基于3dsMax与Unity3D三维海底场景建模

XUEBAO2014220 随着我国海洋石油和天然气产业的发展， 大量 输送远距离、环境变化较大的海底管道投人使用。 但是， 海底表层地基不稳定， 海流冲淘以及海上事故 等原因， 管道容易发生泄漏或断裂， 会对周围海域环 境造成严重的影响。在国内, 相关机构提出了有关 管道风险分析的一些操作规范，通过综合考虑系统 失效事故可能性和事故后果，对各种不同管道划分 风险等级， 并依此对管道进行风险程度排序， 为管道 的检测维修、 使用或更换提供指导依据1。 在国外， 管道的风险评价， 始于 20 世纪 70 年代 基于 3 d s Ma x与 U n i t y 3 D三维海底场景建模 周鹏 1， 支雄飞1,2， 杨 敏 3， 马龚丽1， 马修水1 （1.浙江大学宁波理工学院,浙江宁波315100； 2.安徽大学， 安徽合肥230039； 3国家海洋局北海海洋技术保障中心， 山东青岛266033 ） 文章编号 1671802X(2014)01001404 摘要本文利用了一种基于 3ds Max 与 Unity 3D 创建三维海底场景的虚拟现实技术，即在 3ds Max 中构建三维模型和制作三维动画， 在 Unity 3D 中布置场景， 实现海底管道的数据化， 应用于海底管道探测及 风险评估。 关键词虚拟现实；海底管道；3ds Max；Unity 3D 中图分类号TP391.9文献标识码A The Modeling of 3D Seabed Terrain Based on Unity3D ZHOU Peng1， ZHI Xiong-fei1,2， YANG Ming3， MA Gong-li1， MA Xiu-shui1 (1.Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, Zhejiang; 2.Anhui University, Hefei 23061, Anhui; 3.Marine Technology Support Center of North China Sea, Qingdao 266033, Shandong) Abstract: Using virtual reality technology and Unity3D as the modeling tool, this paper presents the steps and the final effects of the modeling of 3D seabed terrain model, and creates conditions for the 3D visualized integrated system of submarine pipeline. Key words: seabed terrain; oil pipelines; risk assessment; 3D model; Unity3D 收稿日期20131210 作者简介周鹏 （1992-） ， 男， 浙江台州人， 浙江大学宁波理工学院信息学院自动化专业学生， 研究方向： 检测技术与自动化装置。 E- mail:714564807. 基金项目国家海洋局公益性行业科研专项资助项目 （201305026 ） ， 宁波市创新团队资助项目 （2012B82002， 2013B82005 ） No.1 2014 General No.70 Vol.13 2014 年第 1 期 第 13 卷(总第 70 期) 安徽电子信息职业技术学院学报 JOURNALOF ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF ELECTRONICS INFORMATION TECHNOLOGY 14 2014220XUEBAO 的美国。Muhlbauer W.K1992 年撰写相关管理手册， 详细叙述了管道风险评价模型和各种评价方法， 作 为当时世界各国开发风险评估软件的主要依据。英 国健康与安全委员会在管道风险管理项目研究中， 研究出 MISHAP 软件包，用于计算管道的失效风 险， 并取得了实际应用2。在国内， 西南石油大学和 中石油西南油气田分公司在 2000 年联合研发了一 套 “输气管线风险评价软件” ， 成功地对重庆达卧输 气管道进行全线的风险评价3。 综合分析现有的成果， 过去海底管道安全管理 都为事后的被动响应， 而海底管道探测及风险评估 技术实现海底管道数据的可视化， 变事后响应为事 前检测预防。实现三维海底管道数据的可视化， 可 以利用虚拟现实技术进行三维海底场景建模。本文 基于 3ds Max 与 Unity 3D 建立真实海底场景模型， 大大提高了场景的真实性和可操作性。利用虚拟现 实技术建立的场景提供了使用者关于视觉、 听觉、 触 觉等感官的享受， 这种新颖的技术为海底管道风险 评估检测提供了便利。 一、建模过程 本文建模用到的工具有 3ds Max 与 Unity 3D。 3ds Max 现已成为世界上应用最广的三维建模、 动 画、 渲染工具之一， 广泛应用于游戏开发、 角色动画、 电影电视视觉效果和设计行业等领域， 完全满足制 作高质量动画、 最新、 设计效果的需要。其主要特点 有： 功能大， 扩展性好； 操作简单， 容易上手； 和其它 相关软件配合流畅。本课题中采用 3ds Max 作为海 底各种三维模型的制作工具4 。 Unity 3D 是一个让 玩家轻松创建诸如三维视频游戏、 实时三维动画等 类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具， 是 一个全面整合的专业游戏引擎。Unity 3D 中整合了 丰富的开发资源， 其中包括： 地形创建工具、 物理引 擎、 粒子系统， 常用脚本、 灯光渲染组件、 碰撞检测组 件设置图像画面的后处理方法等。 （一 ） 三维场景建模 海底场景是由海底地形，三维模型构建的， 因 此， 需要在 3ds Max 制作生物与非生物的三维模型， 例如海草， 鱼， 珊瑚， 石头等。三维模型好坏直接影 响到三维海底世界的真实度。在制作模型中应遵循 一个原则： 在能够保证视觉对象不失真的前提下， 尽 量采用最简单的模型，因为这样可以使后期整个海 底场景更加流畅。 （1 ） 石头模型制作。 不同的石头模型有不同的建 模方法。 第一种小型的石头模型， 在视图中创建一个 立方体， 执行修改命令中的 FFD2*2*2 进行修改， 如 图 1 所示； 第二种柱状的石头模型， 利用 “车削” 的方 法制作， 选中 “图形” ， 在 “样线条” 选项里选择 “线” ， 然后在前视图里面画一个半柱状轮廓的线条，最后 在 “修改器列表” 里添加 “车削” 修改器进行修改， 如 图 2 所示； 第三种是较大的石头模型， 在视图中创建 一个圆柱体或者圆台，执行修改命令中的噪波进行 修改， 如图 3 所示。 （2 ） 鱼模型的制作。 工作分成三步进行： 鱼头， 鱼 身， 鱼尾。头用盒子建模和细分建模表面编辑， 鱼身 和鱼尾的制作用多边形。每个鱼模型都有一个骨架 层次结构， 本文中用树形结构。 图 4 是鱼模型的骨架层次，其中向下的箭头表 示父子关系， 向左和向右的箭头表示兄弟关系。 将做 好的鱼模型调整好位置和大小添加骨骼。根据鱼模 型的形状对每一块骨骼进行缩放和移动，使其正好 契合在鱼模型中。 结合鱼的摆动特点， 对每个骨骼节 图1小型石头模型 图2柱状石头模型 图3大型石头模型 技 术 应 用第 1 期周鹏支雄飞杨敏马龚丽马修水基于 3 d s Ma x 与 U n i t y 3 D三维海底场景建模 1 5 XUEBAO2014220 点添加关键帧动画。 针对动画所涉及到的每块骨骼， 要保存其关键帧数据。 每个关键帧数据的内容包括： 该帧编号， 该帧中骨骼相对于父骨骼的平移与旋转 信息5。最后对鱼模型添加蒙皮修改， 添加上述制作 的骨骼， 如图 5 所示。 （3 ） 草模型的制作。 草模型用面编辑制作。 创建 一个面， 修改其弯曲程度， 截面大小等， 如图 6 所示。 给草模型添加关键帧动画， 选中草模型的重心， 将其 移动到根部， 根据草的摆动设置其关键帧数据如图 7 所示， 最后将关键帧数据保存。 （二 ） 三维模型的贴图 贴图是物体材质表面的纹理，利用贴图可以不 用增加海底三维模型的复杂程度就能突出表现其细 节。 通过贴图可以增加鱼， 草， 石头模型的质感， 使创 建的海底场景更接近真实。 鱼模型贴图的制作。 先对 鱼模型进行 UVW 展开， 如图 8 所示。UVW 也称纹 理坐标或者贴图坐标，是用于控制图像如何投射到 编辑对象上的6。 在制作过程中 UVW 定义了图片上 每个点的位置的信息， 这些点与鱼模型是相互关联， 用来决定鱼模型表面纹理贴图的位置。 UVW 就是将 图像上每一个点精确对应到鱼模型物体的表面。简 单的说就是将鱼按照某一个轴向撕开，铺平成一张 平面图，然后在画图软件中给这张平面图画上鱼的 轮廓和所需颜色， 如图 9 所示。 按照相同的方法制作 石头， 草， 珊瑚等模型的贴图。 （三 ） 三维海底场景的布置 在 3ds Max 中制作的模型以 FBX 格式导出， 然 后将导出的模型导入 Unity 3D， 完成资源的传递。 本 文最终目的是布置一个三维海底场景。根据真实海 图4鱼骨骼层次 图5鱼骨骼动画 图6水草模型 图7关键帧数据 图8鱼模型UVW展开 图9鱼模型贴图 技 术 应 用第 1 期周鹏支雄飞杨敏马龚丽马修水基于 3 d s Ma x 与 U n i t y 3 D三维海底场景建模 16 2014220XUEBAO （上接第44页） 参考文献： 1 赵航.C-NCAP 年鉴 （2010 年版） . 中国汽车技术研究中 心， 2010, （4 ） 2 于开平， 周传月， 等.HPERMESH 从入门到精通M北京： 科学出版社， 2005 3 徐敦舸,高卫民,李涛.轿车正面碰撞有限元仿真模拟建 模J.城市车辆, 2001,(5). 4 王 珏,韩忠浩.轿车正面碰撞伤真与结构改进J.太原科 技,2009,(5). 5 赵桂范, 柳东威,孟媛媛.轿车正面碰撞有限元仿真研究J 机械设计与制造, 2010,(1). （责任编辑：江玉祥） 底特点： 海底不是平坦的， 海底有山脉， 海沟， 火山， 平坦的沙滩， 许多宝贵矿物， 海底生长着海草， 有各 种形状奇特的鱼和深海生物。在 Unity3D 中布置海 底景物时要错落有序， 在布景过程中要注意各种景 物的搭配以达到更加自然的效果， 要用有限的材料 尽可能把海底布置的丰富多彩。摄像机要漫游整个 三维海底场景， 还有一点要注意的是在漫游过程中 景物可能会阻挡住摄像机的镜头， 所以在事先的布 景过程中各个景物要配合摄像机合理摆放。 二、建模结果 所有三维模型与贴图制作完毕。在 Unity 3D 中 的地形中， 管道所铺设的位置旁边按照近密远疏的 方法摆上小型石头和大型石头模型，其中小型石头 多大型石头少。管道每间隔一段距离摆设一堆草模 型， 旋转草模型的方向， 错落摆放， 使其看起来更加 真实。 并且在草模型下摆一些小型石头模型， 草模型 间摆设鱼模型。最终整个地形布置完成，效果如图 10、 图 11 所示。 三、结论 本文利用虚拟现实技术来完成整个三维海底场 景的建模， 大大提高了场景的真实性和可操作性。 在 3ds Max 中制作鱼， 草， 石头等各种三维模型， 对模 型进行 UVW 展开， 绘制不同的贴图， 最后在 Unity 3D 中进行海底场景的布置。 上述操作基于虚拟现实 技术还原真实海底场景，不但带给大众逼真的视觉 效果， 而且强大的操作性， 在场景漫游中使人身临其 境。这种虚拟技术不仅可以运用于海底管道风险监 测， 而且还可以广泛应用于工业， 建筑， 经济等领域。 参考文献： 1 王楷. 基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究 D.武汉理工大学硕士学位论文， 2009 2 Coulson K.E.W. Pipe Corrosion-conclusion, New Guidelines Promise More Accurate Damage AssessmentJ. Oil Gas,1990, V88(15):41-44. 3 杨娥.海底管道风险评价研究D.西南石油大学硕士