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三维建模在虚拟现实技术中的研究与应用

作者：朱亮

来源：《健康科学》2018年第10期

摘要：虚拟现实技术提供了人们新的感官体验形式，也逐渐改变了我们学习、工作与生活的方式。虚拟现实技术未来发展前景非常广阔，需要大量内容进行填充，而三维建模保证虚拟现实技术内容的制造与生产，对提高虚拟现实技术内容效率和质量具有重要作用。 关键词：三维；建模；虚拟现实

“十三五”时期是全面建成小康社会和进入创新型国家行列的决胜阶段，是深入实施创新驱动发展战略、全面深化科技体制改革的关键时期。大力发展新一代信息技术，突破虚实融合渲染、真三维呈现、实时定位注册、适人性虚拟现实技术等一批关键技术。在工业、医疗、文化、娱乐等行业实现专业化和大众化的示范应用，培育虚拟现实与增强现实产业，三维建模对于虚拟现实技术内容提供方式具有重要作用，优化三维建模方式，提供三维建模效率，是促进虚拟现实技术发展的重要途径。 一、功能需求分析

建模需求分析方法参考软件工程的项目需求分析方法，其主要是根据虚拟实验室的建设需求，分析虚拟实验室的整体表达框架，实地调研实验室的位置、面积、高度、朝向、温度、湿度等环境因素，建筑设施、实验设施、实验设备等设备元素，电源開关打开、信号产生、信号的输出、信号的显示、与其他设备的连接等操作元素，实地调研过程中还需要注意与实验老师详细沟通实验室设计的目标、规划以及实现，同时对学生们的实验需求进行分析归纳，获得初步的需求分析报告后，由虚拟实验室开发者对其进行去粗取精、去伪存真、正确理解，使用形式化功能规约表达出虚拟实验室的逻辑模型，编写详细的虚拟实验室需求规格书，和用户确认软件需求的具体条款。 二、系统要求

虚拟实验室在设计过程中，需要着重保证用户使用的真实感、易修改、易使用、效率高等特点。因此对虚拟实验室的开发环境、时效、精细度也有一定的要求。 1.硬件平台

虚拟实验室采用普通硬件平台为支撑环境，能够适应一般学生用户的实际需求。主频以上，显存以上，满足三维显示的流畅需求，三维模型细节充分，光影效果合理。 2.操作系统

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虚拟实验室采用Windows7为操作系统，符合最广泛用户的操作习惯，且能够适应一般学生用户的实际需求。 3.三维引擎

虚拟实验室采用为三维引擎，可实现可视化编程界面完成各种开发工作，高效脚本编辑，方便开发；自动瞬时导入，骨骼和动画直接导入，底层支持OpenGL和Direct11，简单实用的物理引擎，高质量粒子系统。 4.三维建模

虚拟实验室采用为三维引擎，能够容易修改物体的各类参数，容易与其他场景融合，支持物体、贴图等方面的删除、附加等操作，使用建立角色，多边形建立角色，面片建立角色，可以制成弯曲，扭转等。 5.时效需求

从人体视觉感知规律，每秒显示8图像帧，才能保持流畅性要求。而为了能够在民用低端显卡PC机上流畅运行，选择帧数为12帧左右。既满足了真实性、也满足了流畅性需求。 6.精细度要求

建筑类模型精细度要求：采集制作北京邮电大学的单体占地面积大于4*4的非临时建筑物外围轮廓要求模型结构准确特有结构不能省略细节表达准确。其中平面精度应保证其整体误差控制不超过3米，建筑总体高度误差控制在1米。

环境类模型精细度要求：主要为主楼广场地面、人行道、喷水池、树木、绿化、升旗台，其轮廓模型根据1：1000地形图与现场采集照片做模型与纹理，反应其高程、坐标特征。 实验类模型精细度要求：主要为模拟、数字电路实验的实验仪器、电子元器件等，其轮廓根据实物抽取，细节需精确至每一个按钮。 三、系统总体设计

系统总体设计需要完成功能实例规定，约定系统的实例功能；需要规划系统开发流程，确定设计的每一个步骤；需要对系统进行框架设计，整体上把握系统；需要对系统进行分层设计。

1.功能实例

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系统需要设计的基本场景包括第三人称漫游角色控制、场景模型观察、实验场景操作等等。

2.系统开发流程

根据虚拟实验室的规模、特点以及开发人员的工具、条件，本文系统主要利用实地照相釆集数据，釆用作为三维建模工具，利用对实地采集素材进行纹理处理，将模型导入中作为开发引擎，并将模型导入引擎。

（1）数据采集。虚拟实验室的素材采集数据主要包括整个环境地形、髙程数据，建筑、人行道、广场、水池、绿化以及其他设施的位置和尺寸。数据采集的方式包括两种，一种是查阅主楼规划图纸以及公示材料，另外一种是进行实地测量。由于测量条件和人力限制，本文采用数据查询方式，并结合公共地图引擎上的数据作为概要参考，得出需要建模的场景的尺寸。实验器材的参数主要是通过实际测量得出。

（2）素材采集。虚拟实验室素材收集的素材主要包括整个环境的地形、高程数据，主楼、人行道、广场、水池、绿化、其他设施、实验器材的电子照片。通过现场拍摄图片，利用进行图像优化处理。主要是先对图像进行裁剪和降噪，并利用魔法笔抠出需要添加纹理的部分，以满足模型构建的需求。

（3）三维建模。基于初步处理的照片，进一步利用进行处理，构建出虚拟实验室的主楼墙体、瓷砖，人行道地面、四槽，水池喷泉，绿化带，路灯等等，以及各类实验元器件、电源开关打开、信号产生、信号的输出、信号的显示、与其他设备的连接等操作元素的三维模型，对物体进行材质贴图，使模型更具有视觉真实感。

（4）Unity虚拟对象。利用将建立的三维模型导入三维引擎中，使其变为能被调用和处理的虚拟对象。然后添加动态组件和自定义组件，即可为虚拟对象加入交互能力，完成各个虚拟对象之间的人机交互、元素交互和视觉交互，从而搭建虚拟实验室系统。

（5）虚拟实验室发布。经过的处理，虚拟实验室能够运行于三维引擎中。为了提高系统的使用性和兼容性，需要将虚拟实验室转变为可执行文件，才能应用于每个用户的系统之中。因此，利用的发布功能，即可实现多个平台都能使用的虚拟实验室平台。

总结：首先完成对虚拟实验室的构建需求分析，利用软件工程的需求分析模型，归纳出虚拟实验室的基本功能包括虚拟实验场景展示、第一人称漫游、建筑、房间信息、三维建模。然后确定系统的面向用户及其分别具有的功能。再次，分析虚拟实验室的开发环境需求、时效需求和精细度需求，确保虚拟实验室运行的高效和真实性。最后完成系统总体设计，包括功能实例规定、系统开发流程、系统框架设计以及分层设计。通过需求分析与总体设计，完成三维建模和三维漫游的准备内容。 参考文献：