三维虚拟港口设计.docx
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三维虚拟港口设计.docx
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三维虚拟港口设计
三维虚拟港口设计
摘要
虚拟漫游技术是虚拟现实(VR)技术的重要分支,它利用图形图像技术,将现实中存在或不存在的场景构建出来,然后利用3D编程技术,生成一个完整的可用于漫游的系统,用户通过操作键盘或鼠标,足不出户就能实现对该场景的漫游与交互,从而达到身临其境的主观感受。
在建筑、旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业发展很快。
虚拟港口是虚拟漫游技术的一个重要应用,它实现了对港口三维景观和船运环境的数字化和虚拟化,在港口的资源管理、环境规划和运营发展等许多方面发挥了重要的作用。
本课题主要完成了如下功能:
一、使用数码相机通过实地摄影采集舟山鸭蛋山码头的资料图片,通过使用GoogleEarth软件收集鸭蛋山码头的俯视图,再根据采集的资料利用建模软件3DsMax建立模型。
二、研究码头的建筑及其环境,使用Photoshop为模型构画材质贴图,为模型增加纹理效果,增加场景逼真度。
三、为场景添加灯光、摄影机及一些天气效果,完成逼真的港口场景。
通过本课题的研究,深入掌握了一些建模、纹理添加以及渲染的技术和方法,并对虚拟港口的漫游和交互进行了初步研究。
【关键词】虚拟现实,3DsMax,建模,漫游
DesignOf3DVirtualPort
ZhuYonghui
(DepartmentofElectronicandInformationEngineering,DongHaiScience&TechnologySchool316000)
ABSTRACT
TheVirtualWalk-throughtechnologyisanimportantcontentofVirtualRealityTechnology,Itappliesgraphicimagetechnologytoremodelingthescenesthatareeitherexistentorvirtual,andthenemploys3DProgrammingTechniqueswiththefinalaimtobuildacompletesystemaccessibletotheusersjustviaoperationofthekeyboardormouse.Thisverytechniqueenablestheusersandobjectsinthescenestointeractwithoneanother.Thustheusersareabletofeelwhatitisliketobepersonallyonthescene.itwasdevelopedinarchitecture,junketing,game,aviationspaceflight,medicinefastly.
VirtualCampusisanimportantapplicationofVirtualWalk-throughtechnology,Itimplementsthe3Dlandscapeoftheportandshippingenvironmentofdigitalandvirtual,intheportofresourcemanagement,environmentalplanningandoperationofmanyaspectsofdevelopmentplayedanimportantrole.
Thisissuewascompletedforthefollowingfunctions:
First,theuseofdigitalcameraphotographycollectedpicturesofYaDanshanPierinZhoushan,byusingtheGoogleEarthsoftwaretocollectduckhilloverlookingtheportmap,andthenaccordingtodatacollected3DsMaxusemodelingsoftwaretomodel.
Second,theconstructionofpiersandtheirenvironment,usingPhotoshopasamodelstructuredrawntextures,textureeffectsforthemodeltoincrease,increasescenerealism.
Third,forthescenetoaddlights,cameraandsomeweathereffects,realisticporttocompletethescene.
Throughresearchofthissubject,someunderstandingofthemodeling,texturing,andrenderingtechnologyandaddingmethods,androamingandinteractivevirtualportsapreliminarystudy.
【Keywords】VirtualReality,3DsMax,Modeling,Roam
1绪论
1.1课题背景及意义
二十一世纪伴随着以微电子技术为基础、计算机技术为核心、网络和通讯技术为热点的信息技术的飞速发展,图形图像技术的发展也如星星之火,呈燎原之势,成为信息时代的一大崭新亮点。
人们对虚拟世界的探索也越来越深入,人机界面的界线也越来越模糊,人们不再满足以前那种平面式的或二维式的操作和交互方式,在虚拟和现实之间有了更深一层的理解[3]。
虚拟港口,是虚拟现实技术在现代建筑中比较早的应用。
虚拟港口漫游系统的研究对今后虚拟港口的建设具有重要的实际意义。
将港口风光用虚拟仿真实现,既可以为港口树立良好的形象,提高港口的知名度,宣传当地的旅游文化,让来访者足不出户就可浏览港口风光和有关介绍信息,体验身临其境的感受;还可以作为港口规划的辅助工具,提港口园管理的现代化水平。
在将其与港口的有关信息相结合后,可以提供给船员及来往的旅客一个三维可视化的、有声有色的信息介绍与查询环境。
1.1.1虚拟现实技术
虚拟化技术起源于上世纪60年代,虚拟现实(VR)是利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户投入到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。
它是一种高逼真度地模拟人在自然环境中视觉、听觉、动感等行为的人机界面技术。
这种模拟给用户提供一种身临其境的体验,为用户提高最佳的人机通信方式。
虚拟现实(简称VR),又称灵境技术。
它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。
使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他客观限制,感受到真实世界中无法亲身经历的体验[5]。
VR技术具有超越现实的虚拟性。
虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。
它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形,故此又称为图形工作站。
目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站,但近来基于Intel奔腾III(IV代)代芯片的和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异,有可能异军突起。
图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设,目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。
其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时,提供高分辨率、大视场角的虚拟场景,并带有立体声耳机,可以使人产生强烈的浸没感。
其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能,包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。
虚拟现实技术的应用前景十分广阔。
它始于军事和航空航天领域的需求,但近年来,虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。
它正在改变着我们的生活[5]。
虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义,把这两个词放在一起,似乎没有意义,但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。
虚拟现实的明确定义不太好说,按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法,虚拟现实,又称假想现实,意味着“用电子计算机合成的人工世界”。
从此可以清楚地看到,这个领域与计算机有着不可分离的密切关系,信息科学是合成虚拟现实的基本前提。
1.1.2虚拟现实的特点
1)多感知性(Multi-Sensory)
所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。
由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种[11]。
2)浸没感(Immersion)
浸没感又称临场感,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假,使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,该环境中的一切看上去是真的,听上去是真的,动起来是真的,甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的,如同在现实世界中的感觉一样[11]。
3)交互性(Interactivity)
用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。
例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动[11]。
4)构想性(Imagination)
强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说,一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备,以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成[11]。
这里,虚拟环境处理器是VR系统的心脏,完成虚拟世界的产生和处理功能。
输入设备给VR系统提供来自用户的输入,并允许用户在虚拟环境中改变自己的位置、视线方向和视野,也允许改变虚拟环境中虚拟物体的位置和方向。
而输出设备是由VR系统把虚拟环境综合产生的各种感官信息输出给用户,使用户产生一种身临其境的逼真感。
1.1.3三维虚拟场景的应用前景
三维虚拟场景技术的应用广泛,如道路桥梁、教育、虚拟演播室、房地产开发、文物古迹、工业仿真、室内设计等诸多领域,最具代表性的应用在城市规划、军事模拟、游戏、地理等方面,以下列举一二:
1)在城市规划中的应用
三维虚拟场景技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面,可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料,方便大型复杂工程的规划、设计、投标、报批、管理,有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审,另外,三维虚拟场景所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成,严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景,对规划项目进行真实的“再现”,用户在三维场景中任意漫游,人机交互,这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现,减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾,大大提高了项目的评估质量[2]。
2)在游戏中的应用
三维游戏的快速发展得益于三维虚拟场景技术发展的推动,而三维游戏对三维虚拟场景技术的巨大需求也使得三维虚拟技术的不断进步。
电脑游戏自从其诞生之时便是在虚拟的环境下运行的,而三维虚拟场景技术正好迎合了这个方向。
电脑游戏从最初的文字游戏到现在的3D网游,三维虚拟场景技术极大的满足了玩家的欲望,可以模拟任何能够想象的到的游戏场景。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
美国作为VR技术的发源地,其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。
近年来,虚拟现实在美国航空航天和军事领域的若干成功应用所获得的巨大经济效益和社会效益,促使美国政府进一步加大了对虚拟现实技术研究的支持力度。
在美国虚拟现实在以下三个方面发挥重大作用:
(1)武器系统性能评价;
(2)武器操纵训练;
(3)指挥大规模军事演习。
虚拟现实的应用将大幅度降低以上三者所需的费用,极大地提高效益,并消除意外伤亡事故。
在军事领域,美国的主要研究单位为:
美国空军技术研究所(AirForceInstituteofTechnology)主要研究人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题,尤其对那些培养实际操作人员的环境感兴趣。
他们正在研制一种便宜的、实时网络化的飞行模拟器NPSNET4。
它使用SIMNET和分布式交互仿真两种协议进行主机之间的通信[11]。
NPSNET计划注意虚拟世界的系统在现实世界问题中的应用。
在航天领域,现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统,空间站VR训练系统,并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统;正致力于“虚拟行星探索”的试验计划[1],这一项目如果研究成功能使“虚拟探索者”利用虚拟环境来考察遥远的行星。
SRI研究中心也在致力于虚拟现实的研究。
该中心建立了“视觉感知计划”,将现有VR技术的进一步发展作为研究对象。
SRI目前已经进行的研究有;利用VR技术模拟军用飞机和车辆驾驶的训练,试图通过仿真来减少飞行事故;利用遥控技术仿真外科手术[1]。
美国政府对虚拟现实技术非常重视,他们支持的虚拟现实研究计划都是面向航空航天和军事应用的。
虚拟现实将在武器系统的性能评价和设计、操纵训练和大规模军事演习及战役指挥方面发挥重要作用,并产生巨大的经济效益。
美国已初步建成了一些洲际范围的分布式虚拟环境,并将有人操纵和半自主兵力引入虚拟的战役空间,在世界上处于领先地位。
除了政府和科研机构以外,美国的很多大学都在从事虚拟场景漫游的研究。
其中美国加州大学北卡分校及伯克利分校在这方面走在世界前沿,他们都拥有世界一流的漫游技术研究室,研究室里配有许多虚拟现实技术的设备,包括功能强大的图形工作站、高分辨率图形显示器、各种类型的头盔显示器(MHD)、数据手套、步行器等。
加州大学北卡分校的漫游技术研究室把建筑漫游作为自己的主要研究方向,到目前为止,他们完成的实时漫游大型建筑己达十个以上,其中至少有三项是在建筑施工前进行的事前仿真,让用户和设计者在工程开始之前,就可以对整个设计做出评估并反复修正设计方案。
日本虚拟现实技术的研究和开发水平目前处于世界的领先位置,其研究的水平仅仅次于美国。
日本在虚拟现实技术领域的研究重点是建立大规模虚拟现实知识库。
日本在利用虚拟现实技术开发游戏方面也做了很多研究,但是对于硬件设备的研究还不深入,其使用的大部分虚拟现实硬件都是从美国进口的[1]。
日本虚拟现实的研究机构也可以分为两类,一类是以东京大学为中心的高等学校,另一类则是几家以通信业务为主的公司。
东京大学有三个研究所都在进行着虚拟现实技术的研究,而且研究的方向各不相同。
其中高级科学研究中心主要进行远程控制方面的研究,最近正在进行系统的研究。
该系统中,用户通过控制一个模拟人手的随动机械人手臂来控制远程摄像系统。
而原岛研究室则主要开展了人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取3项研究。
广濑研究室则把研究的重点放到了虚拟现实的可视化问题上。
他们正在开发一种虚拟全息系统来克服当前显示和交互作用技术的局限性。
该研究所目前在虚拟现实技术方面的研究成果有以下几项:
飞行仿真器统、人体测量和模型随动、用HIMD在建筑群中漫游、一个类似CAVE的系统[1]。
除了东京大学以外,东京技术学院和筑波建筑工程机械学院也对虚拟现实技术进行了研究。
东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面,称为SPINAR(SpaceInterfaceDeviceforArtificialReality)的系统。
筑波大学工程机械学院主要对力反馈显示方法进行了一些研究并开发了九自由度的触觉输入器,开发了虚拟行走原型系统,步行者只要脚上穿上全方向的滑动装置,就可以自动的交替迈动左脚和右脚[1]。
1.2.2国内研究现状
我国VR技术研究起步较晚,与国外发达国家还有一定的差距,但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视,并根据我国的国情,制定了开展VR技术的研究计划。
九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入研究项目[11]。
国内一些重点院校,已积极投入到了这一领域的研究工作。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一,着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;实现了分布式虚拟环境网络设计,虚拟现实应用系统的开发平台等。
浙江大学开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法;哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题[11]。
虚拟现实技术在我国近些年发展极为迅速,被广泛的应用在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探测绘、生产制造、军事航天等数十个重要的行业,全世界的目光都聚焦于虚拟现实技术在中国的蓬勃发展。
流行一时的网络游戏,实质上也是虚拟现实技术的一种简单应用[11]。
武汉理工大学开发出了一套校园虚拟全景漫游系统,由该校网络信息中心与艺术与设计学院数码艺术系方兴工作室共同开发研制,历时四个月,横跨余家头、东、西院三个校区,共拍摄校园场景20余处,拍摄照片800多张,制作360度全景漫游。
2可行性分析
2.1虚拟场景建模技术
构造一个三维虚拟港口的主要工作之一就是运用现有的普遍流行的三维场景建模软件在计算机中生成一个和场景几乎一模一样的虚拟港口场景。
三维场景模型的设计在虚拟校园漫游系统中有着非常重要的地位。
随着研究的不断深入和应用的不断普及,用户对虚拟现实场景中的三维模型真实感的要求的不断提高,因此,选择合适的建模工具和合理的技术对于建立高质量的三维场景,满足用户的需求具有非常重要的作用[1]。
虚拟港口景中的各种模型是对现实港口中各种物体的形状重建,设计出各种虚拟的模型的创建虚拟港口的基础和重点,模型的质量直接影响到场景的真实性和沉浸性。
基于这些原因,设计系统之前,需要根据要创建的物体的特点选择合适的建模方法[8]。
目前,主要有三种虚拟现实建模方式:
第一种是利用现有的三维软件来进行建模的技术,第二种是完全采用各种原始图像来建模的技术,第三种是利用流行的建模语言来构造模型的技术。
2.1.1利用现有三维软件建模的技术
现如今,随着科技的发展,从最先进的军事、航空领域到普通的工业设计、产品展示、以及广告设计等方面,都采用了三维虚拟技术,如此,便需要各种各样的模型。
随软件行业的发展,现在已经有许许多多的三维建模软件普及到我们的生活当中,例如工业产品设计常用的AutoCAD;被用来设计游戏模型的3DsMax;常用来设计3D动画的Maya等等,这些都是我们生活中常接触到的软件。
AutoCAD对于运行环境要求较低,二维绘图比较强大,所以常用来设计复杂的建筑。
3DsMax功能强大,除普通建模外还可支持动画设计,而且支持上千种附属插件。
一般建模有如下步骤:
模拟
渲染
添加
纹理
雕琢
模型
绘制
低模
2.1.2利用图像建模的技术
利用图像建模的技术不需要创建三维模型,整个场景的生成都是利用二维图像的拼接来完成的。
在这种方式下,需要利用照相机来采集环境中各个物体的图像,也可以利用摄像机采集连续的视频作为基础资料,经过图像处理生成全景图像。
对采集到的图象要进行空间关联,建立起具有空间感的360度环形虚拟环境[7]。
这种技术下要生成不同视点处的场景画面需要借助于一些预置的图像(或环境映照)。
2.1.3利用建模语言建模的技术
利用建模软件生成的模型是纯三维的模型,可以在空间中任意的翻转摄像机来观察模型的各个面,但是这种空间的变换计算量很大,对硬件要求也很高,如果场景过于复杂,则容易出现机器瘫痪的现象。
而利用全景图像的建模方法只需要拍摄图片,不但开发的成本比较地,需要的人员少,还能够得到很真实的虚拟环境,可是这种方法需要收集大量的图片数据,而且对图片的精度要求也比较高,所以实现起来也有一定的困难[1]。
基于以上两种方法都各自存在一定的不足,程序设计人员逐渐研究出了第三种方法,通过编制程序来创建模型。
运用程序来建模的基本思想是,利用点线面等基本的数据来构造模型。
而点线面的生成则通过专门的函数来实现,对于创建好的点线面模型,还可以通过程序来为其添加上纹理、贴图、灯光和透明度等等[1]。
2.2开发环境
本课题主要运用3DStudioMax进行模型构画,3DStudioMax,常简称为3DsMax或MAX,是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。
其前身是基于DOS操作系统的3DStudio系列软件,最新版本是2011。
在WindowsNT出现以
图2-13DsMax9界面
前,工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。
3DStudioMax+WindowsNT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛,首选开始运用在电脑游戏中的动画制作,后更进一步开始参与影视片的特效制作,例如X战警II,最后的武士等。
在应用范围方面,广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。
拥有强大功能的3DSMAX被广泛地应用于电视及娱乐业中,比如片头动画和视频游戏的制作,深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DSMAX的杰作。
在影视特效方面也有一定的应用。
而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3DSMAX的使用率更是占据了绝对的优势。
根据不同行业的应用特点对3DSMAX的掌握程度也有不同的要求,建筑方面的应用相对来说要局限性大一些,它只要求单帧的渲染效果和环境效果,只涉及到比较简单的动画;片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大,特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些;影视特效方面的应用则把3DSMAX的功能发挥到了极至[6]。
2.2.1学习3DsMax需掌握的基本内容
1)三维空间能力的锻炼,熟练掌握视图、坐标与物体的位置关系。
应该要做到放眼过去就可以判断物体的空间位置关系,可以随心所欲地控制物体的位置[6]。
这是最基本的要掌握的内容,如果掌握不好,下面的所有内容都会受到影响。
2)基本的几个操作命令:
选择、移动、旋转、缩放、镜像、对齐、阵列、视图工具,这些命令是最常用也是最基本的,几乎所有制作都用到[6]。
3)二维图案的编辑,这是非常重要的一部分内容,很多三维物体的生成和效果都是取决于二维图案。
主要是用“EditSpline”来实现。
对于曲线图案的点、段、线编辑主要涉及到几个常用的命令:
AttachRefineOutlineBoonleanTrimWedFille
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