0导引-虚拟现实及建模技术简介

虚拟现实及

建模技术简介导引大连理工大学出版社目录虚拟现实项目制作流程介绍教材说明虚拟现实项目制作模型设计需求01虚拟现实项目制作流程介绍1.1什么是虚拟现实VR是英文VituilReality的简称，中文含义是虚拟现实。VR是利用计算机、手机或其他智能设备模拟产生一个虚拟空间,让使用者从听觉、视觉、触觉等感官上产生身临其境的感觉。VR技术的核心就是运用计算机图形图像技术建立高仿真时空,再运用人机交互技术实现人与计算机的仿真互动,由传感设备和立体显示设备为使用者提供沉浸式仿真体验。如在商业地产领域,传统展示方式是搭建沙盘模型和建立样板间,如果使用VR技术，使用者只需要通过计算机建立虚拟环境，通过VR显示设备及时、没有空间限制地观察虚拟空间内的事物；当使用者移动位置、转动头部等时，VR设备也可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像实时显示在使用者眼前，产生临场感。通俗地讲,通过VR技术看到的场景和人物全是虚幻的，是把人的意识代入一个虚拟的世界,并让使用者沉浸其中。虚拟现实项目制作流程介绍1.1什么是虚拟现实由此可见,VR包含模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。其中模拟环境是指由计算机生成实时动态的三维立体高仿真图像,给使用者带来真实的环境感受。这正是本书的最终学习目标:高效搭建符合VR技术要求的虚拟环境。随着VR技术的普及,AR技术和MR技术也越发成熟起来。随着计算机技术的不断更新和市场需求的不断增加，VR技术陆续衍生出AR和MR,并逐渐开始细分市场，针对不同领域迭代发展。AR(AugmentedReality.)即增强现实，也被称为混合现实。它通过电脑技术,将虚拟的信息应用到真实世界,真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间并同时存在。MR(MixReality)即混合现实，即包括增强现实和增强虚拟,指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存,并实时互动。三者存在明显的交互区别和技术区别,但三者的项目制作都需要建立一定的虚拟场景或角色,搭建仿真的虚拟环境。本书将由浅入深地带大家学习如何建立虚拟环境。虚拟现实项目制作流程介绍随着VR技术的不断发展，各种VR行业开发工具和平台不断涌现，但目前市场主流的虚幻引擎和Unity已被用于无数的3D视频游戏和VR应用程序。它们是视频游戏开发的经典选择,也是移动应用程序开发的选择。不管使用何种引擎或平台，虚拟现实(VR)项目开发流程基本雷同：按项目要求调研分析各个模块的功能,如具体开发中,虚拟场景中的模型和纹理贴图都是来源于真实场景,则事先通过摄像机采集材质纹理贴图,再通过三维建模软件来处理纹理和构建真实场景的三维模型,然后导入核心引擎构建虚拟平台,在引擎平台通过音效制作、图形界面设计、设置插件、架设灯光、编写交互代码,最后根据平台要求发布程序文件。1.2虚拟现实项目制作流程虚拟现实项目制作流程介绍虚拟现实(VR)项目设计流程按要做的事情排序，则：(1)职责分工——各角色在团队中需要关注的内容和分工;(2)设计工具的使用;(3)设计原则——设计规范的归纳和建立。1.2虚拟现实项目制作流程虚拟现实项目制作流程介绍1.2虚拟现实项目制作流程虚拟现实项目制作流程介绍构建三维模型,在虚拟场景中看到的任何物品或者模型都是真实场景中实物的再现,这就是虚拟现实给人一种真实场景的感觉。建模是构建场景的基本要素,在建模过程中最重要的就是模型的优化,一个好的虚拟现实项目不仅要运行流畅,给人以逼真的感觉,同时还要保证模型的科学性,保证程序发布之后不会占用硬件设备太大的资源。基本的原则就是制作简模,项目制作中不做特殊要求的模型都必须简化处理,要最大化删除无效面,尽量减少模型的点以达到优化的目的。建模技术：虚拟现实项目制作流程介绍在整个开发流程中可以清晰的发现需要三种核心技术：建模技术、交互技术和渲染技术。除了场景模型的优化之外，交互技术也是虚拟现实项目的关键。Unity3D软件负责整个场景中的交互功能开发,是将虚拟场景与用户连接在一起的开发纽带,协调整体虚拟系统的工作和运转。交互技术在虚拟现实项目中,交互是基本,渲染是关键。一个好的项目,除了运行流畅之外,场景渲染的好坏也是成败的关键,优质的场景能给用户带来真实的沉浸感,真实感越好,越容易得到用户认可,才能真正实现虚拟现实。基本渲染都是通过插件来实现,例如在需要高亮的地方设置shader(着色程序)就可以模拟出台灯发亮的效果、地面倒影的效果和太阳光折射的效果。渲染技术虚拟现实项目制作流程介绍在整个开发流程中可以清晰的发现需要三种核心技术：建模技术、交互技术和渲染技术。本教材讲解内容是VR项目设计中需要的常用建模技术，主要培养的是虚拟现实项目制作团队中的3D设计师，使其具备角色正向建模和场景正向建模的能力。02虚拟现实项目制作模型设计需求2.1什么是建模技术目前物体的建模方法常用的有三种:第一种方式是利用三维软件建模。例如本教材使用的三维建模软件是3DStudioMax,又称为3dMax或3dsMax,是Discreet公司开发的(后被Autodesk公司合并)基于PC系统的三维制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3DStudio系列软件。在WindowsNT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。3DStudioMax+WindowsNT组合的出现大大降低CG制作的门槛，首先运用在电脑游戏的动画制作中，并逐步参与影视片的特效制作，例如《X战警》《最后的武士》等。在Discreet3dsMax7后，其正式更名为Autodesk3dsMaxo随着建模软件的发展，相应的三维建模技术也逐步提升，如今在电影制作中使用的3D动画，已经很难分辨是虚拟还是现实，这就是技术进步的体现。虚拟现实项目制作模型设计需求2.1什么是建模技术目前物体的建模方法常用的有三种:第二种方式是通过仪器设备测量建模。例如,三维扫描仪(3DimensionalScanner),又称为三维数字化仪(3DimensionalDigitizer),它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具之一,能快速方便地将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。目前该项技术随着无人机技术的发展在地理测绘和大地环境重建方面带来了极大的便捷。第三种方式利用图像或者视频来建模。例如：采用IBMR这种基于图像的建模和绘制技术建模,使建模过程变得更快、更方便,并能获得很高的绘制速度和高度的真实感,而且它的成本低廉,真实感强,自动化程度高,因而具有广泛的应用前景。虚拟现实项目制作模型设计需求2.2常用三维模型制作软件介绍在不同的行业中，需要使用到的3D建模软件是不一样的，而且更多的时候是数款软件搭配合作完成工作。目前，虚拟现实项目制作中比较通用的就是3dsMax、Maya两种三维建模软件。3dsMax是当下非常容易上手使用的3D建模软件，被广泛应用与三维建模、动画制作、渲染，在一些影视剧特效制作中也会使用到它。Maya主要被应用在影视建模渲染、影视广告、角色动画设计、电影特效设计中。Rhino（犀牛）主要广泛应用于工业设计、室内设计，更适合应用与产品外观造型建模。Sketchup被广泛应用于室内设计行业，中文名称为“草图大师”。ZBrush是一款3D建模辅助软件，主要用于数字雕刻和绘画。它能够让艺术家无约束地自由工作，非常简便使用，可以说它的出现改变了传统3D设计工具的工作模式，让3D建模不再仅仅依靠参数与鼠标笨拙创作。虚拟现实项目制作模型设计需求2.2常用三维模型制作软件介绍除了以上介绍的几款通用的3D建模软件，还有许多行业内的，比如Solidworks、Catia、UG、Cimatron等，它们在工业、机械制造、电子、航天航空等专业领域都发挥着各自的功用。本教材选择的是3dsMax软件作为虚拟现实项目模型制作工具。3dsMax软件是Autodesk公司的重要产品，市场占有率高，3dsMax自7.0版本开始出现中文版，8.0版本提供毛发布料等新的工具，9.0版本第一次出现64位版本。本教材选用的是2019版本。软件安装方法请读者自行学习，在此不做介绍。虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础启动3dsMax的方法是双击桌面上的3dsMax立方体图标或者单击“开始”|“程序”，在程序菜单中找到Autodesk菜单选择3dsMax再选择3dsMax立方体图标。通过双击桌面上的3dsMax立方体图标初次运行3dsMax软件默认运行英文版本，如图0-2所示需在“开始”|“程序”中运行简体中文版，这样桌面3dsMax立方体图标将自动切换为简体中文版本。虚拟现实项目制作模型设计需求

简体中文版

“开始”|“程序”中3dsMax2019各语言版本2.33dsMax软件操作基础如图所示为3dsMax2019默认打开的主界面，包含菜单栏、快捷工具栏、快捷按钮区、工具命令面板、视图区和动画与视图操作区六大部分。在虚拟现实建模实际操作中，主界面中最常用的是快捷按钮区、工具命令面板和视图区。虚拟现实项目制作模型设计需求3dsMax2019界面标题栏菜单栏工具栏视图区命令面板视图控制区时间栏信息提示区与状态栏动画控制区2.33dsMax软件操作基础窗口的最上面是标题栏，保存后文件名称会出现在最左边，在“保存”文件时要按项目制作的命名要求规范文件名称。标题栏下面是菜单栏，菜单是一组命令，其中常用命令有“文件”菜单“重设”、“打开”、“保存”、“另存为”四个命令，文件菜单中的命令都跟文件操作有关；“组”菜单有“组”和“解散组”命令；“渲染”菜单中要记住“渲染”命令和“环境”两个命令。菜单栏是包含命令最多的区域，在虚拟现实建模中实际使用频率较高的是“文件”菜单。图1所示“文件”菜单包含“新建”、“重置”、“打开”、“保存”、“另存为”、“导入”、“导出”、“项目”和“首选项”等命令。项目文件的创建、保存、另存、管理均需访问“文件”菜单，其中“另存为”命令可以做为项目制作环节的备存命令使用，文件格式为“*.MAX”；“导入”和“导出”命令可以让模型以不同格式的文件进行各软件之间的转换，在虚拟现实项目制作过程中，常把烘焙完的模型导出“*.FBX”格式文件（如图所示），再将该文件导入Unity3D或UnrealEngine中用作开发使用。同时3dsMax文件“*.MAX”格式文件受版本兼容影响，低版本无法打开高版本制做的“*.MAX”文件，高版本向下兼容低版本制作文件；而“*.FBX”格式文件不存在软件版本兼容性问题。菜单栏下面是工具栏，工具栏中放的是最常用的命令，同时使用图标的表示形式，便于形象记忆。虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础工具栏下面是视图区，在工作区的右边是命令面板，共有六个面板，常用的是以下两个面板：第一个是“创建”，可创建许多的基本形体；第二个是“修改”，可以对基本形体进行名称、大小、颜色的设定。视图区下面的时间栏和动画控制区主要用于动画制作。信息提示区与状态栏主要用于正常操作中的文字提示、数值的输入和孤立显示等。在右下角是视图控制区，有八个按钮，可以缩放、抓手（移动）、旋转、和全屏切换视图，以便于我们仔细观察物体的各个面。在实际项目制作中，为方便提高项目制作效率，这些功能多由快捷键来操作完成。虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础虚拟现实项目制作模型设计需求图一“文件”菜单图二“文件”导出格式2.33dsMax软件操作基础虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础虚拟现实项目制作模型设计需求温馨提示：在项目制作中，快捷键多数由操作者自定义设置，具体使用根据个人操作习惯而定。2.33dsMax软件操作基础常用操作:（1）、设置项目文件夹在文件命令中点击项目中创建默认项目，如图1所示按界面指引在D盘中设置名称为“jc-project”的项目文件夹（文件夹名称为自定义内容），创建完成后如图2所示D盘中“jc-project”项目文件夹自动生成目录文件，3dsMax创建保存的文件将自动指引到该项目文件中。其中scenes文件夹专门用于保存“*.MAX”文件。使用项目文件有利于项目制作中的文件管理和规范化操作。虚拟现实项目制作模型设计需求图1项目设置界面图2磁盘中项目文件夹界面2.33dsMax软件操作基础常用操作:（2）、自动存盘保存在菜单栏自定义命令点开首选项设置，勾选自动备份，启用默认设置即可每隔五分钟自动保存一次文件，保存3份文件，文件夹名称为AutoBackup。具体操作界面见图1。如已按常用操作第一项“设置项目文件夹”做好前期设置，AutoBackup文件夹位将于项目文件夹中。如并未设置项目文件夹，则AutoBackup文件夹默认位于计算机系统盘（一般为C盘）系统“文档”文件夹“3dsMax”文件夹中。计算机的使用难免出现各种突发状况，自动存盘保存能很好的应对各种突发状况。正常使用保存命令时，新的文件将自动替换原有文件，在项目制作中如果本阶段内容存在不确定性，制作人员一般会选择保留原阶段文件同时另存一份新文件，这种保存方式有利于项目制作多方向发展。如图2所示，如勾选增量保存，项目制作中点击保存命令，软件自动保留原阶段文件同时按“原文件命名+01”自动保存一份新的文件，如原文件命名“测试”，在增量保存模式下，点击一次保存或使用“Ctrl+S”快捷键，项目文件scenes文件夹将增加一个命名“测试01”文件，以此类推。这是项目制作常用保存方式。虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础虚拟现实项目制作模型设计需求图1首选项文件界面图2增量保存2.33dsMax软件操作基础常用操作:（3）、软件出错解决方案初学者在软件操作初期难免出现各种问题，一般问题较多集中在视图区混乱和界面缺失等。如图所示，当视图区由于拖动无法复原为原始等距位置时，在四视图中间连接位置鼠标右键单击弹出“重置布局”按钮，即可恢复原始视图区等距显示状态。虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础常用操作:（3）、软件出错解决方案如图1所示，点击“自定义”菜单，选择“显示UI”命令，可以单独选择是否显示各个UI面板。当无法准确判断UI面板时可如图2所示，加载默认UI设置方案。虚拟现实项目制作模型设计需求图1显示UI图2加载默认UI界面2.33dsMax软件操作基础常用操作:（3）、软件出错解决方案当整个软件奔溃无法使用时，如图所示，删除3dsMax软件所在安装文件夹中“InstallSetting.ini”文件，重新打开3dsMax软件后，3dsMax软件将恢复出厂设置，作用等同于于重新安装3dsMax软件。虚拟现实项目制作模型设计需求恢复软件初始状态2.33dsMax软件操作基础常用操作:（3）、软件出错解决方案当无法准确获取3dsMax软件安装位置时，如图所示可鼠标右键3dsMax软件图标，直接点击打开文件所在位置，直接打开3dsMax软件所在安装文件夹，方便寻找“InstallSetting.ini”文件。虚拟现实项目制作模型设计需求2.33dsMax软件操作基础常用操作:（4）、基本操作3dsMax软件正常使用时，默认视图区分为顶视图、前视图、左视图和透视图。操作物体一般在透视图中通过ALT+鼠标中键（按住鼠标滚轮）转动显示视图窗口，鼠标中键（按住鼠标滚轮）移动视图窗口，滚轮滑动鼠标中键放大缩小视图窗口。当鼠标光标放置于任意视图窗口按下Alt+W（最大化当前视图）快捷键可以将当前视图最大化显示或回复原有视图显示模式。视图区物体的操作使用到的是快捷键Q(选择)、快捷键W(移动)、快捷键E(旋转)、快捷键R(缩放)，对应工具栏图标从左到右依次是移动、旋转、缩放。特别需要注意的是所有对于物体的操作均需要先选择物体才能执行相应操作。3dsMax软件对于选择方式提供了如工具栏图标所示从左到右依次是点选择、名称选择、框选、窗口/交叉选择，一般常用点选和框选。

其他操作将在项目制作中根据具体项目需求进行对应讲解。虚拟现实项目制作模型设计需求2.4虚拟现实项目中三维模型文件导入在学习虚拟现实项目中三维模型文件导入前我们需要着重了解下FBX文件格式。FBX是Filmbox这套软件所使用的格式，也称Motionbuilder。因为Motionbuilder扮演的是动作制作的平台，所以在前端的modeling（模型）和后端的rendering（渲染）也都有赖于其它软件的配合，所以Motionbuilder在档案的转换上有着独特的研究。因此FBX最大的用途是用在诸如在3dsMax、Maya、Softimage等软件间进行模型、材质、动作和摄影机信息的互导，这样就可以发挥3dsMax和Maya等软件的各自优势。同样在虚拟现实项目制作中，FBX方案是最佳的互导方案，3dsMax模型转换为符合虚拟现实Unity引擎可使用的文件格式，FBX格式文件是最佳选择。在材质方面，FBX文件同样能够保留3dsMax或Maya多边形的贴图信息。因此在虚拟现实项目中如需将三维模型文件导入引擎中，制作人员只需要在3dsMax软件中导出FBX文件就能满足虚拟现实项目对模型制作的文件格式需求。虚拟现实项目制作模型设计需求2.5虚拟现实项目制作对模型设计制作的要求常规虚拟现实项目制作时，一般通过3dsMax软件或Maya软件导出后缀名为FBX的文件才能导入Unity引擎中。当然这只是格式要求，具体项目制作过程中根据每个项目组或企业要求不能会有各种模型设计制作要求或标准。一般注意事项如下：（1）单位，比例统一。在制作模型前需提前设置好单位，在同一场景中的模型的单位设置必须一样，模型与模型之间的比例要正确，和程序的导入单位一致，这能保障在程序平台中需要缩放场景模型也可以统一调整缩放比例。统一单位按具体项目设定标准。如图所示单位设置在自定义命令下，在单位设置面板中一般设置单位为厘米，如制作大型场景可设置单位为米，系统单位设置需统一，同一项目应保持统一单位。虚拟现实项目制作模型设计需求2.5虚拟现实项目制作对模型设计制作的要求（2）模型规范。所有角色模型应立于世界坐标原点，没有特定要求时，以物体对象中心为轴心。如图1所示，将军俑模型在移动选择模式下可以发现模型坐标轴已经在模型底部中心位置。如模型坐标轴不在模型中心位置或不在制作人员想要的位置，可如图2所示，在命令面板第三项修改命令面板下单击“修改”面板选择“仅影响轴”命令调整轴心位置。虚拟现实项目制作模型设计需求修改图1将军俑模型坐标轴展示图2设置坐标轴界面2.5虚拟现实项目制作对模型设计制作的要求（3）面数的控制。移动设备每个网格模型控制在300-1500个四边面将会达到比较好的效果。而对于桌面平台，理论数据范围是1500-4000个四边面。如果游戏中任意时刻内屏幕上出现了大量的角色，那么就应该降低每个角色的面数。正常单个物体控制在1000个四边面以下，整个屏幕应控制在7500个四边面以下。所有物体不超过20000个四边面，具体数值按实际项目要求调整。如图1所示，在视图左上角“+”→“xView”面板里勾选显示统计（快捷键是数字7，开关作用）。这时如图2所示，该场景中多边形物体长方体模型显示出6个多边形和8个顶点，其中屏幕显示的FPS为软件中每秒中填充图像的帧数(帧/秒)，数值由各人计算机硬件不同和场景内容不同显示不同数值，通过该数值的变化可科学发现软件操作画面是否流畅。虚拟现实项目制作模型设计需求图1显示统计图2数据显示03教材说明在虚拟现实专业人才培养体系中建议课程设置在中期专业核心课阶