512.数字小区房屋样板间模型的建模方法研究【开题报告+毕业论文】.doc

开 题 报 告一 研究的目的和意义 21世纪是一个知识经济时代，以数字化和网络化为总特征的信息科学技术成为推动社会可持续发展的强大动力。许多国家和地区都将信息化建设作为其抢占科技、产业和经济制高点的战略之一。人们根据数字化、信息化和网络化技术的对象与范围的不同,演绎了"数字地球"、"数字国家"、"数字城市"、"数字社区"等系列概念。随着我国信息化水平的提高,以数字技术、网络技术等为代表的信息技术已渗透到城市规划、建设与管理和城市生产与生活等各个方面。作为城市基本生活单元的住宅小区的信息化建设在全国各地也纷纷展开. 探讨基于Multigen Creator和Vega的虚拟环境下的三维数字小区房屋样板间模型的建立, 实现了对房屋内的各个场景进行有效的三维景观再现、空间查询、三维管线设计、用户的定位管理，对提高物业管理水平有着重要的作用。在三维虚拟环境中, 人们能够用动态交互的方式对整个房屋进行身临其境的全方位审视；可以从任何角度、距离和精细程度观察场景; 可以选择并自由切换多种运动模式; 还可以自由控制浏览的路线和多种环境效果的实时切换比较。其前所未有的人机交互性、真实建筑空间感和多彩的环境效果, 都是传统方式所无法比拟的。这样的三维模型可以实现对房屋的科学的、动态的、方便的、快捷的管理规划。利用WEBGIS技术将房屋信息发布到网上，方便了管理人员、销售人员和房屋购买者对房屋信息的查询，从而提高了相关人员的工作效率，而且增加了房产的知名度。二 在国内外的现状和发展趋势从中国期刊网、重庆维普等网站搜集有关数字小区房屋样板建模方法的文献来看，目前研究房屋样板间建模的不多，大多都是侧重较大范围如数字城市、数字小区等来呈现整体外观和周围环境，其实房屋的内部信息与人们的日常生活更是息息相关。例如房地产商销售楼盘，购买房屋的客户除了想了解房屋所处的地理位置和周围的环境，也想了解居室设计特色、布局新意和装饰个性。现在大多数的建模中实现的仅仅只是简单的三维场景漫游，在此基础之上进行人机交互的开发，并和用户应用紧密结合。Multigen Creator的API 允许增加自定义的数据库实体、扩展功能、延伸/ 生成工具和算法。通过Creator 的开发接口实现GIS 软件与Creator 建立的三维场景的结合。对于Creator 建立的三维场景来说，实时漫游是主要功能，但是不能实现对实际场景属性数据的管理和查询，因此应该考虑使用C + + 来建立二者之间的联系。如咱VC 下开发数据库点击查询、三维/ 二维结合、多媒体结合、3D GIS 等。Creator软件的优势在于大场景地理环境的生成，而阶段我研究的只是对样板间的各个实物逐个绘制，根据Creator软件的特点，下一步计划在这方面继续一些尝试。三 主要研究内容、途径及技术路线主要研究基于Multigen Creator和Vega的样板间建模的研究，实现对房间户型结构、设施布局的三维显示，建成漫游演示系统可以按照设定的路线进行漫游，也可以由用户通过键盘或鼠标控制进行漫游，实现房间内白天和灯光效果下物体的显示，并尝试对各种属性数据的查询、各种设施的管理（如管线的显示与管理）和必要且使用的人机交互。建模首先是房屋数据的获取与建模：房屋的数据主要包括平面数据和高度数据，平面数据是房屋的长和宽，通过二维平面布置图或测量的方法得到。高度数据可以通过图片或测量的方法得到。其次是 基于三维模型的导入转换Auto CAD、3D max 等是目前常用三维建模软件，由于某些建筑物的模式比较固定，故我们可以在已有的模型库中寻找。然后纹理数据的获取，可利用数码相机对房屋的各个侧面拍摄，然后输入计算机内并利用Photoshop 等图像处理软件对其进行纠 偏、缩放、匹配等的处理并转换成所需的纹理格式。这样可以再现该建筑的原貌。最后房屋三维仿真漫游显示系统采用可视化编程方法，实现房屋场景的实时驱动。利用Vega 开发平台和工具集，可以开发出具有实时性，交互性的应用程序，用户可以通过鼠标和其他设备操纵，从各个不同的角度观看物体，就好像你把物体拿在手中任意翻转一样；同时还可以选择不同的操作模式，如高空飞行、地面行走、按固定路径运动等等。通过控制鼠标和其他设备，可以从各个方向以不同的运动模式来观看周围的景色，就如同你本人站在其中，有身临其境的感觉。利用MutiGen CreatorVega建立三维地层漫游系统的流程图如下所示 三维房屋信息Multigen Creator建模贴纹理Vega驱动开发生成三维漫游系统四 研究的主要阶段、进度及完成时间： 第一阶段（第1周第2周）：在中国期刊网、重庆维普等网站搜集有关数字小区房屋样板建模方法的文献，学习MultiGen Creator和vega软件，熟悉在creator和vega 环境下三维建模。第二阶段（第3周第13周）：以主宅小区样板间为例，研究房间内三维模型的建立方法。第三阶段（第14周第15周）：论文撰写，总结设计成果，提交毕业设计论文及答辩。目  录摘要第1章 引 言1第2章 面向虚拟现实的三维建模技术22.1 虚拟现实技术22.2 虚拟现实建模技术32.3 虚拟现实建模评价指标6第3章 MultiGen Creator 建模技术73.1 实时三维建模软件 MultiGen Creator73.2 MultiGen Creator 数据库结构73.3 MultiGen Creator 的特点9第4章 样板间建模的几何建模114.1 样板间模型设计要求114.2 样板间建模的几何建模方法124.3 复杂物体的建模14第5章 样板间建模纹理的应用175.1 纹理映射的基本原理175.2 不透明纹理映射技术175.3 透明纹理映射技术185.4 纹理的拼接195.5 纹理的处理205.6 Creator的纹理问题的总结20第6章 样板间建模的关键问题和相关技术226.1 实例技术226.2 结构优化236.3 模型优化24第7章 总结25参考文献26致谢27摘要 虚拟环境是虚拟现实技术重要且不可或缺的组成部分. 本文在介绍虚拟现实技术核心理论及虚拟环境建模方法的基础上, 系统论述了室内虚拟环境建模的方法及其实现的有效途径。本文以如何建立室内模型作为例子，对3D建模技术和建模方法作了系统、全面、深入的分析。根据应用要求,采用不同的建模方式,建立合理科学的模型,对于后续的渲染有很好的作用。对于场景数据优化技术，本文给出了二种常用的优化技术的原理和应用方法。纹理映射技术是本文着重阐述的场景数据优化方法。本文分析了各种情况下的纹理映射技术，比较了各种纹理映射技术的优劣，对纹理映射技术的应用技巧提出了自己的见解。关键词： 虚拟环境；三维建模；Multigen Creator；样板间ABSTRACTThe virtual environment is an important and indispensable part of the virtual and practical tech2nique. This paper , based on profoundly researching into the core theory of the virtual and practical techniques and the methods of virtual environment modeling , systematically expounds the methods of indoor virtual environment modeling as well as the effective way to achieve it . This paper made a systematic, comprehensive and deep analysis of 3D modeling technology and method from the point of theory and application using the example of how to do the interior modeling. Also according to the principle of application, we build reasonable and scientific models which have great influence in the following renderings using different modeling methods. And the techniques of building high quality scene had been reported at the same time. Two popular methods of optimizing data has been given in this paper. Texture mapping, which emphasized in this paper, is one of the four popular methods. The conditions of applying texture mapping had been analyzed. The advantages and disadvantages about some texture mapping technologies had been compared in this paper. Some tips of applying the technique of texture mapping also had been mentioned. KEY WORDS: Virtual reality ；3D modeling ；Multigen Creator；templet room第1章 引 言虚拟现实技术(Virtual Reality)是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，使人能以视、听、触等人类习惯和自然的方式来感受和认识计算机生成的虚拟世界，促进人与环境的交流，从而更深入地开发人类的智慧。三维展示是虚拟现实的一个重要应用。它利用虚拟现实技术对事物细节“以假乱真”的描述能力和身临其境的表现魅力来展示新产品、设计规划等，能取得很好效果。三维样板间展示就是三维展示的一个典型例子。用简单的图片展示样板间显得有些力不从心，场景固定的图片限制了设计师和参观者想象力的发挥。如果他们想换个角度或换个高度来观察，那该怎么办呢？人们需要虚拟现实技术来实现对三维样板间的实时交互操作，想象一下，我们可以在三维的数字化样板间自由地可以在不同的高度、不同的高度观察我们的样板间。对于各个家具和装饰，我们也可以从前、后各个角度来观察它的合理性，这就是三维实时漫游技术的魅力。人们能够在一种虚拟的三维环境中，用动态和交互式方式对未来的住宅进行身临其境的全方位的审视。虚拟室内设计系统应用于房屋销售将成为开发商的有力工具。与沙盘模型相比，它可以是实际房屋的全尺寸模型，而且可以借助于鼠标随心所欲地观看房屋的结构。便于用户选择住房。现在比较流行的建模软件有Multigen Creator和3DS Max等。3DS Max具有可操作性强、直观、方便易学、制作模型逼真、质感强等特点建模功能强大，对对象的细节描述非常生动，适合于对象的精细建模；但是其建模数据量非常庞大，不能满足实时渲染对数据量的要求，需要简化、消除冗余数据才能用于虚拟三维建模。Multigen Creator是专门为复杂虚拟场景的实时漫游而设计的建模工具，绘制速度快。交互浏览过程方便、灵活，优势在于生成大型场景的地理环境，并具有强大的兼容性和操作性，但是它在对复杂对象进行精细建模方面却不能和3DS Max相媲美。考虑到样板间里的家具和装饰模型复杂，本文样板间整体结构和简单规则物体直接在Creator中建模，复杂模型在3DS Max中建模再导入Creator。 第2章 面向虚拟现实的三维建模技术 虚拟现实技术是一种全新的人机交互技术，其最终目标是使用户置身于一个由计算机生成的虚拟环境中。虚拟环境的建模是虚拟现实系统建立的基础，也是虚拟现实技术中的关键技术之一。2.1 虚拟现实技术2.1.1 虚拟现实技术概念虚拟现实（Virtual Reality），这一名词是由美国科学家 Jaron Lanier 上世纪在80 年代初提出的，也称为灵境技术或人工环境。技术的进步和应用面的拓宽，进一步发展和充实了虚拟现实的内涵。这种复杂性，使得至今尚没有确定的定义目前比较公认的较精确定义是：采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备（如特制的衣服、头盔、手套和鞋等）以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，其基本特征是它的 3I 特性：即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、构想性（Imagination）2.1.2 虚拟现实系统组成分类虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激的虚拟世界（环境），是一种高级的人机交互系统。根据定义，虚拟现实由两部分组成：一部分为创建的虚拟世界（环境），另一部分为介入者（人）。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反用户传感器控制检测反馈虚拟环境现实世界建模模块3D 模块 图2.1 虚拟现实系统构成映出人在虚拟世界（环境）的体验。这样，我们可以得到虚拟现实的概念模型。根据用户参与 VR 的不同形式以及沉浸的程度不同，我们可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：桌面型的虚拟现实系统；投影式 VR 系统；CAVE 系统；分布式 VR 系统。最常用的是桌面型虚拟现实系统，是利用个人计算机，计算机屏幕作为参与者观察虚拟世界的一个窗口，各种外设用来驾驭该虚拟环境，并且用于操纵虚拟场景中的各种虚拟物体。在这种虚拟现实当中用户并没有完全投入，所以还是会受外界的干扰，是一种初级的虚拟状态，沉浸程度也不是很高。桌面型的虚拟现实系统由于没有昂贵的硬件和软件支持，成本低，目前应用较为广泛，主要用于景观漫游、建筑设计等领域。2.1.3 虚拟现实研究内容和关键技术虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下几个方面： 动态环境建模技术虚拟环境的建立是 VR 系统的核心内容，动态环境建模的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，但复杂场景的“实时”显示一直是计算机图形学“实时”生成。 立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的设备远远不能满足需要。 应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。 系统集成技术由于 VR 系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。2.2 虚拟现实建模技术2.2.1 VR 建模技术特点虚拟现实系统强调沉浸感，逼真性，即要求有高的“真实感”；强调自然的交互方式，又要满足“实时”的“交互”要求。总而言之就是：“真实感”的环境，产生“沉浸感”，可以自然的“实时”“交互”。“实时性”和“真实感”，是评价许多计算机图形学算法的一个基本标准。在VR 建模的过程中将“真实感”、“实时性”、“可交互性”作为指导原则，是面向虚拟现实建模的显著的特点。这就使 VR 系统建模与传统 CAD 和动画建模有着本质上的不同：VR 建模中要说明的内容要比传统系统建模要多，除说明造型外还要说明许多系统连接，如自由度（DOF，Degree of Freedom），层次细节（LOD）等；由于要实时运行三维模型，其建模方法与以造型为主的建模有很大的不同；虚拟现实建模，考虑交互性和实现意图，与动画模型相比，通常细节比较少，以提高“实时性”的效果。这里并不是意味着虚拟现实建模不需要美学和视觉效果，相反，虚拟现实建模所有的追求，只有一个目标：“真实感”，在满足“实时性”的基础上，极力提高整个模型的真实感。在现有的基础上，人们只能在牺牲已经完美准确的视觉艺术，通过和“实时性”的平衡，来达到更高层次的“真实感”。这在论文后续虚拟现实建模技术的介绍可以得到印证。表2-1 虚拟现实与三维动画的比较 虚拟现实三维动画特点 “实时性”“真实感”“交互性”。考虑交互性和实现意图牺牲“实时性”，来达到视觉上的真实和完美。非交互的美学和视觉效果模型 细节比较少，以提高“实时性”的效果很多细节，绘制效果能预先决定用户 亲身体验虚拟三维空间，身临其境，有双向互动的功能。没有时间限制，可真实详尽地展示预先假定观察路径，无法改变，能如电影一样单向演示，场景变化，画面需要实现制作生成受动画制作时间的限制（渲染），无法详尽展示应用 主要用于仿真，需要对用户输入做出反应，如飞行训练，影视游戏和交互式建筑演示主要用于电影，印刷图画以及预先设计好的演示2.2.2.VR 建模基本内容虚拟现实中的建模经历了从几何建模、物理建模到行为建模的发展进程。几何建模是虚拟现实建模的基础，与物理建模和真正体现虚拟现实特征的行为建模三者结合起来，才可以实现虚拟现实“看起来真实、动起来真实”的特征，构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境。 几何建模几何建模是虚拟现实建模技术的基础。对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件，它是用来描述对象内部固有的几何性质的抽象模型。几何建模可以进一步划分为层次建模法和属主建模法。1）层次建模方法：利用树形结构来表示物体的各个组成部分，对描述运动继承关系比较有利。在层次模型中，较高层次构件的运动势必改变较低层次构件的空间位置；2）属主建模方法：让同一种对象拥有同一个属主，属主包含了该类对象的详细结构。当要建立某个属主的一个实例时，只要复制指向属主的指针即可。每一个对象实例是一个独立的节点，拥有自己独立的方位变换矩阵。这样做的好处是简单高效、易于修改、一致性好。 物理建模物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模，即在建模时考虑对象的物理属性。包括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度、形状改变模式（橡皮带或塑料）等等。分形技术和粒子系统就是典型的物理建模方法。分形技术在虚拟现实中一般仅用于静态远景的建模；在虚拟现实中粒子系统用于动态的、运动的物体建模，如常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。 运动建模在虚拟环境中，仅仅建立静态的三维几何体还是不够的，物体的特性还涉及到位置改变、碰撞、捕获、缩放、表面变形等等。我们不仅对绝对坐标感兴趣，也对三维对象相对坐标感兴趣。对每个对象都给予一个坐标系统，称之为对象坐标系统。这个坐标系统的位置随物体的移动而改变。碰撞检测是VR技术的一个重要技术，它在运动建模中经常使用。例如虚拟环境中，人不能穿墙而入，否则便与现实生活相悖。碰撞检测需要计算两个物体的相对位置。如果要对两个对象上的每一个点都做碰撞计算，就要花许多时间。因而，为了节省系统开销，常采用矩形边界检测的方法，但有时会牺牲一定的精确性。 行为建模几何建模与物理建模相结合，可以部分实现虚拟现实“看起来真实、动起来真实”的特征，而要构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境，必须采用行为建模方法。行为建模处理物体的运动和行为的描述。如果说几何建模是虚拟现实建模的基础，行为建模则真正体现出虚拟现实的特征。作为虚拟现实的自主性的特性的体现，除了对象运动和物理特性对用户行为直接反应的数学建模外，我们还可以建立与用户输入无关的对象行为模型。虚拟现实的自主性的特性，简单地说是指动态实体的活动、变化以及与周围环境和其它动态实体之间的动态关系，它们不受用户的输入控制（即用户不与之交互）。例如战场仿真虚拟环境中，直升飞机螺旋桨的不停旋转；虚拟场景中的鸟在空中自由地飞翔，当人接近它们时，它们要飞远等行为。随着虚拟现实技术的进一步发展以及虚拟现实技术应用领域的进一步扩大，以行为建模技术为代表的新一代建模方法的研究方兴未艾，其应用前景非常可观。2.3 虚拟现实建模评价指标建模是虚拟现实最重要的领域之一,是虚拟现实软件中重要的和不可或缺的组成部分。建模技术已经研究了几十年,取得了很大的发展,但对一些复杂对象的建模仍然很困难。几何建模主要处理的是几何和形状的表示,研究图形数据结构等基本问题。评价的技术指标主要有:(1) 精确度:它是衡量模型表示现实物体精确程度的指标。理想地,人们期望所有的模型都是精确的,但是,无论从技术还是系统上来说,这有时是不可能或者是没有必要的,所需要的精确度取决于应用系统本身。(2) 显示速度:这是与精确度相矛盾的指标。对于实时性比较强的应用,有时只能牺牲精确度来提高显示速度,需要在两者间取个平衡点。(3) 易用性:创建有效的模型是十分复杂的工作,建模者要尽可能精确地表现物体的几何和行为模型,建模技术不能使之变的越来越复杂,而应该尽可能让建模者容易构造和开发一个好的模型。第3章 MultiGen Creator 建模技术由于虚拟现实技术空前的发展，涌现了大量的软件，语言和标准。MultiGen Creator 是虚拟现实建模领域的佼佼者，它的文件格式（OpenFlight.flt）成了虚拟现实业界的标准；它的建模技术，反应了当前面向虚拟现实建模的趋势和潮流。由于其先进的功能，在各个工程领域的虚拟现实研究开发中得以广泛采用。3.1 实时三维建模软件 MultiGen CreatorMultiGen是图形工作站上著名的实时三维仿真建模工具软件，它主要考虑如何生成逼真的大面积地形、地貌等地理环境模型，以及如何提高模型的实时性。它的构想和设计宗旨是把最强有力的建模工具交给三维仿真的开发建设人员。它体现了三维实时的精髓：具有超大规模的地形数据库，复杂的拓扑结构，多种运载工具类型(如车、船、飞行器)的实体和动态效果，支持网上的DIS协议，模型可以被分布式驱动，模型的实时渲染运行采用多种图像格式，允许从多个三维视点观看模型，可以经济高效地提取所有精确的数据等等。 MultiGen Creator是一个交互式的、三维的、实时的建模软件，可创建、编辑和浏览视觉仿真的三维场景。MultiGen的图形数据格式是Open Flight，它是一种层次结构的可视化数据库。Creator提供了一种“所见即所得”的工作环境，包含了一整套建造层次结构数据库的强大工具集。3.2 MultiGen Creator 数据库结构MultiGen Creator的图形编辑界面，它是多文档界面，包括了图形视图和层次数据库视图。层次数据库是用来描述图形的数据格式，是模型保存的文件格式(*.flt)。图形视图则直观地显示了数据库所描述的图形。因此，图形视图和层次数据库视图是一体的两面，是同一事物的两种不同表达方式。3.2.1 MultiGen Creator的图形视图MultiGen Creator的图形视图用来浏览用户所创建的模型。用户就是在这个图形窗口编辑各种模型。MultiGen Creator的“交互性”体现在用户可以一边编辑模型，一边浏览模型；“三维”体现在用户随时可以从任意角度来浏览他所建造的各种模型；“实时性”体现在用户随时都可以“漫游” (即通过不断变换视点位置)他所建造的各种模型； “所见即所得”体现在，用户每编辑一个模型(哪怕这个模型只是一个多边形)，MultiGen Creator都立刻在它的图形视图窗口中显示出来，并在它的层次数据库中记录了他所编辑的模型的数据。       3.2.2 MultiGen Creator的层次数据库视图MultiGen Creator的层次数据库视图是MultiGen的根基，它用来存储、记录用户建造的各种模型。Creator包括多种建模工具,这些工具集成在一起,用来创建和编辑模型和数据库。一个数据库创建完毕后,它的层级结构仍可进行调整,而且可以同时更改选定的多个元素。独立的元素可以被隔离出来做更精细的编辑,光源、材质和纹理等都可被分类保存在各自的面板中以便于重复利用。Creator作为一个基本的建模工具,在实时应用中可以最大限度地减少模型中多边形的数量,并具有模型的AP I编程接口。它为用户提供了一个在可视化层级数据库中创建模型、地形和场景的界面,其OpenFlight数据库使用几何图形、层级和属性来定义实时应用中的模型,并在模型中发挥各自的作用。几何图形定义了一系列坐标点组成的三维模型;层级将模型的点组合成易于编辑和显示的逻辑单元;层级中各节点的属性提供了另外一组数据来定义节点的图形的和物理的特性。OpenFlight格式使用一个多层级的结构来说明数据库中各节点的关系。可视化的图形界面使我们可以非常直观地创建模型,而层级数据库可以使我们轻易地观察和操作模型的各个组成部分。用于实时仿真的模型一般都具有层级结构并以多层节点的方式出现,由一个或多个树型结构组成。数据库中的每一层级包括一个或多个节点。位于最顶层的唯一的一个节点称为数据库的头节点。最底层的是由顶点(Vertex)组成的面( Face)节点,而面节点又组成体(Object)节点,在头节点和体节点之间的是很多不同类型的以一定方式组织在一起的类似组(Group)的节点,例如组(Group)节点、不同细节层次(LOD)节点、转换( Switch)节点、自由度(DOF)节点、光源(L ight Source)节点等。每一个数据库层级都包括几种类型的节点,按层进行排列。每一种节点(组、体、面等)都有其不同的数据库属性,但有些属性可能不止一种节点拥有。Creator数据库层级结构如下所示。层次结构是一种可视化的数据结构，主要体现在它直观地表达了数据库各个组成部分。同时，选中了层次结构中地任何集合(对象或面)之后，它的图形视图就会自动选中了相应的多边形。同样地，在图形视图选中了多边形后，在层次数据库里也能显示出被选中的各个面片。这种层次结构带来了很多方便。第一，可以把组成一个小模型的多个面集中在一个对象(object)中，同样的道理，可以把相关的对象集中到一个集合(group)中。这样不但优化了数据结构，而且便于查找、便于修改。更重要的是，它与图形视图互相配合给建模带来了极大的方便。第二，对于层次里面的所有数据(包括集合、对象、DbGroup-like nodes,Group,LOD,Switch,DOF,Light source,etcObjectFaceVertex 图3.1 Creator数据库层级结构面)，都可以被复制到其他文件中。这一点对建造大规模场景来说是至关重要的。因为它允许多个人同时建造场景里面各个模型，最后可以很方便地把各区域小模型集成在一个总文件里面。同时，如果需要修改场景里的某个模型，也可以先分离出要修改的模型，修改完后在集成进去就可以了。第三，层次结构还为应用可见性判定与消隐技术、实例技术、LOD技术、纹理映射等策略带来了方便，能十分有效地降低场景地数据量。3.3 MultiGen Creator 的特点 Multigen Creator软件的主要特点有：1)建模容易、纹理贴图简单、材质丰富应用Multigen建立模型非常方便,它以面作为三维模型的基本处理单位,辅助以点和线,来完成三维模型的建立;对于纹理的处理, Multigen有多种纹理贴图方式,如平面三点贴图、平面四点贴图、立方体贴图、图柱体贴图、圆球贴图等,同时还提供了一种动态纹理贴图,可以根据不同的要求,选择不同的贴图方式,并且相对应的有很方便的调整方式; Multigen还提供了丰富的材质,用户可以选择提供的材质,也可自编辑材质。2)数据处理合理数据分块处理和分层技术是Multigen数据处理的两大重要技术。数据分块处理即是将数据分成若干块,在使用时实时动态地调用相应块的数据;分层技术即LOD技术(Lever of Detail),根据观察视点的位置,来确定模型的精细程度,距离视点近的模型精细度高,而距离视点远的模型精细度低,距离可以定义,而后模型会自动调整精细程度。采用分块和分层技术大大优化了数据的处理,使得数据处理更加合理、高效。3)与其它软件接口方便,支持多种文件格式Multigen自身文件格式为仿真业界标准文件OpenFlight,它还可出输出其它文件格式,如AutoCad文件格式、VRML文件格式等,同时它也可以读入其它文件格式,如3DS Max文件格式、AutoCad文件格式等。 第4章 样板间建模的几何建模4.1 样板间模型设计要求虚拟环境中的物体是由各种或简单或复杂的子对象所构成的. 这些子对象可以是一个简单的几何图元如长方体、圆柱体、球体等, 也可以是由多个表面所围成的复杂几何形体. 如果我们能逐一表现虚拟环境中各子对象的外观或行为, 就能实现该环境的模拟和仿真.一般情况下室内环境的结构模块数量众多、结构比较复杂、种类较多、材料各异, 建模的任务比较繁重. 在具体设计时, 应根据模型的不同用途, 有针对性地建立虚拟环境模型. 如果建立的虚拟环境模型是为了制作快速的浏览动画, 那么可以简化一些不必要的细节. 如果建立的模型是为了制作局部静态效果图, 那么应该认真建立就近观察的所有细节.随着虚拟现实技术的发展, 虚拟环境越来越复杂, 具有数百万个多边形的场景已非常普遍. 因此场景的合理组织以及管理就成为一项非常重要的工作. 我们的任务是建立一个面向家具设计与展示的虚拟环境系统. 在这里对室内环境结构进行分析, 建立场景的层次结构, 并把场景进一步划分为子空间, 以便于管理, 并加速显示. 针对室内环境模型的特点, 我们将场景的层次结构表示为如下图所示的层次结构. 样板间墙体客厅厨房餐厅浴室主卧书房电视茶几沙发花瓶 图4.1 室内虚拟环境的层次结构(1) 室内环境是整个场景树的最高层, 代表整个虚拟环境. 它由多个房间组成; 该部分还应包括建筑物的外表面信息. (2) 子空间是房间的三维子域. 将房间划分成子空间可以说是一举两得. 通过这种划分, 使得场景的管理更加容易; 而且还可以利用可见性计算, 加速场景的显示. 子空间之间可以进行连接, 成为相关子空间. 相关子空间内容可以在后台预取. 这样, 当用户从一个子空间移动到另一个子空间中时, 不会对实时显示产生大的影响.(3) 物体是子空间中的独立的成分, 有自己的位置、颜色、形状、纹理等信息. 一般来讲, 物体的描述应包括如下几个部分：a参数这是在各个子空间中通用的全局变量, 主要是指物体在环境中的位置信息；b材质物体在场景中的物理表现形式, 包括物体的颜色、材质、发光系数、镜面反射系数、透明度等.；c视点对于不同距离的用户, 物体应呈现不同的视图; 距离越远越粗略, 以减少显示的多边形数,这就是多分辨率模型(或称LOD 算法) 的主要思想. 每个物体应有多个不同的视图, 实际的数目可根据实时性的要求进行调节. 每个视图都由多边形链表组成.；d状态物体的当前状态. 对于门、窗和灯来说, 有开和关两个状态.；e行为物体对环境中发生的事件的反应方式；f物体的创建者可用来对物体进行操作或删除物体,并进行用户身份鉴别.系统中应维持一个物体原形库, 作为公共资源, 供用户创建虚拟环境时使用. 设计者利用物体的原形定义, 结合自己的实际应用(如位置、颜色) 生成实体, 此后用户可对实体进行操作以及修改、删除实体. 实体在整个系统中应具有唯一性, 用唯一的标识符来表示. 标识符可由物体原形的名称, 所有者的名称和物体的生成时间组成。4.2 样板间建模的几何建模方法 几何建模是指用计算机画出许多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象的立方体外形，达到与真实物体在外观上“形似”。样板间里几何形状可以用点、直线或多边形图形、曲线、曲面方程等等方法来表示。但出于对计算机存储和计算开销的综合考虑，一般都采用点、直线或多边形图形表示。几何形状可以直接通过PHIGS、GL等图形库从头创建，但一般用建模工具创建，效率更高。4.2.1 建模要求模型是原型的模板，是对原型的模仿和描述。在样板间建模中，对模型主要有下面两个要求：第一，模型要有精确性。模型的精确性是指模型要能精确地反映出原型的基本特征。例如，与样板房设计图纸完全吻合的虚拟建筑和设施 第二，模型要有简要性。模型的简要性是指模型在描述原型的基本特征时，要对原型作某种简化，突出其主要部分，略去次要部分，集中反映原型最本质的特征，或者反映人们最感兴趣的部分。 这两个要求，互相对立又互相统一，是同一事物的两面，应该同时兼顾模型的精确性和简要性，把两者有机结合起来。建模时，应先考虑模型的简要性，然后再逐步细化，构造出一个精确模型。 首先，建立概略模型，反映原型的整体特征。原型越复杂，越需要从整体上把握，概略模型越重要。概略模型一般把复杂的原型分成几个简单的主要部分，使人们从总体上了解整个原型的结构。每个部分可以看做是一个子模型。第二步是对子模型建模，同样可以对子系统进一步分解，分析子模型由哪几个部件组成。第三步是综合模型，子模型确立以后，可以根据系统概略模型的结构把子模型综合为原型的总体精确模型。4.2.2 建模原则在开始建立室内虚拟环境模型时应首先明确以下两条简单且非常实用的设计准则1 制作全局信息图在打开计算机进行具体设计前, 我们应对所要做的工作制定一个计划, 即制作全局信息图, 也就是制定场景或动画项目的草图. 无论是简单还是复杂, 全局信息图都必须包括所要建立场景的全部信息要点. 在具体工作开始之前, 信息图应该得到设计者与客户的一致认同. 如室内虚拟环境建模的信息图, 应包含以下5 条信息：(1) 室内环境模型信息: 根据用户提供的信息建立室内虚拟环境模型.(2) 物件信息: 从物件库中调出室内环境所