1、使用三维技术制作虚拟环境自动漫游动画l42 计算机与数字工程第 34 卷使用三维技术制作虚拟环境自动漫游动画吴兰陈孝威(贵州大学计算机科学与工程学院贵阳 550025)(连云港师范高等专科学校计算机系连云港 222006)摘要利用计算机三维技术建立虚拟环境是三维技术的一个新的应用领域,电是实时交互式漫游的参考方法之一,使用 3DSMAX 软件将传统二维图纸中的设计转化为虚拟的数字环境,能够全方位地,直观地给用户提供各种具有真实感的场景信息.关键词虚拟环境自动漫游三维技术中图分类号 TI91.9ResearchonTechnologyoftheAutomaticCruisewith3DTechn
2、iqueWuLanChenXiaowei”(CollegeofComputerScienceEngineering,GuizhouUniversity”,Guiyang550025)(DepartmentofComputerScience,LianyungangNormalCollege,Lianyungang,222006)AbstractMakinguseofthetechniqueofthreedimensionstoestablishvirtualscenesisanappliedfieldofthetechniqueofthreedimensionsandisalsoareferen
3、cewayforrealtimeinteractioncruise.Using3DSMAXsoftwareofthreedimensionstoturnthedesignoftraditionaldrawingsoftwodimensionsintovirtualdigitalscenescanomnibearlnglyandvisuallyprovideeverykindofrealscenicmessageforthescenes.Keywordsvirtualscenes,automaticcruise,techniqueofthreedimensionsClassnumberTP391
4、.9l 引言虚拟现实是一项涉及计算机图形学,人机交互,人工智能等学科的综合技术,它的目的是用计算机来生成一个逼真的三维感觉世界,用户可以在其中实现各种漫游.虚拟环境的漫游按人机交互的程度可分为自动漫游和实时交互式漫游两种.在基于 VRML 和 3DSMAX 实现的虚拟现实系统中,用 VRML 可以实现上述两种漫游方式,但在实现自动漫游的时候消耗内存较大导致运行画面不够平滑,有模型闪烁现象;另外虚拟环境也欠缺三维渲染带来的真实感,所以考虑用漫游动画来实现自动漫游.自动漫游也是实时交互式漫游的参考方法之一,因为用户刚开始对虚拟环境不熟悉,可能在实时交互式漫游时会错过一些场景,通过自动漫游能让用户大
5、体了解虚拟环境,在实时交互式漫游时就可实现让用户自主漫游.收到本文时间:2005 年 11 月 15 日漫游动画能够全方位地,直观地提供各种具有真实感的虚拟环境信息,并以动态直观的方式引领观察者对虚拟环境自动漫游.采用三维技术可以将漫游动画制作成常用的 AVI 视频文件,AVI 视频文件运行速度快,适用场合广,能更好地满足虚拟现实中自动漫游的要求 J.漫游动画制作过程主要借助三维动画制作软件(主要是 3DSMAX),创建一个动画漫游路径,最终生成一段三维漫游视频文件.2 创建漫游动画基本步骤2005 年 5 月,在基于 VRML 和 3DSMAX 制作贵州大学校园虚拟漫游系统的过程中,实现了虚
6、拟环境漫游动画,以下就是其具体实现的步骤.2.1 前期准备工作创建漫游动画的前期准备工作首先要了解设计者的构思,即完全理解三维真实模型的平,立,第 34 卷(2006)第 l0 期计算机与数字工程 l43剖,大样的图纸和局部规划图;然后准备制作过程中所使用的软硬件环境,并开始准备在使用 3DSMAX 绘制模型时可能需要的一些素材.制作虚拟漫游动画主要使用的三维动画制作环境是目前技术较成熟,使用较稳定的 3DSMAX,通过这个功能强大的动画制作软件来完成各种单体模型的创建,动画制作及最终动画素材的渲染工作.辅助以 3DSMAX 森林插件 ,并利用平面处理软件 Photosh 叩,通过对数码像机所
7、拍摄的实景建筑外观装饰图片及各种装饰材料素材库文件进行修改,制作出建筑外观的无缝贴图,以备 3DSMAX软件调用.视频后期处理软件 Premiere 可以将三维制作软件中制作渲染完成的动画序列图片进行编辑,加入字幕,背景音乐完成整个漫游动画的制作.制作虚拟漫游动画硬件上需要注意的问题是,由于这类项目所要处理的数据量非常大,最终要生成的动画帧数一般以万帧计,图像序列数量庞大,因此,各个微机应进行联网,以工作站的形式实现资源共享,以 3DSMAX 中功能强大的网络渲染(NetRendering)方式完成各个动画片断的序列图像制作.2.2 三维模型制作三维建模是虚拟漫游动画中最重要的一环,没有正确的
8、建模就不存在其后的一切工作.在正式建模之前用户应该对模型结构进行分析,首先在头脑中将建筑物拆分成各个小部件,在 3DSMAX 中通过各种创建及修改命令创建出这些部件的造型,再将各部件组合成完整的三维模型.在建模时,需要注意的是各物体之问的比例关系及透视关系.在 3DSMAX 赋给三维模型材质的工作是由 MaterialEdit(材质编辑器)和 uVwMap(贴图轴) 共同来完成的.用户在材质编辑面板中设置材质的颜色,质感,贴图等,通过对各个贴图轴的设置来控制图像在不同的三维物体上的不同显示方式.图 1 三维实现窗户的模型图 2 贴图实现窗户的模型如果漫游动画的场景比较大,每个模型可以根据用户视
9、点的远近设置不同的细节层次,比较近的视点,模型可以做的比较精细;比较远的视点,模型可以做的粗糙一些,例如图 1 是比较精细的模型,图 2 是比较粗糙的模型,在漫游动画中视觉上基本没有太大区别,但粗糙模型的 3d 文件所占空间大大减少.3 漫游环境设置虚拟环境有多种三维模型,如山,水,树木花草等,在完成的模型上调试出好的材质是丰富漫游画面的关键技术.一方面通过使用现有的材质,贴图对场景模型进行丰富的表现,另一方面就得通过调整相关的参数及在其通道中添加合适的贴图来得到逼真的效果,如在喷泉水材质的制作过程中,就需要在调整反射高光,不透明值,双面,折射率等参数并配合在其 Reflection(反射)通
10、道中加入场景中所使用的天空贴图等操作来实现真实水面的模拟.具体设置方法是:空白材质 ,DiffuseColor 贴图,设置为 Noise 方式(0,40,50),Reflection 在 Raytrace使用默认值,设置 Amount 值为 6O,设置 Refraction的 Raytrace 项,设置贴图的 Amount 值为 3O.最终效果如图 3.图 3 喷泉效果图3.1.1 喷泉及水波的动态实现3DSMAX 在模拟自然现象,物理现象及空问扭曲上具备得天独厚的优势.粒子系统可以模拟任何富于联想的三维效果,为了增加物理现象的真实性,粒子系统通过空间扭曲控制粒子的行为,结合空间扭曲能对粒子流
11、造成引力,阻挡,风力等仿真.在制作贵州大学校园喷泉的过程中,采用基本粒子系统中 SuperSpray(喷射 )制作远景喷泉动画和高级粒子系统中 PFSouit2e(粒子流) 制作近景喷泉动画相结合的方法.基本粒子系统 SuperSpray(喷射) 创建水花设置喷射出水滴的大小和流量.借助 SpaceWarps(空间扭曲 )命令面板中的 Gravity(重力) 按钮使水流下落过程中偏转.喷泉水面采用 Noise 命令得到变化的波纹效果 ,并在喷泉水面利用 SpaceWarps(空间扭曲 )命令面板中的 Deflectors 使水面溅起水花,l44 使用三维技术制作虚拟环境自动漫游动画第 34 卷
12、高级粒子系统具有较高的速度和兼容性,功能更强大.3.i.2 天空的简单设置选择菜单命令”Rendering/Environment( 渲染/大气环境)” 打开”环境” 对话框 ,在其中的”Background(背景)” 项中单击”EnvironmentMapF 的“None”按钮, 在选择文件对话框中选择合适的天空图像文件.还可以建立一个球体,设置一个材质为:双面并设置一个天空图像文件的贴图 ,将材质赋给球体.修改”uVwMap(贴图轴)”命令,选择球面贴图,UTile 次数为 2,VTile 次数为 2.在“uVwMap(贴图轴)”命令的次物体”Gizmo”,调节球面贴图范围框的位置,直到摄
13、像机视图中显示出正确的天空图像为止.3.1,3 树木的有效设置植物的添加有两种:一,还可以使用两个 plane图 4 路边有黄绿两条渲染线(面片) 进行垂直交叉,在其Diffuse(漫反射)通道中加入树木的彩色图片,在其 Opacity(不透明)通道中加入相应的黑白图片的方法得到只占用两个面的三维的树木效果.缺点是当摄像机镜头的方向发生变化时,为避免看到面片的效果,要及时调整面片正对着摄像机,不适合产生大面积树林.二,采用 3DSMAX 提供的森林插件来实现大面积的树木,森林插件要先设置树木填充区,接着设置树木的分布样式和树木的贴图.采用这种方法生成的树木可以自动调整方向,是摄像机始终对这面片
14、的正面,要注意的是在设置填充区域的范围时的折线在渲染时会出现,取消 Rendering面板中 Renderable 复选框项 ,即可在渲染时没有渲染线,出现的渲染线如图 4.4 灯光摄像4.1 灯光灯光和摄像镜头的运用对场景气氛的渲染,动画的设定也起着非常重要的作用.在默认情况下,场景中自动有两盏系统光源存在,一旦建立新的灯光物体,系统光源就会自动关闭.3DSMAX 中主要通过三种灯光:Omni(泛光灯),TargetSpot( 目标聚光灯)和 TargetPoint(目标点光灯 )来实现各种光源效果.Omni 用于控制环境时间 ,TargetSpot和 TargetPoint 用于模型具体的
15、光源.虚拟环境的灯光在通常情况下可采用在三个不同的位置设置 Omni(泛光灯),三个泛光灯可以有一个放人地面下方,因为 Omni(泛光灯)可以透过物体.效果图如下所示:灯光 1l 漫游场景 ll 顶况图 I./V 灯光 2 灯光 3图 5 场景顶视图4.2 摄像机灯光 2灯 jI 己 1灯光 3图 6 场景左视图摄像机是建筑场景中必不可少的组成单位,用摄像机可以模拟人的眼睛从不同的位置以不同的视角观察虚拟场景.人眼的自然视角是 43.456mm,通常用 50ram 的标准镜头来模拟人眼视觉,镜头尺寸区选择 50mm 以下的标准镜头时,它所产生的视图称为广角视图.当摄像机镜头超过50mm 时,称
16、为摄远镜头.3DSMAX 提供了两种类型的摄像机:TargetCamera(目标摄像机 )和 FreeCamera(自由摄像机).TargetCamera 用于检查局部场景的正确性;FreeCamera 则引领用户在虚拟环境只能感漫游观察,完成漫游动画.自由摄影机与目标摄影机的主要区别就是它没有目标点,其它的参数是相同的.它特别适合于制作通过路径运动的漫游式动画,以及一些简单的位置记录动画.由于它没有目标点,所以镜头的摇摆需要通过摄影机自身的旋转来实现.对于一些需要精确目标跟踪的动画,它就显得无能为力了.漫游动画的常用方式是给摄像机指定 Position方式为 Path 路径控制,使摄像机沿一
17、条设置好的路径运动.目标摄像机需要准备运动路径,并由虚拟物体控制目标摄像机的视线方向,虚拟物体本身不参加渲染,运动路径可以穿过模型体.设置目标摄像机的步骤为:首先设置目标摄像机 ,使用35ram 镜头,设置参数运动命令,打开标记控制器,选择位移方式为”PathConstraint(路径约束)”,添加路径.接着设置”LookAtTarget(注视目标)” 拾取虚拟物体,使摄像机与虚拟物体产生新的链接关系,原始的目标点不再使用.目标摄像机要设置”l0okat( 注视)” 控制器,而自由摄像机只要设置”Follow(跟随)”使摄像机沿路径自动调节注视方向,但某些帧的注释角度需手工调整第 34 卷(2
18、006)第 lO 期汁算机与数字工程 l45Free 摄像机可以跟随路径一起运动,也可以模仿车辆或飞机移动中的跟踪拍摄效果等.例如沿着道路走向喷泉,可采用 Free 摄像机跟随指定路径运动,从而到达指定的地方,如图 7.Target 摄像机比自由摄像机更易于控制视线方向,只需将目标点移至需要观察的位置即可,例如对喷泉假山进行观察时,可环绕喷泉假山走一圈,这时将目标点设置在假山体上,再在假山周围设置一个圆形路径,实现围绕假山进行观察,如图 8.一一 t 图 7 自由摄像机某一帧图 8 目标摄像机某一帧用户在实际使用时,应注意摄像机镜头的毫米数对模型透视关系的影响以及 FreeCamera 的初始
19、方向对最终动画的影响.5 合成功画分段动画的合成有两种方式:一是直接在 3DSMAX 中使用 VideoPost(视频合成)命令;二是进人Premiere 软件进行合成 .建议用户使用合成方式和合成效果都较好的 Premiere 软件.漫游动画的每个场景在进行动画渲染之前应使用 TargetCamera 检查三维模型各部件,材质,灯光的建模效果.并可使用菜单命令 Rendering/MakePreview( 渲染/制作预视动画) 检查漫游动画的运动效果.最后使用 Render(渲染)命令转为动画文件,以便进入 Premiere 进行后期处理.创建一个大型的漫游动画必须分段制作,漫游动画一般有:
20、片头动画,外景全景漫游 ,外景近景观察片尾字幕片尾字幕在 Premiere 软件中直接制作.最后将分段动画文件导入 Premiere,合成为一个完整的动画文件,并以”.AVI”格式输出.利用三维后期制作软件 Premiere 还可以根据背景音乐所表达的意境对前期生成的动画进行剪辑制作,分层进行后期处理,为动画加人字幕,水印,制作标识等元素得到一件让人轻松,心旷神怡的建筑漫游动画作品.6 小结在用 VRML 和 3DSMAX 实现虚拟现实系统的过程中,可以附带实现虚拟环境的自动漫游 j.本文采用三维技术制作虚拟环境的漫游动画来实现自动漫游,使用户第一次接触到虚拟漫游系统时,不会由于不习惯产生如分
21、不清方向或不能随意的控制虚拟人物等导致不能很好的观察虚拟环境.通过在自动漫游中加人语音介绍,此功能还可以用于导游,商品房展示等非常有价值的行业.参考文献1王映辉.3D 建模与编程技术 J.计算机应用研究.2OO4(1,:37 412马凌云.计算机建筑漫游实例M. 上海: 上海交通大学出版社,20043JDStuwe,CLenz,GDomik.VisualizationofgeographicdatausingVRMLanInternetclientforageographicinformationsystem(GIS)C.Proceedingsof1998Comput.el”GraphicsInternational,1998,6
