信息科学与工程毕业论文.doc
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1、 学号: 07458201 常 州 大 学 毕业设计(论文)( 2011届)题 目 3DMAX建模及其在虚拟校园设计中的应用 学 生 蔡晓庭 学 院 信息科学与工程 专业班级 计算机O71 校内指导教师 侯振杰 专业技术职务 教授 校外指导老师 专业技术职务 二一一年五月3DMAX建模及其在虚拟校园设计中的应用摘要:虚拟现实是计算机领域的一门新兴技术 ,具有举足轻重的作用。国外经济发达国家一直将其列为国防高科技重点发展的关键技术。本文主要研究的是基于3DS MAX 的虚拟校园设计,主要运用软件为3DS MAX 9。3DS MAX是一款非常标准的高级建模和动画制作软件,是目前世界上使用人数最多的
2、建模软件。在虚拟校园的设计中主要运用复合物体法即布尔运算、样条线的挤出等建模方法对校园进行建模设计,并依照现实场景进行了贴图和渲染操作,初步完成了校园主要场景外部状态的虚拟现实设计。关键词:虚拟现实 校园 建模 3DSMAX Modeling And Its Application In Virtual CampusAbstract:Virtual reality play the vital role in the new field of computer technology. It is considered key development technology in the defe
3、nse area by the developed country. The paper study the desigu of virtual campus based on 3DS MAX. 3DS MAX ,used by the world largest number, is a very high standard modeling and animation software. The Boolean operation and sample line of extrusion etc are used mainly to design virtual campus model.
4、 According to the real scene of the campus,take the map and render operation and preliminary complete the virtual reality design of the appearance of the campus main buildings. Key words: virtual reality campus modeling 目录摘要:I目录III1绪论11.1 引言11.2 虚拟现实的概念与意义11.3 虚拟现实的技术特征21.4 虚拟现实技术的发展和发展趋势21.5 虚拟现实系统
5、的种类21.6 虚拟现实系统的组成31.7 虚拟现实技术的在校园中的应用31.8 视频制作流程介绍42虚拟校园在MAX中的设计过程42.1 3DS MAX简介42.2 建模方法52.3 系统设置52.4 虚拟校园在MAX中建立过程63虚拟校园中的材质和灯光设计173.1 材质的制作173.2 虚拟校园中应用到的贴图技术213.2 灯光和摄影机的设定234虚拟校园的渲染与纹理254.1 VR渲染器设置254.2 视频后期制作315 结论:34参 考 文 献34致 谢361绪论1.1 引言虚拟现实技术是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域,它用计算机生成逼真的
6、三维视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者通过适当装置,自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。 概括地说,虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实能给用户以更逼真的体验,为人们探索宏观世界和微观世界,以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律
7、,提供了极大的便利,因此它的发展前景非常诱人。有关人士认为,80年代是个人计算机的年代;90年代是多媒体计算机的年代;21世纪初将是虚拟现实技术的时代。1.2 虚拟现实的概念与意义虚拟现实(Virtual Reality,简称VR,又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的人工环境虚拟环境。是可实现的和不可实现的物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中,
8、即可与之交互作用。VR已在娱乐、医疗、工程与建筑、教育与培训、军事、科学和金融可视化等方面获得了应用,它将是21世纪广泛应用的一种新技术。VR技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的近年来发展较快且较活跃的最新技术。VR技术以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界, 在视听、触、嗅等感知行为的逼真体验中,使参与者可以直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化,仿佛置身于一个虚拟的世界中,产生沉浸感。VR技术追求的是将传统的计算机从一种需要人用键盘、鼠标对其进行操作的设备变成了人处于计算机创
9、造的人工环境中,通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互、对话”的系统和环境。它将从根本上改变目前让人去适应计算机的不友善的局面,而变成让计算机来适应人的一种新体制,从而使人不需要经过专门训练就可在不知不觉中使用计算机,大大扩大了计算机的应用,使计算机渗透到人们工作、学习和生活的各个领域。正是这个特点,有人把VR技术称为21世纪的一种技术。VR技术有3个重要的特征:(1)沉浸感(Immension):要求计算机所创造的虚拟环境能使操作者有“身临其境”的感觉,就像现实世界一样。使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的,而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用,就像真正的客观现实世界一
10、样。(2)交互性(Interactivity): 操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力,操作者不再是被动接收信息,用户是交互作用的主体,与虚拟物体可进行多行为的交谈。(3)构想性(Imagination): 可使操作者沉浸于定性和定量的环境中获取新的知识,提高感性和理性认识,从而产生新的构思。所以,VR技术强调的是一种身临其境的方式。1.3 虚拟现实的技术特征 (1)多感知性:除PC所具有的视觉感知外,还有听觉、力觉、触觉和运动感知,理想的VR应该具有人所具有的感知功能。(2)存在性:操作者感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度,理想的模拟环境应该达到操作者难以分辨真假的程度。(
11、3)交互性:操作者对模拟环境内物体的可操作程度和从模拟环境中得到反馈的自然程度(包括:实时性)。(4)自主性:虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。1.4 虚拟现实技术的发展和发展趋势早在60年代初,随着CAD技术的发展,人们就开始研究立体声与三维立体显示相结合的计算机系统。80年代,Jaron Lanier提出了虚拟现实VR(Virtual Reality)的观点,目的在于建立一种新的用户界面,使用户可以置身于计算机所表示的三维空间资料库环境中,并可以通过眼、手、耳或特殊的空间三维装置在这个环境中环游,创造出一种亲临其境的感觉。虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的
12、环境。与传统的计算机人机界面(如键盘、鼠标器、图形 用户界面以及流行的Windows等)相比,虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。传统的人机界面将用户和计算机视为两个独立的实体,而将界面视为信息交换的媒介,由用户把要求或指令输入计算机,计算机对信息或受控对象作出动作反馈。虚拟现实则将用户和计算机视为一个整体,通过各种直观的工具将信息进行可视化,形成一个逼真的环境,用户直接置身于这种三维信息空间中自由地使用各种信息,并由此控制计算机。本世纪末,专业VR技术硬、软件技术竞相登台。从目前总体水平看,VR技术正走向实用,已有许多成功的经验。1.5 虚拟现实系统的种类实际应用的虚拟现实系统大体可
13、分为四类:1)桌面虚拟现实系统,也称窗口中的VR,它成本低,主要用于CADCAM、建筑设计、教育教学等领域;本文中所提及的虚拟现实主要指这种类型。2)沉浸虚拟现实系统,使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来,产生一种身临其境的错觉;3)分布式虚拟现实系统,它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真(distributed interaction simulation)的基础上;4)增强现实。1.6 虚拟现实系统的组成 VR系统包括硬件和软件两个部分。1)虚拟现实系统的硬件为了实现身临其境的交互环境,要求系统具有实时的三维计算机图形,大视角的立体显示,头部跟踪,手及姿势跟踪,三维声音,
14、以及触觉反馈和力反馈等。为了达到上述技术要求,目前已经开发出满足上述要求的VR装置,在视觉方面有:立体眼镜、头盔式立体显示器等,在听觉方面有:三维声音产生器等,在力觉、触觉等方面有:数据手套、数据衣、头跟踪器、手跟踪器及姿势跟踪器,以及一些语音识别、眼球运动检测等装置,在未来还会开发出味觉、嗅觉系统,那时,VR将更加真实,VR技术也会更加先进。2)虚拟现实系统的软件在VR系统中,硬件是基础,软件是核心。尤其是像VR这种以三维图形为主的复杂系统,如果一切都从基础工作做起,其软件的工作量大到不可思议,而且也无此必要。利用现有开发平台可以大大提高效率。目前,VR应用系统的常用开发软件有;(1) WT
15、K(WorldToolKit):由美国Sense8公司开发,WTK不依赖硬件环境,适用包括PC机在内的各类硬件平台:WTK-Windows:Windows 3.1或NT; WTK-SGI:IRIX。(2) MultiGen和Vega:由美国MultiGen-Paradigm公司开发,是非常成熟和出色的三维建模软件和实时仿真软件,用于三维视觉数据的建立和编辑,以及视景仿真。MultiGe系统的模块化设计可以满足用户不同应用的要求,它的数据库格式Openflight已成为飞行模拟领域的标准,也为VR系统广泛采用。(3) PerFormer:由SGI公司开发,该软件有SGI的图形工作站技术作坚强后盾
16、,对其SGI的多CPU系统有最充分的利用和支持。故有很好的VR性能,其系统可产生60帧/s的图像速度,对于缺帧图贴有很好的平滑算法。(4)还有OpenGL,VRML,3DS MAX,Maya,Photoshop,Eai等用于应用系统的开发。1.7 虚拟现实技术的在校园中的应用教育部在一系列相关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,它由浅至深有三个应用层面,分别适应学校不同程度的需求:简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化虚拟校园 以学员为中心,加入一系列人性化的功能,以虚拟
17、现实技术作为远程教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,通过交互式远程教学的课程目录和网站,由局域网工具作校园网站的链接,可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会,创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善,以及硬件设备价格的不断降低,我们相信,虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力,将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐,最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。1.8 视频制作流程介绍根据实际制作流程,一个完整的影视类三维动画的制作总体上可分为前期制作、动画片段制
18、作与后期合成三个部分。1前期制作,是指在使用计算机制作前,对动画片进行的规划与设计,主要包括:造型设计、场景设计。2动画片段制作根据前期设计,在计算机中通过相关制作软件制作出动画片段,制作流程为建模、材质、灯光、动画、摄影机控制、渲染等,这是三维动画的制作特色。3后期合成影视类三维动画的后期合成,主要是将之前所做的动画片段、声音等素材,按照分镜头设计,通过后期编辑软件的编辑,最终生成动画影视文件。 2虚拟校园在MAX中的设计过程2.1 3DS MAX简介3D Studio Max,常简称为3ds Max或MAX,是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DO
19、S操作系统的3D Studio系列软件,最新版本是2011。在Windows NT出现以前,工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。3D Studio Max + Windows NT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛,首选开始运用在电脑游戏中的动画制作,后更进一步开始参与影视片的特效制作,例如X战警II,最后的武士等。在应用范围方面,广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DS MAX被广泛地应用于电视及娱乐业中,比如片头动画和视频游戏的制作,深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DS MAX的杰作。在影视特效方面也有一定
20、的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3DS MAX的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3DS MAX的掌握程度也有不同的要求,建筑方面的应用相对来说要局限性大一些,它只要求单帧的渲染效果和环境效果,只涉及到比较简单的动画;片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大,特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些;影视特效方面的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极至。2.2 建模方法在3D MAX 软件中可运用多种方法来建模,一种是直接运用系统提供的简单三维模型或平面模型,然后对其修改而成,即为简单建模方法,但这在实际运用中并不满足建模需求,使用更多的为高级
21、建模,即复合对象建模,网格建模,NURBS建模。在虚拟校园的设计过程中主要使用了高级建模中的复合对象建模和网格建模。复合对象由两个或两个以上的对象通过一定的组合方式所产生新的几何模型。复合对象在原对象的基础上进行各种合成运算,如布尔运算,放样运算等。 1.布尔运算制作门洞和墙洞布尔运算主要用来对两个以上的对象进行交集,并集,差集运算从而得到新的对象形态。在虚拟校园的设计中所有墙面的设计都采用布尔运算的方式制作完成。布尔运算的灵活性在于构成布尔运算的对象仍作为一个对象存在。每个运算对象人保留它自己的修改器堆栈,并且可以在编辑面板中进行编辑修改。甚至可以在次对象层次变换运算对象。2放样运算制作门框
22、,窗框放样是让一个截面沿着一个路径伸展,来构建一个复杂的三维对象。可以沿着直线或曲线的路径方式进行放样,也可以在不同的层设置不同的横截面形状。要有两个或者两个以上的二维图形才可以构成一个放样模型。其中一个图形作为放样模型的“路径”,其余的图形作为放样模型的“截面”。 网格建模是由点,面,元素组成,编辑网格物体修改是通过对这些物体进行精细加工,从而得到所需形状的模型。这是一种重要的多边形建模方法。一般在建模完成之后,都需要一个平滑网格修改器,进行表面平滑,以提高模型精度。2.3 系统设置1单位问题默认地1 Grid=1 inch,不符合我国以毫米计的习惯,在自定义中将单位改为毫米。2MAX的控制
23、 MAX中建立的模型均为参数化,如建立一个Box,你可以随时改变其长宽高等参数,而在CAD中却较麻烦。对于移动、旋转和放缩,除了能直接对物体操作外,也可用数据输入精确控制。右击这三个按钮之一就会弹出该对话框。对视图控制也极其方便,你可以放缩,填满视窗,摇移镜头,以及单视图与多视图的切换。3. 捕捉(Snap)MAX和VIZ提供了二维、2.5维和三维三种捕捉,可捕捉各类图形。捕捉在建模过程中是很重要的,如在窗下墙到屋檐之间加一扇窗,打开捕捉端点模式即可正确地定位窗的位置。2.4 虚拟校园在MAX中建立过程设计之前先对校园整体比例进行估算,画出校园的缩略图,利用数码相机将整个校园主体建筑物进行真实
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