【《音乐喷泉景观虚拟场景设计与自主漫游技术分析》4200字】

音乐喷泉景观虚拟场景设计与自主漫游技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u3055音乐喷泉景观虚拟场景设计与自主漫游技术分析 120891.1引言 1197691.2三维建模软件的选择 1206691.3构景元素的建模实现 236591.3.1创建立体模型 3319411.3.2水景观建模设计 4321531.3.3纹理贴图技术 444221.3.4场景整合 5253301.3.5模型导出 567271.4自主漫游功能的实现 61.1引言OpenGL提供了强大的函数库，使得三维应用程序的开发过程十分高效。但是在绘制函数方面，目前OpenGL提供的绘制函数较为简单，使得通过OpenGL进行高精度的三维场景建模，工作量较大且较为复杂。专业的3Dmax是目前最广泛应用的三维建模软件之一，其可以最大程度上提高三维建模效率以及建模质量。综合这二者的优点进行音乐水景观的开发工作，使得三维仿真变得更容易实现。1.2三维建模软件的选择三维建模软件的选取直接决定了景观设计过程的复杂度以及最后呈现的效果质量。目前市面上最常用的几款三维建模软件如3Dmax、Maya、Rhino、SketchUp等。3Dmax全称3DStudioMax是一款由Discreeet公司为PC平台开发的对三维动画进行渲染与制作的软件。3Dmax是目前国内使用最多的建模设计软件。精准建模和渲染效果出色是这款软件的特点；Maya同样是一款功能强大的三维建模软件，其主要使用于广告、电影领域；Rhino的特点是操作简单，且支持超清模型的输出格式，但是相较于其他几款软件，普及度较低；SketchUp来自于google公司，在动画领域使用较多，特点是简便且适合初学者用于学习。文献[60]中对这几款软件分别从三维建模能力和材质渲染能力进行横向对比，如表1.1所示。表1.1三维建模软件的各项性能对比建模能力对比软件兼容性简易性曲面建模使用普及度3Dmax★★★★★★★★★★★★★☆★★★★★Maya★★★☆★★★★★★★☆Rino★★★★★★★★★★★★★SketchUP★★★★★★★★★☆★★☆渲染能力对比软件效果效率特效使用普及度3Dmax★★★★★★★★★★★★☆★★★★★Maya★★★★★★★★★★★★★★★★☆Rino★★★★★★★★★★★SketchUp★★★★★☆☆★★☆注a：此表出自水晶石公司的《2015年三维软件性能评估报告》由表中可以看出，3Dmax虽然在曲面建模和细节处理能力不如Maya，但是在与操作系统的兼容稳定性和简易性等方面均十分突出。从综合能力考虑，本文最终选择3Dmax作为音乐水景观系统的开发软件。3Dmax软件提供的丰富的模型绘制工具和贴图编辑器，使得设计人员无论从三维结构或是纹理图案，都能对模拟对象进行更精细的描绘。另外，3Dmax提供了多边形、Bezier和NURBS三种建模方式，设计人员可以从容应对各种设计需求。面对一形状些较复杂，面数较多的模拟对象时，3Dmax建模速度快，并且能以较少的面表现出较高的模型质量的特点。3Dmax软件在本文的音乐水景观设计中，主要是负责对景观周围环境的设计，构建花草树木、房屋等模型，并设计添加相应的材质和贴图。最后以OBJ格式导出模型，并输入OpenGL搭建的水景观后台系统，与动态模拟景物一并整合，组成一个完整的音乐水景观系统，提升观感的逼真度。1.3构景元素的建模实现早期的工业产品设计主要以实现其功能为主，例如早期的手机设计过程中不会追求外形上的薄和轻，普遍都是黑色且又大又方的外形。而随着科学技术的不断发展，物质文明的不断提升，工业产品设计行业的要求不再只满足于功能的实现，还要求在外观上表现文化内涵或者是个体特性[61]。而在景观设计行业，更是如此。仅有水型的表演，无法使用户有身临其境的感受，也无法对音乐水景观的设计做出全面的客观评价。除了水型外，本文也十分注重其他重要的构景元素设计，例如花草树木、房屋、动物等。1.3.1创建立体模型三维水景观的效果模拟展示是3dmax应用的重要领域，在构景元素的设计过程中，景观整体的空间比例应着重考虑。同时我们应考虑光线和色彩在景观物体上的表现，在空间的营造和构建元素布局上力求和谐统一，色彩运用上应考虑构景元素在景观表演中的主次之分，突出和水型动作相呼应的元素，淡化背景里的元素[62]。景观整体的布局和造型在某种程度上要表现出丰富的文化内涵又要体现个体的特性，是景观美化的重点，也是景观设计的难点。本文以音乐水景观中的主体，房屋和树木为例，对具体建模过程进行介绍。（1）粗模制作对于房屋的绘制，首先在3Dmax中新建一个“标准基本体”，在下拉的选项的“类型”中选择“长方体”作为房屋的主体。另外再创建一个“扩展基本体”，在“类型”中选择“L型挤出”作为房屋的屋顶。对于树的绘制，首先在“标准基本体”面板中选择“圆锥体”作为树枝和树叶的基本模型，另外，再通过“扩展基本体”中选择“切脚圆柱体”作为树的树干和树根部分。（b）图1.1基础模型（2）精模细化基础模型创建完毕后，右键模型选择“属性”，对模型进行点、线、面调整，使基本体逐步呈现房屋和树木的雏形。随后将基础模型设置为半透明，将房屋分为两大区域，墙体和屋顶，将树木分为树叶和树干，进行点级别调整。将模型的级别设为多线条，这样可以通过增加线条的方式勾勒出房屋和树木的轮廓。随后，选择“可编辑多边形”模式，对粗模添加成百上千的点、线条和面，对模型不断进行反复雕琢，丰富模型细节。最后，协调房屋和树木各部分的比例，对墙体和树干进行光滑处理。整个模型完整创建的效果图如图1.2所示。（b）图1.2房屋、树木模型1.3.2水景观建模设计整个音乐水景观系统涉及构景元素较多，包含房屋、树木、草地、河道、石头等。景观内的所有元素均由3Dmax软件创建。模型构建的具体流程已在上一小节中详述，本小节主要从景观的整体布局来进行描述。整个水景观以房屋为中心布局，四周布置树木若干。纹理贴图的形式为地面添加草皮以及规划河道区域，所有构景元素环绕房屋和树木。最后构建若干石头的模型随机放置于草地和河道中，使整个景观更显逼真。图1.3景观整合1.3.3纹理贴图技术水景观模型构建完毕后，仍处于白模状态（未添加材质的三维立体模型）。为模型添加材质，可以使场景更显真实，例如通过将材质指定给物体对象，使物体具有反射或透光的效果[63]。同一个对象能够包含很多不同的材质，这些不同的材质均能起到不同的特效作用。纹理贴图技术是3Dmax中为模型添加材质最常用的方法之一。绘制模型的材质贴图是，需考虑模型的复杂程度以及所拥有的面数。在绘制贴图前，首先要对同一物体的每个面进行关联操作。对于同一物体不同面之间的拼接、光线的覆盖、光线的角度、光线的色泽等问题，在区域关联后得以进行有效处理。本文对景观各部分纹理贴图绘制过程的要点进行归纳：贴图命名。由于模型较多，为了景观元素的整理和管理工作更顺利，也为模型的扩展工作做好基础工作。本系统中的景观元素中，房屋贴图均已H-开头，地面贴图均已G-开头，后接具体景物的配音缩写，以及顺序编号。贴图大小：本文对屋顶、墙体、地面、河流等地方归为大贴图处，一般大小控制在512以内。如房屋的门窗、台阶、围栏、烟囱等处；地面的石头、花朵等对象的材质贴图，均控制在128-256区间内。贴图以png格式保存。并且贴图大小均为2的n次方，这样的好处是在导入OpenGL后方便对模型进行渲染工作。贴图取材。对于每一个部分的贴图设置要求纹理清晰，无色差。并且需要考虑如墙体、地面等连续贴图处，贴图色差和纹理的衔接问题，景观内部不能有多余的重复贴图。贴图整合。在各部分贴图绘制完成后，将景观内部元素的所有纹理贴图摆放紧凑整合到一张大贴图中，进行保存。这种存储方式大幅减少贴图数，便于管理，并且在OpenGL导入过程中可减少贴图与模型的匹配工作。1.3.4场景整合在景观的三维立体模型构建好，同时设计每个部分的纹理贴图。最后将二者精确整合在一起，得到景观全貌，其整体效果如图1.4所示。图1.4景观全貌1.3.5模型导出3Dmax软件在对模拟对象建模完成后，可导出的格式众多。本文在3Dmax中创建的模型包含很多三角面片，3Dmax以三角面片的形式存储建模对象的所有信息，并导出文件。当使用OpenGL导入该文件时，只需读取三角面片内的信息即可将模型重新构建出来。目前3Dmax中常用的导出格式有WRL和OBJ两种。这两种导出格式各有优势，WRL存储信息较完整，并且格式较简单，更容易转换成二进制用于读取，目前大多数的建模软件均支持WRL文件的导入，且信息丢失情况较少，未来有望成为建模软件的标准传输格式。但其缺点是信息组成较复杂，软件对该文件的信息处理速度普遍较慢，且CAD仍不支持改格式的导入。而OBJ格式相比于WRL建模软件对其读取速度较慢，但是其转换后的二进制格式组成较简单，对信息的处理能力更强，在OpenGL中对模型的调整更灵活更快速。但OBJ文件中不包含材质贴图，3Dmax在导出文件时，需要额外存放贴图文件。OpenGL在导入该文件后也需要不断地调整，找到模型与贴图的最佳位置。这两种格式类型均符合本文要求，但是考虑到模型在导入OpenGL后还需要与粒子系统进行呼应调整。OBJ格式数据较小和对信息高效处理能力的特点更符合本系统的需求。图1.5导出文件1.4自主漫游功能的实现在音乐水景观的设计过程中，为了验证景观设计的合理性，我们往往需要多角度地对景观本身进行观察，实现观察者在系统中可以进行前后左右的移动。这就需要为水景观引入相机系统。OpenGL本身是没有相机系统的概念，但是我们可以将场景中的物体进行相反方向的移动，来营造出相机在三维场景中移动的效果，从而实现相机系统。我们所看到的相机观察空间，可以看做是以相机的视角作为原点，建立了一个三轴的坐标系，我们将此称为世界坐标系。要定义一个摄像机，我们以这个坐标空间为基础，在相机上以观察的方向、一个指向其右侧的方向和一个指向其上方的方向建立一个新的三轴互相垂直的坐标系，我们将此称为相机坐标系，如图1.6所示：图1.6世界坐标系下的三维点通过观察者矩阵变换到相机坐标系下，并投影到像平面I上由图可知，首先我们需要得到一个从世界坐标原点指向相机位置的向量。Zc轴是指向观察者的方向，例如我们若想向前移动，则相机将沿着z轴坐标的负方向移动。我们可以利用向量之间的角度计算得出相机空间中相机的观察方向，这相当于摄像机空间的Zc轴。下一步是确定相机的右轴，我们定义一个垂直于平面且向上的向量，将此上向量与相机坐标系的Zc轴进行叉乘，便得到了右轴，即相机坐标系的Xc轴。最后只需要将相机坐标系的Zc轴和Xc轴进行叉乘，变得到了相机的上轴，即相机空间的Yc轴。在