三維建模在虛擬現(xiàn)實技術中的研究與應用

摘要：虛擬現(xiàn)實技術提供了人們新的感官體驗形式，也逐漸改變了我們學習、工作與生活的方式。虛擬現(xiàn)實技術未來發(fā)展前景非常廣闊，需要大量內(nèi)容進行填充，而三維建模保證虛擬現(xiàn)實技術內(nèi)容的制造與生產(chǎn)，對提高虛擬現(xiàn)實技術內(nèi)容效率和質(zhì)量具有重要作用。

關鍵詞：三維；建模；虛擬現(xiàn)實

“十三五”時期是全面建成小康社會和進入創(chuàng)新型國家行列的決勝階段，是深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、全面深化科技體制改革的關鍵時期。大力發(fā)展新一代信息技術，突破虛實融合渲染、真三維呈現(xiàn)、實時定位注冊、適人性虛擬現(xiàn)實技術等一批關鍵技術。在工業(yè)、醫(yī)療、文化、娛樂等行業(yè)實現(xiàn)專業(yè)化和大眾化的示范應用，培育虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)，三維建模對于虛擬現(xiàn)實技術內(nèi)容提供方式具有重要作用，優(yōu)化三維建模方式，提供三維建模效率，是促進虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的重要途徑。

一、功能需求分析

建模需求分析方法參考軟件工程的項目需求分析方法，其主要是根據(jù)虛擬實驗室的建設需求，分析虛擬實驗室的整體表達框架，實地調(diào)研實驗室的位置、面積、高度、朝向、溫度、濕度等環(huán)境因素，建筑設施、實驗設施、實驗設備等設備元素，電源開關打開、信號產(chǎn)生、信號的輸出、信號的顯示、與其他設備的連接等操作元素，實地調(diào)研過程中還需要注意與實驗老師詳細溝通實驗室設計的目標、規(guī)劃以及實現(xiàn)，同時對學生們的實驗需求進行分析歸納，獲得初步的需求分析報告后，由虛擬實驗室開發(fā)者對其進行去粗取精、去偽存真、正確理解，使用形式化功能規(guī)約表達出虛擬實驗室的邏輯模型，編寫詳細的虛擬實驗室需求規(guī)格書，和用戶確認軟件需求的具體條款。

二、系統(tǒng)要求

虛擬實驗室在設計過程中，需要著重保證用戶使用的真實感、易修改、易使用、效率高等特點。因此對虛擬實驗室的開發(fā)環(huán)境、時效、精細度也有一定的要求。

1.硬件平臺

虛擬實驗室采用普通硬件平臺為支撐環(huán)境，能夠適應一般學生用戶的實際需求。主頻以上，顯存以上，滿足三維顯示的流暢需求，三維模型細節(jié)充分，光影效果合理。

2.操作系統(tǒng)

虛擬實驗室采用Windows7為操作系統(tǒng)，符合最廣泛用戶的操作習慣，且能夠適應一般學生用戶的實際需求。

3.三維引擎

虛擬實驗室采用為三維引擎，可實現(xiàn)可視化編程界面完成各種開發(fā)工作，高效腳本編輯，方便開發(fā)；自動瞬時導入，骨骼和動畫直接導入，底層支持OpenGL和Direct11，簡單實用的物理引擎，高質(zhì)量粒子系統(tǒng)。

4.三維建模

虛擬實驗室采用為三維引擎，能夠容易修改物體的各類參數(shù)，容易與其他場景融合，支持物體、貼圖等方面的刪除、附加等操作，使用建立角色，多邊形建立角色，面片建立角色，可以制成彎曲，扭轉等。

5.時效需求

從人體視覺感知規(guī)律，每秒顯示8圖像幀，才能保持流暢性要求。而為了能夠在民用低端顯卡PC機上流暢運行，選擇幀數(shù)為12幀左右。既滿足了真實性、也滿足了流暢性需求。

6.精細度要求

建筑類模型精細度要求：采集制作北京郵電大學的單體占地面積大于4*4的非臨時建筑物外圍輪廓要求模型結構準確特有結構不能省略細節(jié)表達準確。其中平面精度應保證其整體誤差控制不超過3米，建筑總體高度誤差控制在1米。

環(huán)境類模型精細度要求：主要為主樓廣場地面、人行道、噴水池、樹木、綠化、升旗臺，其輪廓模型根據(jù)1：1000地形圖與現(xiàn)場采集照片做模型與紋理，反應其高程、坐標特征。

實驗類模型精細度要求：主要為模擬、數(shù)字電路實驗的實驗儀器、電子元器件等，其輪廓根據(jù)實物抽取，細節(jié)需精確至每一個按鈕。

三、系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計需要完成功能實例規(guī)定，約定系統(tǒng)的實例功能；需要規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)流程，確定設計的每一個步驟；需要對系統(tǒng)進行框架設計，整體上把握系統(tǒng)；需要對系統(tǒng)進行分層設計。

1.功能實例

系統(tǒng)需要設計的基本場景包括第三人稱漫游角色控制、場景模型觀察、實驗場景操作等等。

2.系統(tǒng)開發(fā)流程

根據(jù)虛擬實驗室的規(guī)模、特點以及開發(fā)人員的工具、條件，本文系統(tǒng)主要利用實地照相釆集數(shù)據(jù)，釆用作為三維建模工具，利用對實地采集素材進行紋理處理，將模型導入中作為開發(fā)引擎，并將模型導入引擎。

（1）數(shù)據(jù)采集。虛擬實驗室的素材采集數(shù)據(jù)主要包括整個環(huán)境地形、髙程數(shù)據(jù)，建筑、人行道、廣場、水池、綠化以及其他設施的位置和尺寸。數(shù)據(jù)采集的方式包括兩種，一種是查閱主樓規(guī)劃圖紙以及公示材料，另外一種是進行實地測量。由于測量條件和人力限制，本文采用數(shù)據(jù)查詢方式，并結合公共地圖引擎上的數(shù)據(jù)作為概要參考，得出需要建模的場景的尺寸。實驗器材的參數(shù)主要是通過實際測量得出。

（2）素材采集。虛擬實驗室素材收集的素材主要包括整個環(huán)境的地形、高程數(shù)據(jù)，主樓、人行道、廣場、水池、綠化、其他設施、實驗器材的電子照片。通過現(xiàn)場拍攝圖片，利用進行圖像優(yōu)化處理。主要是先對圖像進行裁剪和降噪，并利用魔法筆摳出需要添加紋理的部分，以滿足模型構建的需求。

（3）三維建模。基于初步處理的照片，進一步利用進行處理，構建出虛擬實驗室的主樓墻體、瓷磚，人行道地面、四槽，水池噴泉，綠化帶，路燈等等，以及各類實驗元器件、電源開關打開、信號產(chǎn)生、信號的輸出、信號的顯示、與其他設備的連接等操作元素的三維模型，對物體進行材質(zhì)貼圖，使模型更具有視覺真實感。

（4）Unity虛擬對象。利用將建立的三維模型導入三維引擎中，使其變?yōu)槟鼙徽{(diào)用和處理的虛擬對象。然后添加動態(tài)組件和自定義組件，即可為虛擬對象加入交互能力，完成各個虛擬對象之間的人機交互、元素交互和視覺交互，從而搭建虛擬實驗室系統(tǒng)。

（5）虛擬實驗室發(fā)布。經(jīng)過的處理，虛擬實驗室能夠運行于三維引擎中。為了提高系統(tǒng)的使用性和兼容性，需要將虛擬實驗室轉變?yōu)榭蓤?zhí)行文件，才能應用于每個用戶的系統(tǒng)之中。因此，利用的發(fā)布功能，即可實現(xiàn)多個平臺都能使用的虛擬實驗室平臺。

總結：首先完成對虛擬實驗室的構建需求分析，利用軟件工程的需求分析模型，歸納出虛擬實驗室的基本功能包括虛擬實驗場景展示、第一人稱漫游、建筑、房間信息、三維建模。然后確定系統(tǒng)的面向用戶及其分別具有的功能。再次，分析虛擬實驗室的開發(fā)環(huán)境需求、時效需求和精細度需求，確保虛擬實驗室運行的高效和真實性。最后完成系統(tǒng)總體設計，包括功能實例規(guī)定、系統(tǒng)開發(fā)流程、系統(tǒng)框架設計以及分層設計。通過需求分析與總體設計，完成三維建模和三維漫游的準備內(nèi)容。

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