2013-2014学年湖南城市学院实验室开放项目实验报告.doc

湖南城市学院实验室开放项目实验报告项目名称：益阳市城区三维建模 参与学生：谢家豪、汤小林、罗成、熊得祥、冯豁朗指导教师：吴德华 所属学院：市政与测绘工程学院 目 录1 三维城区三维场景创建思路62 城区建模的设计原则63 城区建模的设计流程74 三维城区建模74.1 场景制作前的准备工作84.2 三维城区场景制作85 灯光设置与烘焙146 系统架构设计157 功能设计168 三维城区系统功能的实现16II1 三维城区三维场景创建思路整个三维城区建模采用3DS Max进行制作，先将城区的CAD地图导入3DS Max中，根据实际情况对建筑物轮廓线进行编辑，使其符合建模的要求。再用挤出修改器生成立体模型，将立体模型转化为可编辑多边形对不合理的地方进行进一步的修改，最终符合与现实建筑物相似的三维城区模型。2 城区建模的设计原则城区中最重要的建模主体就是建筑物，而且数量较多，为了更好地完成城区内建筑物的建模任务，可以根据实际情况确定如下设计原则：（1）做简模：尽量模仿游戏场景的建模方法，如果模型面数太多会导致运行速度急剧降低，甚至无法运行； （2）尽量保证模型的三角网格面为等边三角形，不要出现长条形，长条形的面不利于实施渲染，甚至会出锯齿与纹理模糊等现象；（3）模型数量不要太多，模型太多会增加物体的烘焙数量和时间，降低运行速度等；（4）删除或不要创建看不见的面；（5）可贴图来表现复杂的造型，以获得更好的效果和更高效的运行速度，如树木，浮雕等。建模过程中恰到好处的建模方式十分重要，合适的选择不但可以实现更加真实的效果，而且可使对环境建模的复杂度大幅降低，提高视图效果。若模型建得很精细，那么它的面数也会相应的增加，纹理素材也会更多，他的视图效果会更好，但会大大降低运行速度，甚至无法运行。若模型建得太简单，运行速度虽然快但效果不好，系统也是不理想的。所以根据电脑软硬件配置选择合适的建模方法和合适的精细程度是很重要的。3 城区建模的设计流程三维城区场景建模的基本流程图如图 1 所示。开始场景制作准备工作对场景中的各种物体进行建模PS图像处理多维子材质贴图结束添加灯光烘焙图1 虚拟城区场景建模的基本流程图4 三维城区建模 制作出一个让人身临其境的三维城区，除了在实际场景中进行一些必要的数据的采集之外，还必须把得到的数据进行进一步的处理，确定模型之间的比例关系，然后在进行场景建模。在建立三维场景时先用CAD处理地形数据和地面数据分别提取等高线、建筑物、附属物等数据，将等高线导入3DS MAX生成地形，将建筑物及附属物数据导入3DS MAX生成三维建筑模型，用PhotoShop处理用照相机获取的建筑物表面纹理，将处理好的纹理贴到建筑物三维模型上，再设置灯光进行烘焙，生成三维城区场景。4.1 场景制作前的准备工作（1）确定建模要素与规格整个虚拟城区系统在建模和实现系统之前要做相当多的准备工作，在准备工作进行的时候要注意以下细节：确定建模对象。确定整个三维城区系统中将会出现的各种物体，如建筑、植物、路灯等。给所有的物体分类编号。因为虚拟城区系统中的模型过多，命名混乱会给后期的整合造成困扰，模型的贴图的命名也应与模型相应，为了避免各个模型的材质弄混淆和材质丢失，所以需要在建立模型的时候给模型按编号命名。明确物体尺寸设置系统单位。明确物体尺寸设置系统单位能够避免在后面的制作过程中出现垃圾桶比人高或教学楼高耸入云的情况，同时也要结合地形图中的数据进行统一确定各种建筑的规格。（2）收集数据三维城区是对城区的真实场景进行抽象，建模必须以城区中的实景为基础，因此要对整个城区环境进行仔细的观察和测量，将与实体相关的数据进行采集、分类和存储，以保证在此基础上实现的建模效果准确而逼真。收集城区平面图、CAD地形图等数据。采集纹理数据, 使用数码相机采集物体的表面纹理，同时注意相机的像素要足够高，避免处理后的贴图清晰度不够，达不到理想中的效果。要尽量避免照出来的照片倾斜，后期处理的时候也会容易点，当然对有些不好取景的物体例如植物可以到网上下载相关的材质。获取学校地面影像数据。4.2 三维城区场景制作（1）AutoCAD处理城区CAD地形图用AutoCAD提取系统需要地形数据并进行处理，先对高程点数据检查有无错漏，对错漏的高程点进行删改，再用高程点生成等高线。检查等高线是否符合实际情况，再提取等高线，为后面制作地形准备数据。用AutoCAD对收集的城区平面图进行处理，首先根据其他数据，自己对学校的了解或实地考察来检查数据有无错漏，在确保数据正确的前提下对平面数据进行分类提取，如建筑物层、道路层、附属物层等，为后面用3DS MAX建模准备数据。（2）用3DS MAX建立三维模型首先在3DS MAX中为整个虚拟模型确定统一的单位，将从CAD中提取的等高线导入3DS MAX中，在导入选项对话框的“几何体”标签下“按以下项导出AutoCAD图元”选项中选择实体，这样导入的等高线是一个个单独的实体，再为等高线画一个矩形边框。选择等高线和矩形边框，再在新建面板下选择“复合对象”在对象类型中选择“地形”，就自动生成地形了。对自动生成的地形进行检查，由于是自动生成的，在细节方面可能会存在出入，对不符合实际情况的地形的等高线进行修改，然后重新生成地形，直到生成符合实际的地形。如图2所示。图2 用等高线生成三维城区地形在生成好地形后，将用AutoCAD提取的建筑物二维平面数据导入3DS MAX中，并在其中新建居民地图层，选择一栋建筑物的轮廓线进行编辑，根据三维模型的实际情况编辑线条，在处理好后再挤出生成三维模型，有时模型不能直接挤出得到，还得将挤出的模型转化为可编辑多边形进行进一步的编辑，如加点线面、移动点线面等操作，使之与真实建筑物外形相似并符合建模要求。以某建筑物为例，建筑物的主体部分可以看作是三个相连的长方体，中间六层两端五层。可以分别画出边界的样条线再挤出生成楼体，五层的长方体前各有一个一层高的报告厅，同样通过画样条线再挤出生成，在五层长方体与六层长方体的交接处是突出来的楼梯，它是从第二层开始突出来的并且正面是倾斜的，同样画出样条线，将样条线沿着Z轴向上移动一个楼层的高度，再挤出一个长方体，转化为可编辑多边形，在编辑面板中选择线层，选择正面最上面的那根线移动一栋的距离，使之与现实建筑物的模型相似。建筑物正前面还有个阶梯，可以先画一个台阶，再通过阵列工具复制出阶梯。然后将其附加为一个整体，在去掉多余的或看不见的面，对细部一些不合理的地方进行调整。最终建立三维模型如图3所示。图3 建筑物模型将建筑物模型创建完成后，再将附属物层导入3DS MAX中进行建模，相对于创建建筑物建模来说，创建花坛、阶梯、树木等都是很简单的，画出花坛的内外边界的样条线，将内外边界的样条线附加为一个整体再挤出生成花坛，树模型可以用两条正交的线挤出为两正交的平面来表示，阶梯可以先画出一个台阶再用阵列工具生成。如下图所示。 图4 树模型 图5 阶梯模型图6 花坛模型（3）PhotoShop纹理处理使用PhotoShop对前期用照相机获取的建筑物纹理进行处理，将纹理通过自由变换工具处理成正交图片，再使用修复画笔和仿制图章工具去除纹理上的污点和树木，对曝光不足、色调不饱和的部分进行曝光、增强饱和度等操作，最终将其处理成纹理清晰，色彩鲜明的符合要求的jpeg格式的图片。还有一些一次照不全而分几次照的纹理进行拼接，生成为一张整的正交的纹理。有些纹理不仅要求将其处理成符合上述条件的图片，还要求制作成带有通道png格式的图片，如树木、栏杆、扶手、某些大门等。如下图所示。 图7 树模型纹理 图8 大门纹理图9 栏杆模型纹理（4）贴图对比较复杂建筑物模型，用多维子材质进行贴图，选择建筑物，再选择面并为面设置ID，打开材质编辑器，选择一个材质球，将其设为多维子材质，设置子材质球的ID与面的ID相同，打开子材质球在其漫反射通道中添加与面相对应的纹理，并将材质赋予面。若面上显示的材质不正常，则在UVW（UVW通常是指物体的贴图坐标，max用UVW这三个字母来表示xyz轴。U表示X，V表示Y，W表示Z）和角度中进行参数设置进行调整。如图10所示。图10 建筑物多维子材质贴图对阶梯和花坛等简单模型进行标准贴图，在其漫反射通道中添加纹理，再在编辑面板中添加一个UVW贴图，调整其模型的贴图坐标。如图11所示。图11花坛标准贴图对树模型则应用镂空贴图，选用标准材质球，在其漫反射通道中添加制作好的带通道的png格式的纹理，也在其透明通道中添加与漫反射通道中相同的纹理，在透明通道下“位图参数”标签下的裁剪/放置选项下勾选“应用”，在大通道输出选项下选择“Alpha”。点击“在视口中显示标准贴图”按钮，在视图显示贴图效果。如图12所示。图12 树模型镂空贴图5 灯光设置与烘焙在用3DS MAX将模型创建完成后，将所有的模型合并到一个场景中，调整模型的高度使之与地形相接不存在缝隙，再对整个三维场景进行灯光布置，一盏主灯六盏辅助灯和一个天光。主灯模拟太阳光，辅助灯模拟环境反射和折射的光线。如图13所示。图13三维场景灯光设置在设置好灯光后，对建筑物模型烘焙，在“渲染”菜单下单击“渲染到纹理”，在弹出的对话框中设置输出路径，选择渲染格式为CompleteMap,在根据模型大小设置烘焙贴图大小。在“烘焙材质设置”中选择“新建烘焙对象”，设置好参数后点击渲染。如图14所示。图14 建筑物模型烘焙对三维场景中的模型进行烘焙操作完成后，整个三维城区场景的制作也就完成了。 6 系统架构设计虚拟城区漫游系统采用 B/S 结构，由数据层、业务逻辑层和客户层所构成。数据层包括储存三维场景的数据库和存储空间属性信息的关系数据库。逻辑层由 Web 服务器和应用服务器组成。首先Web服务器接收浏览器传来的请求并传给应用服务器，应用服务器将 Web 服务器传来的请求转换成数据库可识别语句，并向数据库发出请求进行查询。然后，数据服务器接收请求后执行相应操作并将查询结果返回给应用服务器，应用服务器把结果进行分析处理并以浏览器可接受的形式发送给 Web 服务器。最后Web 服务器把查询结果返回给 Web 浏览器。如图15所示。属性数据库系统界面三维场景数据库查询功能行走功能动画预览功能鸟瞰功能浏览器数据层客户层业务逻辑层VRP平台图15系统架构图7 功能设计在建模完成之后，进一步的工作就是把系统划分成模块，再通过一一完成各个模块进而来实现虚拟城区系统。根据用户需求分析确定系统功能，如图16所示。虚拟城区系统行走模块动画预览模块属性查询模块鸟瞰模块图16 虚拟城区系统功能模块图行走模块实现了用户以第一人称视角在三维城区场景中自由行走的功能，通过键盘来控制行走和方向，WSAD键是分别向前后左右行走，左右键是分别左右旋转。动画预览模块实现了用户通过一个预先设计好动画来浏览三维城区场景的功能，动画是相机模式下制定好的。鸟瞰模块实现了用户以俯视视角来浏览三维城区场景的功能，在鸟瞰模式下，可以用鼠标来旋转平移场景。属性查询实现了查询物体属性的功能，在弹出属性面板后，双击要查询的物体显示物体信息。在系统设计中将这里的几个功能模块整合在一个主界面里，使用者可以进行三维城区的查询漫游。8 三维城区系统功能的实现要在虚拟城区中与周围环境的交互并实现城区自主漫游，模拟出逼真的刚体碰撞等动作，在 VRP 系统中需要给建筑物及植物模型设置碰撞规定，为使整个场景显得更真实自然，还要为场景添加天空盒、动画相机和太阳光晕等构件，这样访问者就可以在场景中自主漫游了。为模拟出人眼在虚拟场景中的漫游效果，首先要根据人眼的视角来生成一个动画相机，用来浏览场景并产生动画。一个行走相机，通过调整相机的垂直高度及水平角度等属性，在创建动画相机之后，还要为它设置一条能自动漫游的路径，用以产生动画。在现实世界中，一般物质都是无法穿身而过的，既然要模拟现实，则场景中的所有刚体模型都需要进行物理碰撞设置，使被设对象无法穿越，在相遇时产生碰撞效果。天空盒常常用来表现室外场景的周围环境。对一个虚拟场景来说，选择合适的天空盒样并旋转天空盒角度，使天空光线的归入方向与建筑物的投影方向尽量一致，这样可以令它与当前虚拟场景美完地融为一体。为当前虚拟现实场景增加一个合适的太阳光晕，调整光晕的高度及入微角度，使太阳的光照方向、天空盒光线方向与虚拟场景的光景方向完美结合，美丽的光圈能使整个场景增加很多亮色，从而显得更加逼真。打开脚本编辑器，在系统函数中选择并初始化函数，再加入选定的背景音乐脚本，正确插入对应语句，并就背景音乐相关属性进行设置。合适的背景音乐能增极大强场景感染力，增加访问者对虚拟现实场景的兴趣。VRP11能够支持市面上流行的多种关系数据库，大大满足了绝大多数数据库使用用户的需求。VRP11的数据库插件里能连接数据库，物体关联到数据库的某条记录，用SQL语句查询数据。三维城区系统查询功能实现有如下三个步骤：（1）连接数据库：连接到本地数据库文件或者网络数据库，读取并显示相关数据库信息，显示当前连接状态，设置是否把登陆信息保存到VRP文件，以及是否在打开场景时自动连接数据库。（2）关联操作：将场景的模型和数据库中的记录建立关联，以便在点击模型显示数据库信息时，确定要显示的信息。（3）搜索查询：支持标准SQL语句的查询，以及在值的某一范围内