基于3ds Max的建筑虛擬場(chǎng)景建模及優(yōu)化技術(shù)研究

摘 要：虛擬場(chǎng)景的建模是建筑效果圖制作以及虛擬場(chǎng)景漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)闡述了使用3ds Max軟件創(chuàng)建建筑及其周邊環(huán)境模型以及進(jìn)行模型優(yōu)化的技術(shù)和方法。

關(guān)鍵詞：虛擬場(chǎng)景；3ds Max；三維建模；模型優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP391.41

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，三維技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。利用計(jì)算機(jī)軟件可以制作建筑效果圖，或以建筑虛擬場(chǎng)景漫游來表現(xiàn)設(shè)計(jì)師的意圖，讓觀眾體驗(yàn)建筑的空間感受。制作三維模型是三維效果表現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，是整個(gè)建筑虛擬場(chǎng)景漫游系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。3ds Max是目前PC機(jī)上使用最廣泛的三維建模軟件，它的建模功能強(qiáng)大、制作流程高效簡(jiǎn)潔，并且擁有大量?jī)?yōu)秀的輔助插件，廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、場(chǎng)景漫游等方面。使用3ds Max建模，建筑場(chǎng)景的規(guī)模越大，場(chǎng)景越復(fù)雜，建模時(shí)所形成的多邊形就越多。如果整個(gè)場(chǎng)景中模型的數(shù)量和面數(shù)太多，那么就會(huì)影響場(chǎng)景顯示的實(shí)時(shí)性。因此必須針對(duì)不同的對(duì)象運(yùn)用適合的建模方法，并且采用一定的優(yōu)化方法來解決模型精度與實(shí)時(shí)性之間的矛盾。

1 建筑虛擬場(chǎng)景模型的創(chuàng)建流程

圖1 建筑虛擬場(chǎng)景模型的創(chuàng)建流程

（1）數(shù)據(jù)收集與處理。在場(chǎng)景建模之前，首先要對(duì)建筑場(chǎng)景實(shí)地取景拍攝、收集地形圖、建筑圖紙等，對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)劃中的建筑場(chǎng)景，則應(yīng)獲得設(shè)計(jì)規(guī)劃圖紙或沙盤照片等，然后將圖紙掃描存儲(chǔ)待用。建模前的取景拍攝，一方面可以作為建模的參照，另一方面還可以通過Photoshop軟件處理后作為模型貼圖使用。對(duì)于場(chǎng)景中大量應(yīng)用的貼圖，在保證真實(shí)清晰的前提下，可以借助壓縮軟件壓縮圖片的大小，減少圖片的數(shù)據(jù)量。

（2）CAD底圖繪制。為了便于在3ds Max中進(jìn)行三維建模，如果沒有現(xiàn)成的建筑CAD圖可以用，則需要根據(jù)收集整理的數(shù)據(jù)在AutoCAD中繪制出場(chǎng)景的二維平面地形圖和每棟建筑的二維截面圖。

（3）模型創(chuàng)建。包括主體模型的創(chuàng)建與地物環(huán)境模型的創(chuàng)建。首先導(dǎo)入單個(gè)封閉的CAD矢量底圖，擠出建筑造型，進(jìn)行3ds Max建模。然后創(chuàng)建花草樹木、人物、汽車和噴泉等，豐富整個(gè)場(chǎng)景。

（4）優(yōu)化處理。為了提高后期渲染和實(shí)時(shí)顯示速度，對(duì)創(chuàng)建的場(chǎng)景模型進(jìn)行優(yōu)化處理，減少模型中面和點(diǎn)的數(shù)量，刪除不可見面，簡(jiǎn)化模型。

（5）材質(zhì)和貼圖。給模型賦予材質(zhì)和貼圖。

（6）場(chǎng)景合并。將分開處理的各部分建筑和場(chǎng)景模型進(jìn)行合并。

2 基于3dsMax的虛擬場(chǎng)景建模

2.1 主體建筑三維模型創(chuàng)建

3DS MAX中有多種三維建模方法，包括多邊形建模、面片建模、NURBS建模、細(xì)分建模、復(fù)合建模等。建模時(shí)可針對(duì)不同對(duì)象的特點(diǎn)選用簡(jiǎn)單、快捷、優(yōu)化的方法來進(jìn)行建模，減少模型復(fù)雜度，便于后期場(chǎng)景合并和渲染輸出。多邊形建模方法簡(jiǎn)便快捷，可以創(chuàng)建任何表面，且能滿足細(xì)節(jié)要求，通常用于創(chuàng)建場(chǎng)景中的主體建筑模型。

具體過程如下：首先要簡(jiǎn)化前期繪制的CAD底圖，刪除圖紙中的圖框、輔助線、數(shù)字、文字、填充圖形等不屬于建模的部分，將簡(jiǎn)化后的CAD圖紙導(dǎo)入到3ds Max中，注意單位和位置，一般盡量讓圖紙中心在坐標(biāo)原點(diǎn)。然后在二維底圖上選擇相應(yīng)的多邊形，為其添加Extrude（擠出）修改器，根據(jù)真實(shí)情況設(shè)置一定的擠出高度或數(shù)量，從而生成三維模型。再使用可編輯多邊形工具，通過點(diǎn)的移動(dòng)、邊的連接、面的倒角、面的擠出等操作，為模型添加細(xì)節(jié)以接近真實(shí)形狀[1]。此外，為了使模型制作盡量精簡(jiǎn)，建模中需要進(jìn)行的布爾運(yùn)算最好在二維圖形中完成。例如，建筑物中窗戶的制作，就是利用了圖形合并的功能。最后再對(duì)生成的模型進(jìn)行材質(zhì)和貼圖設(shè)置，即可完成主體建筑物的三維建模。

2.2 地物環(huán)境模型的創(chuàng)建

整個(gè)建筑場(chǎng)景中，除了主體建筑模型以外，還需要添加樹木花草、道路、路燈、指示標(biāo)、車輛、人物等地物模型，以更加真實(shí)地表現(xiàn)場(chǎng)景環(huán)境和氛圍。

（1）環(huán)境中的植物模型創(chuàng)建。在創(chuàng)建建筑場(chǎng)景中的植物配景時(shí)，通?？梢允褂?ds Max支持的眾多樹木和花卉的綠化插件工具來完成，這樣可以在很多程度上提高工作效率。常用的插件包括Speed Tree、Tree Storm、Forest Pack Pro、全息模型RPC等，并且大部分插件都可以使用事先制作好的“庫”直接調(diào)取使用。其中，Speed Tree是一款非常實(shí)用的樹木制作插件，它可以使用較少的多邊形創(chuàng)建出高度逼真的樹木和其他植物，一般用來創(chuàng)建近景樹木。Tree Storm通過使用自身的庫文件可以制作出自然界中大多數(shù)的樹木模型，并且根據(jù)場(chǎng)景的需要對(duì)樹木的樹干、樹枝等的數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，可以制作出不同精度的樹木效果。Tree Storm通常用于制作要求不是很高的近景樹木和中景樹木。Forest Pack Pro插件是一款能在自定義區(qū)域、隨坡度變化的表面制作出大面積樹林、草叢、人群等場(chǎng)景的插件。它的面數(shù)相當(dāng)少，主要通過貼圖的形式來制作大量的環(huán)境，分布方式可以通過黑白圖控制，是遠(yuǎn)景樹木的首選制作插件。另外，RPC全息數(shù)據(jù)庫也是場(chǎng)景環(huán)境創(chuàng)建的常用插件，它通過兩個(gè)交叉面片加上貼圖來實(shí)現(xiàn)花草樹木等模型的顯示，并且利用360°可旋轉(zhuǎn)貼圖，可以有效地減少場(chǎng)景中的面數(shù)[2]。

（2）其他配套輔助模型創(chuàng)建。對(duì)于場(chǎng)景中的平坦路面，可以根據(jù)CAD底圖中提供的道路圖形，使用編輯多邊形工具完成道路的制作?？梢栽谛薷拿姘逯袑?duì)道路進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)可以通過添加點(diǎn)來細(xì)化使道路接合準(zhǔn)確。然后使用Extrude（擠出）命令修改Extrusion Height（擠出高度）設(shè)置路面高度，最后再賦予對(duì)應(yīng)的材質(zhì)。而對(duì)于其他輔助模型，如汽車、路燈、指示牌等的制作，則可以采用多邊形建模并賦予透明材質(zhì)來完成，這樣既可以降低建模面數(shù)，又可以烘托主體建筑。

（3）遠(yuǎn)景配樓創(chuàng)建。某些規(guī)劃類項(xiàng)目或大型場(chǎng)景中經(jīng)常大量用到配樓，配樓一般不要求精致，但是形狀的變化也是必不可少的，通?？梢岳肎reeble城市插件來快速創(chuàng)建。Greeble其實(shí)是一個(gè)Mesh修改器，它可以在一個(gè)三邊面或四邊面的平面對(duì)象上生成疏密不同、分布隨意的樓體，樓體外觀效果則可通過側(cè)面貼圖來表現(xiàn)[3]。

3 三維模型優(yōu)化

多邊形建模方法是使用3ds Max進(jìn)行三維建模時(shí)最常用的方法，建模效果也較好。但是由于場(chǎng)景中包含有很多建筑模型和地物裝飾模型，那么如果模型越精致，面數(shù)就會(huì)越多，整個(gè)場(chǎng)景模型的數(shù)據(jù)量就會(huì)增加，從而會(huì)影響場(chǎng)景渲染和顯示的實(shí)時(shí)性。為解決這一問題，我們可以在不影響真實(shí)性的情況下，盡可能地對(duì)所建模型進(jìn)行優(yōu)化，降低場(chǎng)景面數(shù)和規(guī)模，減少場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量。

（1）刪除不可見面。由于模型的數(shù)據(jù)量主要由面片數(shù)決定，所以對(duì)于不可見面和瑣碎細(xì)小的裝飾性表面以及模型之間的重疊面、相交面在建模時(shí)應(yīng)盡量移除。例如，墻體用line擠出后，除頂樓墻體是可見的，其余樓層不可見應(yīng)刪除。

（2）盡量減少模型面數(shù)。如在制作圓柱體或球體這類數(shù)據(jù)量較大的物體時(shí)，如果不需對(duì)其表面進(jìn)行異形或浮雕處理，可將sides值減至10～12，Height Segment值降至1，刪除多余的面，把保留面連接完整即可。因?yàn)橐话闱闆r下，圓柱體形體有8～12個(gè)面就可以滿足精度要求，球體的Segment值設(shè)為16即能達(dá)到較好效果。又如采用LOFT（放樣）方法建模的曲線形狀模型，通常面數(shù)較多，這時(shí)我們可以通過減少放樣的Shape Steps（形狀步幅）和Path Steps（路徑步幅）參數(shù)來精簡(jiǎn)放樣物體的總面數(shù)。另外在制作室外場(chǎng)景的地面時(shí)，一般會(huì)采用Line（線）命令繪制出二維地面區(qū)域，然后將Extrude修改器的數(shù)量參數(shù)設(shè)置為0來得到地面模型，但這樣的方法會(huì)產(chǎn)生不少多余的面。這時(shí)如果給line對(duì)象添加Editable Mesh、UVW Mapping、Editable Poly修改器，面數(shù)就會(huì)大大減少[4]。

（3）精簡(jiǎn)模型個(gè)數(shù)。對(duì)于場(chǎng)景中所賦材質(zhì)相同的模型，可以分別賦予材質(zhì)，調(diào)整好各自的貼圖坐標(biāo)，然后再用Attach（附加）或Collapse（塌陷）命令將這些相同材質(zhì)的物體進(jìn)行合并以減少模型個(gè)數(shù)。該方法可以大大減少場(chǎng)景中的路燈、樹木、座椅等模型數(shù)量和總面數(shù)，從而降低內(nèi)存占用率。

（4）用貼圖代替模型。對(duì)于場(chǎng)景中的大門、窗戶、圍墻等復(fù)雜的鏤空模型，最好使用Plane（平面）加透明貼圖的方法創(chuàng)建，并將分段數(shù)設(shè)為最低，以減少模型面數(shù)。

（5）減少小數(shù)點(diǎn)位數(shù)。在建模時(shí)對(duì)于具體參數(shù)的設(shè)置，如Extrusion Height（擠出高度）、平鋪的UVW值等，應(yīng)盡量保證數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)前后的位數(shù)不要太多，以提高運(yùn)行速度。

4 場(chǎng)景合并

為了能更方便地制作、優(yōu)化模型、調(diào)節(jié)材質(zhì)，場(chǎng)景中的模型應(yīng)分開創(chuàng)建。在各建筑模型制作完成后，可按照CAD圖紙位置在頂視圖中進(jìn)行模型對(duì)位，再切換到左視圖或其他立面視圖調(diào)整好z軸高度，并對(duì)每棟建筑進(jìn)行塌陷，相同戶型進(jìn)行成組，不同戶型要單獨(dú)塌陷成組，最后再加上草坪路面等細(xì)節(jié)處理。

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)研究了使用3dsMax進(jìn)行建筑虛擬場(chǎng)景建模的方法以及模型優(yōu)化的技術(shù)，以解決模型的精細(xì)度與實(shí)時(shí)性之間的矛盾。采用以上建模和優(yōu)化方法創(chuàng)建的建筑虛擬場(chǎng)景效果逼真，渲染和顯示速度滿足實(shí)時(shí)性要求，為后期場(chǎng)景漫游的實(shí)現(xiàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭超，張國華.建筑動(dòng)畫解密——3dsMax大制作[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]火星時(shí)代.3ds MaxVRay建筑動(dòng)畫火星課堂（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3]袁永美.基于3DS MAX的建筑動(dòng)畫制作技術(shù)[J].中國教育信息化，2010（21）：67-69.

[4]鄒紅等.3dsMax在虛擬場(chǎng)景建模中的應(yīng)用[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2012，2（04）：75-77.

作者簡(jiǎn)介：李瑩（1980-），女，陜西藍(lán)田人，碩士，講師，主要研究方向：圖像與動(dòng)畫設(shè)計(jì)。

作者單位：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西咸陽 712000

基金項(xiàng)目：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（ZK11-08）。