蔣紀平,胡萍,臧珊珊,趙明富

（河南科技學院信息工程學院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于3DMAX和VRP的農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳設計與構(gòu)建

蔣紀平,胡萍,臧珊珊,趙明富

（河南科技學院信息工程學院,河南新鄉(xiāng)453003）

虛擬場景是運用計算機技術(shù)對現(xiàn)實世界進行模擬仿真所創(chuàng)建的具有真實感的虛擬環(huán)境.研究主要利用3DMAX和VRP構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳,使用3DMAX進行基礎建模、材質(zhì)貼圖與烘焙,使用VRP進行后期的調(diào)整與交互制作,實現(xiàn)實時反射、人物在場景中行走、角色相機與行走相機、鼠標觸發(fā)事件等,形象逼真地展示三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳.

虛擬現(xiàn)實；農(nóng)產(chǎn)品展廳；3DMAX；VRP

三維虛擬場景是將現(xiàn)實存在的實體場景以虛擬的三維立體方式呈現(xiàn)出來,實現(xiàn)實體場景的科普教育及其他功能.農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳是指以數(shù)字化和多媒體技術(shù)作為展示技術(shù),結(jié)合獨到的數(shù)字創(chuàng)意宣傳內(nèi)容,以各類新穎的技術(shù)吸引參觀者,實現(xiàn)人機交互方式的農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳形式[1].它是一種新型的具有各種多媒體展示系統(tǒng)功能的平臺,通過對聲音、動畫、視頻組合運用,可以讓用戶隨時隨地在虛擬場景中體驗.展廳參觀者能在虛擬的農(nóng)產(chǎn)品展廳中隨意游覽,觀看展廳內(nèi)各種展品的三維仿真展示,并可以對三維虛擬展品進行操作,從各種視角查看三維虛擬展品,同時也可以觀看錄制的農(nóng)產(chǎn)品展廳內(nèi)部動畫并與虛擬展廳進行動態(tài)交互等,打破了傳統(tǒng)場館建設時間較長、展示方式落后、展館面積有限、展品更新慢、交通不便等困境[2],在很大程度上促進了農(nóng)產(chǎn)品技術(shù)的應用和推廣,促進農(nóng)業(yè)科技交流和培訓[3].本文選用3DMAX與VirtualReality Platform（VRP）作為技術(shù)支持,以農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳為例展開對三維虛擬場景構(gòu)建的探討和研究.

1 場景設計

三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳是將實體農(nóng)產(chǎn)品展廳的館外、館內(nèi)環(huán)境構(gòu)建成三維模型,展示實體農(nóng)產(chǎn)品展廳的科技內(nèi)容,盡可能多地提供虛擬交互操作,同時還提供一些實體農(nóng)產(chǎn)品展廳難以提供的多媒體交互等功能.

三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳的開發(fā)主要包括三個階段：查詢和搜集有關農(nóng)產(chǎn)品展廳資料進行場景規(guī)劃,進行農(nóng)產(chǎn)品展廳的三維建模、材質(zhì)與貼圖的創(chuàng)設與烘培,運用VRP對虛擬場景進行后期調(diào)整并實現(xiàn)虛擬交互控制的內(nèi)容進行研究.開發(fā)流程如圖1所示.

圖1 農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳總體設計Fig.1 Overalldesign ofvirtualexhibition hallofagriculturalproducts

在農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳中主要介紹一些新型農(nóng)作物以及一些比較稀有的果蔬產(chǎn)品,虛擬展廳是以實體展廳為基礎,應具有實體農(nóng)產(chǎn)品展廳的組成元素和基本功能.

2 模型構(gòu)建

對于三維農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳的構(gòu)建,主要利用3DMAX進行初期模型的制作,燈光、材質(zhì)與貼圖的創(chuàng)設與烘培.

2.1 基礎建模

根據(jù)所搜集的農(nóng)產(chǎn)品展廳資料、數(shù)據(jù)以及農(nóng)產(chǎn)品展廳的規(guī)劃圖,使用3DMAX進行建模.在建立模型時可以采用搭積木的方式進行拼接組合.對于農(nóng)產(chǎn)品展廳模型的建立,主要是先用擴展基本體中的L-Ext建立墻體,根據(jù)前期搜集的農(nóng)產(chǎn)品展廳的數(shù)據(jù)資料調(diào)節(jié)系數(shù),然后按照由外到里的順序依次構(gòu)建出其他模型.

2.2 材質(zhì)貼圖

3DMAX實現(xiàn)了從一個二維圖像被映射到場景中的一個三維物體模型上產(chǎn)生復雜的視覺效果的功能[4],為初期建立好的模型附以貼圖,可以營造事物真實的三維效果.在模型建立后,需要對模型的每一部分分配材質(zhì)和貼圖.同時,對前期搜集和處理過的圖片根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品展廳真實情況再次進行處理,以達到逼真的效果.在本研究所建的三維展廳模型中有很多展示牌和展板,主要使用Adobe Photoshop和Adobe Illustrator對前期搜集的圖片進行設計處理,大約36張左右,做成適合農(nóng)產(chǎn)品展廳使用的貼圖.

在附貼圖時,一般使用標準材質(zhì).通過在3DMAX的漫反射通道里加入一張貼圖可以為模型賦材質(zhì),一般使用“UVW貼圖”即可,在必要的時候使用“UVW展開”使貼圖更好地分布展開,看起來更加形象逼真[5].物體的貼圖只允許使用bmp、png、tga、dds、jpg這幾種格式.經(jīng)過對三維農(nóng)產(chǎn)品展廳的材質(zhì)與貼圖的調(diào)整,得到了比較逼真的模型,如圖2所示.

圖2 農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳模型Fig.2 Modelofvirtualexhibition hallofagriculturalproducts

2.3 烘焙

所謂烘焙就是將3DMAX場景中的燈光效果通過烘焙操作以貼圖的方式導入到VRP編輯器中,從而得到一個具有真實光影效果的虛擬現(xiàn)實場景[6].烘焙除了能夠增強虛擬現(xiàn)實場景的光影效果,還可以節(jié)省系統(tǒng)資源,提高場景的運行效率[7].在烘焙之前需要對場景中的模型使用層管理器進行分層,按照烘焙類型和尺寸進行“層”的劃分.分層之后,分別對每個層的模型進行渲染,即點擊工具欄“渲染”到“渲染到紋理”,然后在渲染面板中進行輸出與各個參數(shù)的設置.

3 后期交互

三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳的交互功能主要在VRP編輯器中實現(xiàn),通過模型調(diào)整與交互設置,使游覽者感覺在農(nóng)產(chǎn)品的三維展廳中漫游,自由地瀏覽農(nóng)產(chǎn)品,仿佛身臨其境.

3.1 模型導入

通過在VRP中安裝的插件可以將烘焙好的農(nóng)產(chǎn)品展廳模型從3DMAX中導入到VRP.模型的導入可以選擇直接調(diào)入VRP編輯器或者保存場景兩種方式.

3.2 模型材質(zhì)調(diào)整

為了使導入到VRP中的農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳模型的玻璃材質(zhì)、展板材質(zhì)以及樹模型等能夠更逼真地顯示,需要在VRP編輯器中對它們的參數(shù)進行調(diào)整.首先設置農(nóng)產(chǎn)品展廳模型展臺玻璃材質(zhì)的系數(shù),即分別對模型的材質(zhì)、光照系數(shù)、透明度、反射貼圖、混合模式等進行調(diào)整,使其顯示出玻璃材質(zhì)的效果.調(diào)整好了玻璃材質(zhì),接著就要對模型的展板、樹模型、亭子柱子等進行調(diào)整.對于像柱子、樹模型這類在3D MAX中沒有附材質(zhì)的模型,要增強其逼真效果,可以通過在VRP編輯器為其添加反射貼圖實現(xiàn),選擇合適的UV通道,并調(diào)整混合模式以及混合系數(shù),使其達到最優(yōu)效果.在VRP編輯器的作用下,經(jīng)過烘焙技術(shù)處理的圖片在其仿真環(huán)境下的光照效果非常好,且降低了系統(tǒng)的資源消耗[8].

3.3 交互制作

交互設置是三維虛擬場景構(gòu)建的一個重點,基于虛擬現(xiàn)實的多感知性、沉浸感、交互性和構(gòu)想性的特點,使用者既可以全景觀看預先制定的三維農(nóng)產(chǎn)品展廳的動畫展示,也可以實現(xiàn)交互式漫游功能,對三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳進行旋轉(zhuǎn)、全景等基本操作.

3.3.1 實時反射功能實現(xiàn)為了使地板能夠較真實地顯示,需要給地板設置實時反射功能,使地面上的模型或物體能夠反射到地板上,完成投影的效果.在這個過程中,需要先選定反射模型,即選定哪些模型會投影到地板,然后將它們編制成組group1.接著選擇地板模型,在VRP編輯器中對其設置一個反射貼圖,設置UV通道為campos,點擊實時反射按鈕,選擇group1,再在混合模式中調(diào)整合適的系數(shù)即可.

3.3.2 骨骼動畫與路徑動畫的實現(xiàn)用戶從VRP角色庫中調(diào)用一個模型之后,就可以從動作庫中為模型添加一個或多個動作.在VRP編輯器中繪制一條路徑,然后將角色綁定到路徑上面,可以實現(xiàn)模型角色沿著路徑行走的動畫效果[9],如圖3所示.

圖3 骨骼動畫與行走路徑設置Fig.3 Settingsofskeleton animation andwalkingpath

路徑編輯是對創(chuàng)建好的路徑,通過路徑運動選項設置綁定物體的路徑和路徑動畫的速度以及方向.根據(jù)場景的需要,在VRP編輯器中設置合適的參數(shù).

3.3.3 角色相機與行走相機設置使用者在三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳中漫游時,是以一定的視角來參觀整個農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳場景,因此需要在農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳中模擬合適的視角,即創(chuàng)建相應的相機.本場景中用到的有行走相機和角色控制相機.行走相機可以使用戶以第一人稱的視角觀察整個虛擬場景,并根據(jù)自己的需要隨意瀏覽.利用角色控制相機可以錄制一段農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳的展示動畫,提供給觀看者一個展廳內(nèi)部的瀏覽效果.

3.3.4 鼠標觸發(fā)事件的設置在VRP編輯器下,可以通過設置鼠標觸發(fā)來實現(xiàn)查詢并獲取相關模型屬性、開關控制音樂、連接數(shù)據(jù)庫、打開網(wǎng)頁、加載視頻等常用功能[10].

根據(jù)所構(gòu)建的農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳,設置按鈕的觸發(fā)事件.在此場景中設置了“角色相機”和“行走相機”兩個按鈕,并對他們添加鼠標事件腳本,如圖4所示.

圖4 角色相機按鈕添加的鼠標事件Fig.4 Mouseeventon role camerabutton

在該漫游動畫中,按鈕的觸發(fā)事件主要運用在相機的轉(zhuǎn)換和交替中,場景中分別有“角色控制01”和“行走相機”2個相機來實現(xiàn)三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳的展示,通過按鈕控制來完成切換和展示.點擊角色相機后將調(diào)出之前已經(jīng)錄制好的展廳展示動畫,點擊行走之后將顯示行走相機控制頁面,也就是展廳正面,可以由使用者自由控制進行瀏覽.

在高級面板大小控制中添加了滑竿,通過設置控件屬性,調(diào)出VRP編輯器,添加腳本來實現(xiàn)控制背景音樂以及解說詞的音量大小.

可以通過在模型上添加腳本來實現(xiàn)介紹說明目的的設置.在該農(nóng)產(chǎn)品展廳中有許多展臺展板,在展廳正面方向上的長形展臺上面擺放了15張小展板用來介紹多種果蔬,由于展板面積較小,所以使用者在瀏覽展廳時難以看清展板上面的具體信息.通過在各個小展板上面添加腳本實現(xiàn)了鼠標移入放大顯示展板信息的效果,解決了這一問題.具體操作步驟如下：首先在初級界面中創(chuàng)建面板,調(diào)整其大小與位置,并為其附上貼圖,即小展示板的放大顯示圖；接著在創(chuàng)建對象模型面板中選擇與剛才貼圖相對應的展板模型,在VRP編輯器中為其設置鼠標事件,分別設置鼠標移入、移出時的動作腳本.在為所有小展板模型添加動作腳本之后,當鼠標移入該模型,在展示頁面正上方就會出現(xiàn)該展板的詳細信息,當鼠標移出時,該展板的消息信息圖片就會消失[11].

3.4 發(fā)布輸出

在完成場景中所有模型的交互功能后,需要將其發(fā)布成單獨的界面.VRP可以輸出兩種類型的文件,一種是可以獨立運行的EXE文件,另一種是可網(wǎng)絡發(fā)布的VRPIE文件.本農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳模型將制作好的三維漫游動畫輸出為可單獨執(zhí)行的EXE文件,完成編譯之后就會在保存頁面出現(xiàn)EXE文件圖標,雙擊該文件即可觀看在VRP中制作完成的三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳動畫.

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

農(nóng)產(chǎn)品虛擬展廳系統(tǒng)的實現(xiàn)主要以3DMAX技術(shù)和VRP技術(shù)為技術(shù)支撐,進行虛擬實驗的設計與開發(fā).主要利用3DMAX進行三維基礎建模、材質(zhì)貼圖與烘焙；主要利用VRP實現(xiàn)虛擬實驗中的相機動畫和鼠標觸發(fā)事件等交互功能,形象逼真地展示三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳.輸出效果如圖5所示.

圖5 輸出效果Fig.5 Outputeffect

5 小結(jié)

三維虛擬場景的發(fā)展改變了以往實體場景展示的方式.采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)改進展示方式,讓使用者能夠以一種新的方式來汲取知識.本研究以三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳為例對基于3DMAX和VRP的虛擬場景構(gòu)建展開研究,以3DMAX作為前期建模工具構(gòu)建三維虛擬農(nóng)產(chǎn)品展廳模型,借助VRP軟件平臺再現(xiàn)了現(xiàn)代化農(nóng)產(chǎn)品展廳,并完成了交互設置等.構(gòu)建過程相對簡易,為虛擬場景的構(gòu)建提供了一種借鑒.

[1]李欣.虛擬現(xiàn)實及其教育應用[M].北京：科學出版社,2008：4-7.

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（責任編輯：盧奇）

Design and construction of virtual exhibition hall of agricultural products based on the 3D MAX and VRP

JIANG Jiping,HU Ping,ZANG Shanshan,ZHAOMingfu
（Schoolof Information Engineering,Henan InstituteofScienceand Technology,Xinxiang453000,China）

Virtual scene is a kind of virtual environmentwhich is created by using computer technology to simulate the real world.In this study,3D MAX and VRPwere used to build virtual exhibition hall of agricultural products.3D MAX was used for basic modeling,texturing and baking,VRP was used to make real-time reflection,characters walking in the scene,role camera and walking camera and mouse triggering events and so on.The paper vividly displays the three-dimensional virtual agricultural products exhibition hall.

virtual scene；agricultural exhibition；3D MAX；VRP

G434

A

1008-7516（2017）03-0039-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.03.007

2016-11-18

新鄉(xiāng)市科技創(chuàng)新平臺建設項目（CP1406）

蔣紀平（1982―）,女,河南遂平人,碩士,講師.主要從事數(shù)字媒體研究.