何體。</p><p>　　4、在某些墻壁的鏤空處，選中一圈邊，設置分為3段，制造9*9的方格，全部選中，點擊【編輯邊界】|【切角】

102、，調節(jié)數值達到需要的效果。按快捷鍵“4”，選擇“面級別”，選中方格中間的面片，按刪除按鈕，則可以達到鏤空的效果（圖3.7）。</p><p>　　圖3.7 墻壁的鏤空效果</p><p>　　Fig 3.7 Hollow wall effect</p><p>　　5、樓體頂端的藍色柱狀欄桿造型，實際上只需要對于同等大小的長方體進行編輯即可：將長方體切分為兩層兩列，

103、選擇線條，點擊【編輯邊界】|【切角】，調節(jié)數值達到需要的效果，將對于面片刪除，即可。效果如圖所示（圖3.8）。</p><p>　　圖3.8 欄桿的鏤空效果</p><p>　　Fig 3.8 The hollow effect of railings</p><p>　　6、在窗戶部分可以對于窗戶所在的那個平面進行材質的賦予。輸入快捷鍵“M”彈出【材質編輯器】對話

104、框，【Blinn基本參數】中的不透明度調節(jié)為50，制造暗色玻璃的半透明效果。點擊，將材質賦予平面（圖3.9）。</p><p>　　圖3.9 玻璃材質編輯界面</p><p>　　Fig 3.9 Glass material editing interface</p><p>　　7、窗框的建立。窗框選擇長方體，利用克隆的功能，制造9條長方體，搭建成窗框模樣，賦予藍

105、色金屬材質，貼合于窗戶的位置即可。</p><p>　　8、臺階的建立。臺階的建立在3Ds Max的創(chuàng)建菜單里可以直接找到，僅需要在創(chuàng)建好的樓梯參數中設置合適的層高層數等參數即可。</p><p>　　于是，一個教學樓的模型便建立而成。由于院校的教學樓大都采用鏡像對齊的方式建造，所以僅需將所建的樓體和窗框、樓體等幾何體“成組”，然后克隆復制，翻轉移動到相應位置，教學區(qū)的大體建筑群便形成，效

106、果如圖所示。</p><p>　　圖3.10 教學樓群的效果</p><p>　　Fig 3.10 The effect of all teaching buildings</p><p>　　同理可以應用于圖書館和宿舍樓、南二食堂的建筑模型構建。一些效果圖：</p><p>　　圖3.11 圖書館模型</p><p>

107、;　　Fig 3.11 Library model</p><p>　　這樣，一個非常形象化的校園建筑群已經可以展現在我們眼前，可以清晰的看出房屋的構造，墻體的紋理等一些細節(jié)并且貼合實際的部分。</p><p>　　但是，這樣的一種模型建筑也有其非常大的劣勢。每一個細小的幾何體都由多個面、線、點組成。這樣復雜的樓體，在為了表現更多的細節(jié)的基礎上，增添了大量的數據面，造成了之后渲染時間的無限

108、延長。并且，在最后一步的漫游實現中，由于軟件版本的限制，不支持如此大量的數據（上限8萬個平面，細致建筑的面達到83萬之多），在這種情況下，為了實現課題的要求，必須尋找其他的方式對于模型的構建進行簡化。</p><p>　　3.3.2 紋理貼圖建模</p><p>　　此方式建模的步驟變得簡化很多。基本是構建簡單建筑物輪廓，然后采用拍照的方式采取建筑物紋理，利用材質編輯器進行紋理的賦予。具體