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在虛擬現實系統構建過程中使用3DS MAX
在虛擬現實系統構建過程中使用3DS MAX
國防科技大學自動控制系 黃衛平 李 林
摘要：3D Studio MAX 是Autodesk公司的子公司Kinetix推出的一種優秀的三維動畫造型軟件,它廣泛用于游戲、廣告、建筑等領域，是目前PC上最流行的三維動畫造型軟件。虛擬現實技術是計算機技術發展到一定階段的產物，它使計算機適應人而不是人適應計算機，它的發展應用日益廣泛、普及。本文擬就3DS MAX 在虛擬現實系統構建過程中的應用做一介紹。
1.虛擬現實簡介
虛擬現實（VR）是一種由計算機和電子技術創造的新世界，是一個看似真實的模擬環境，通過多種傳感設備用戶可根據自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界的物體進行考察或操作，參與其中的事件；同時提供視覺、聽覺、觸覺等多通道的.信息，用戶通過視、聽、摸等直觀而又自然的實時感知，并使參與者沉浸于模擬環境中。VR的三個最突出的特征，即它的3“I”特性：交互性（interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）、想象（ imagination）。
虛擬現實技術是在眾多相關技術如計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、傳感器技術、人工智能的基礎上發展起來的。虛擬現實技術在最近十年里獲得了極大的發展，這主要歸因于計算機軟、硬件條件的飛速發展，以及虛擬現實專用設備價格的下降和性能的提高。目前虛擬現實技術已經獲得了廣泛的應用，而且日益普及，不僅在諸如NASA的大型工程得到應用，也出現在一些游戲中，在一些高檔的PC機上甚至可以構建自己的個人PCVRS（個人虛擬現實系統）。
設計一個虛擬現實系統除了硬件條件一般個人無法定制外，能夠充分發揮個人能動性的就只能是在系統軟的方面下功夫了。設計一個VR
系統，首要的問題是創造一個虛擬環境，這個虛擬環境包括三維模型、三維聲音等，在這些要素中，因為在人的感覺中，視覺攝取的信息量最大，反應亦最為靈敏，所以創造一個逼真而又合理的模型，并且能夠實時動態地顯示是最重要的。虛擬現實系統構建的很大一部分工作也是建造逼真合適的三維模型。
2.3D Studio MAX 簡介
3D Studio MAX是Kinetix公司推出的一套強大的三維建模軟件,由于它是基于Win NT 或Win98平臺的，方便易學，又因其相對低廉的價格優勢,所以成為目前個人PC上最為流行的三維建模軟件。其3.0版本的推出，更是鞏固了它在個人PC平臺上的地位。它的3.0版本相較以前的版本有了明顯的改進,具體表現在以下幾個方面:
⑴
工作流模式使得工作組的協調更容易，效率更高。3D Studio MAX R3引入了工作流模式，在具體的實現上從外部參考體系（XRef）、示意視圖（Schematic View）的.引入以及現在3D MAX 可以使用其他程序從外部加以控制，而不必激活它的工作界面。
⑵ 易用性的改進。操作界面的改進是Release 3.0版本的最顯著的變化，除了外觀的變化之外，R3.0版本還增加了諸如用戶自定義界面、宏記錄、插件代碼、變換Gizmo、軌跡條等功能。
⑶ 渲染的改進。Autodesk公司在收購了以渲染和視頻技術聞名的Discreet Logic
公司，吸收了該公司的先進技術，3D MAX R3 對其渲染器幾乎做了重新設計，不僅增加了渲染的速度，而且提高了畫面渲染的質量。
⑷ 建模技術的增強。建模技術的增強是3D Studio MAX最重要、最突出的改進，這也是在虛擬現實系統構建中應用它的一個有力的原因。主要的改進包括：
① 細分曲面技術(Subdivision Surface) 。3DS MAX 包含了細分曲面技術，細分曲面技術是1998年以來業界最流行的建模技術，大有趕超NURBS技術之勢，它可以使模型建立更容易，而且效果更好。
② 柔性選擇。此項技術可以“部分地”選擇頂點，從而在變換頂點時獲得光滑、柔和的效果,這對建立復雜物體的模型時非常有用。
③ 曲面工具和改進的NURBS技術。使用曲面工具可以產生很復雜的“面片”模型，這亦是一種重要的建模方法，Release 3.0版本中的NURBS技術不但速度加快，而且增加了一系列方便、易用的功能。
⑸ 對游戲的更好支持。3D Studio MAX R3大大增強了對游戲的支持，而且這些特性也可以用于其他場合。
① 增加了角色動畫功能。Release 3.0版本內置了制作角色動畫的功能，可以方便制作人物或動物的動作、柔軟物體的效果以及變形效果。
② 頂點信息以及加強的貼圖坐標功能。現在可以對頂點著色，并增加了頂點的通道，增強了UVW Unwarp
的功能，并增加了World XYZ貼圖坐標。
此外，3D Studio MAX R3也顯著增強了動畫功能。
3. 3DS MAX 在VR系統構建過程中的應用
如前所述,VR系統要求實時動態逼真地模擬環境,考慮到硬件的限制和虛擬現實系統的實時性的要求,VR系統的建模與以造型為主的動畫建模方法有著顯著的不同,VR的建模大都采用模型分割、紋理映射等技術。目前VR中的虛擬場景的構造主要有以下途徑：基于模型的方法和IBR（基于圖像的繪制）方法兩種。這兩種方法都可以在3DS MAX中加以實現和驗證，下面具體展開加以說明。
3． 1 基于模型的構造方法。3DS MAX的幾何建模方法主要有多邊形（Polygon）建模、非均勻有理B樣條曲線建模（NURBS）、細分曲面技術建模（Subdivision Surface）。通常建立一個模型可以分別通過幾種方法得到，但有優劣、繁簡之分。
⑴ 多邊形建模。多邊形建模技術是最早采用的一種建模技術，它的思想很簡單，就是用小平面來模擬曲面，從而制作出各種形狀的三維物體，小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形但實際中多是三角形或矩形。使用多邊形建模可以通過直接創建基本的幾何體，再根據要求采用修改器調整物體形狀或通過使用放樣、曲面片造型、組合物體來制作虛擬現實作品。多邊形建模的主要優點是簡單、方便和快速但它難于生成光滑的曲面，故而多邊形建模技術適合于構造具有規則形狀的物體，如大部分的人造物體，同時可根據虛擬現實系統的要求，僅僅通過調整所建立模型的參數就可以獲得不同分辨率的模型，以適應虛擬場景實時顯示的需要。
⑵ NURBS建模。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines
（非均勻有理B樣條曲線）的縮寫，它純粹是計算機圖形學的一個數學概念。NURBS建模技術是最近4年來三維動畫最主要的建模方法之一，特別適合于創建光滑的、復雜的模型,而且在應用的廣泛性和模型的細節逼真性方面具有其他技術無可比擬的優勢。但由于NURBS建模必須使用曲面片作為其基本的建模單元，所以它也有以下局限性：NURBS曲面只有有限的幾種拓撲結構，導致它很難制作拓撲結構很復雜的物體(例如帶空洞的物體)；NURBS曲面片的基本結構是網格狀的,若模型比較復雜,會導致控制點急劇增加而難于控制;構造復雜模型時經常需要裁剪曲面,但大量裁剪容易導致計算錯誤;NURBS技術很難構造“帶有分枝的”物體。
⑶ 細分曲面技術。細分曲面技術是1998年才引入的三維建模方法，它解決了NURBS技術在建立曲面時面臨的困難，它使用任意多面體作為控制網格，然后自動根據控制網格來生成平滑的曲面。細分曲面技術的網格可以是任意形狀，因而可以很容易地構造出各種拓撲結構，并始終保持整個曲面的光滑性。細分曲面技術的.另一個重要特點是“細分”，就是只在物體的局部增加細節，而不必增加整個物體的復雜程度，同時還能維持增加了細節的物體的光滑性。但由于細分曲面技術是一種剛出現不久的技術，3D Studio MAX R3對它的支持還顯得稚嫩，還不能完成一些十分復雜的模型創作。
有了以上3DS MAX幾種建模方法的認識，就可以在為虛擬現實系統制作相應模型前,根據虛擬現實系統的要求選取合適的建模途徑,多快好省地完成虛擬現實的作品的制作。
在虛擬現實作品制作的時候應當遵循一個原則:在能夠保證視覺效果的前提下，盡量采用比較簡單的模型，而且若能夠用參數化方法構建的對象盡量用參數化方法構建，同時，在模型創作過程中，對模型進行分割，分別建模，以利于在虛擬現實系統中進行操作和考察。
對于復雜對象的運動或原理演示,
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