次世代建模技术与虚拟现实应用实践.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期次世代建模技术与虚拟现实应用实践张贵龙,王 梅(通信作者)(四川旅游学院 四川 成都 610100)【摘摘要要】虚拟现实(virtual reality,VR)通过相关技术,创造出虚拟的数字空间世界,这个数字空间需要近似真实的数字模型,这便有了 VR 建模技术。建模技术对 VR 模型的逼真程度有十分重要的影响,因此对建模技术的研究变得有非常重要的意义。次世代建模技术就可以提供高质量的模型,未来相关硬件设备的突破,会使其在 VR 中占据很大的地位。通过一个次世代模型作品制作,介绍次世代建模的一般流程,探索如何将次世代建模技术应用于 VR 领域并一同探索如何运用次世代建模技术来发掘虚拟现实的潜力。【关关键键词词】虚虚拟拟现现实实技技术术;次次世世代代模模型型技技术术;建建模模;视视觉觉效效果果【中中图图分分类类号号】TP39 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0164-040 引言伴随着经济、文化、技术的飞速发展,大众不断且高效地获取大量信息,以及铺天遍地短视频侵入日常生活,部分受众也因此了解虚拟现实(virtual reality,VR)技术。但由于短视频的创作门槛比较低,且数量多,难免出现审美疲劳,受众就会对制作精细、画面真实的作品产生兴趣。与 VR 传统的建模技术相比,次世代模型可以建构追求视觉上逼真且系统的模型世界。而这种写实性的建模风格和特效设计,会给予 VR 受众不一样的体验。目前,与动画、电影相比,VR 并不需要那种庞大的建模量,因此能更好地用高精细的模型来展现视觉效果。基于此,展开对次世代建模技术与 VR 应用的探索。1 VR 技术1.1 VR 技术VR 是 20 世纪发展起来的一项全新的实用技术。VR技术涵盖计算机、电子信息、仿真技术,通过构建虚拟环境,能够使得使用者产生真实的体验感受,并让人们进入到虚拟环境当中应用系统的具体功能,以此使得用户有着沉浸式体验1。随着社会生产力和科学技术的不断发展,各行各业对VR 技术的需求日益旺盛2。其利用并综合三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果,借助计算机等设备,产生一个逼真的具有三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界,从而使身处虚拟世界中的人产生一种身临其境的感受。随着社会生产力和科技的不断发展,VR 技术也因此取得了长足的发展,逐渐成为新的科技领域。1.2 VR 建模VR 建模是利用 VR 技术,在虚拟的数字空间中的事物,VR 技术将数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感与测量技术、仿真与人工智能等多学科融于一体,为人们建立一个逼真、虚拟、互动的三维空间环境3。根据使用方式的不同,现有的 VR 建模方式主要可以分为:几何造型、扫描、基于图像等几种方法。以几何建模的建模技术需要专业设计师掌握相关的三维软件,才能创建出物体的三维模型,这一点对设计师的要求非常高,效率也不高。扫描仪以其精度高的优点得到了应用,但是由于测量设备本身占用的空间比较大,所以很容易受到空间、位置等因素的限制,从而在一些特定的情况下限制了它的使用,另外在后期的处理上也是有必要的。基于数字照片的三维建模技术可以根据物体的不同方向从不同角度拍摄数字照片。数码相机的内外参数只要确定,物体特征点的空间方位就能确定。物体的纹理特征用于区别其他物体外观。VR 系统中虚拟物体的逼真外观主要取决于其表面反射和纹理。在时间充裕的情况下,通过在对象上增加多边形,便能画出十分真实的图形表面。然而 VR 系统是一个典型的限时计算和显示系统,实时性要求较高。因此,省时纹理映射技术就被时常应用于几何建模中,用于处理对象的外观。它为场景给出一定程度的精确度和真实性;提供更丰富的立体空间信息;减少视觉多边形的数量,以提升画面的刷新率,提升复杂场景的实时动态呈现效果。2 次世代技术次世代源自日语,指的是下一个时代。次世代建模是次世代游戏建模标准的总称。低模型被伪装成高模型,用户看到的是高模型,让引擎运行的是低模型,画面质量和性能是平衡的。次世代三维技术利用法向映射描绘表面细节的凸凹变化,通过色彩映射,表现物体的色彩和质感;高亮地图表示物体在光照条件下的质感,增加地图的尺寸,并由次世代引擎打造发光、半透明、流动性等特殊效果。3 次世代模型制作流程找到一个合适的参考尤其重要,特别是对于次世代模型,创作者基于参考图理清思路。思考如何建,怎样建,可以减少建模过程中的失误,从而提高效率。部分模型在后期花费大量时间优化,其实只要前期对模型需要展现的视觉效果进行琢磨,结合自身经验,就可以减少这部分工作量;比如可能因为模型有许多不必要的面,却消耗掉大部分的计算量,因此建模前对参考图的思考很有必要。3.1 中模搭建根据参考进行首次模型制作俗称中模,中模主要是参考对象的形态塑造。次世代场景模型中,低模制作方法及461信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期软件种类繁多,无论是使用 Autodesk 3ds Max 或是 Maya,实际上都一样:利用基本形状快速搭建出一个大致的模型,这样就可以用来创建场景类的图像了,再进行大量的复制工作4。建模的环节对于后续的工作有很大的影响,在搭建模型时应该把握好,避免模型变形,在展开 UV 时便会事半功倍。做完中模再度检查:布线是否规则、有无多余点线面、面与面是否衔接好、各构件轴心正确与否等。只需确保中模建模标准,后面操作即可非常流畅;同时还可以避免后一个操作因前一个问题而造成修改甚至重来,图 1 为 Autodesk 3ds Max 软件制作的中模模型。图 1 Autodesk 3ds Max 软件制作的中模模型3.2 高模搭建中模搭建完成后,进一步细化模型使其成为足以还原设定细节的模型。除此之外,要顾及模型比例与实原画设定比例,使其有较高的完成度。模型可以基于中模构建高模,俗称高面数模型。正常的流程还得进入到 ZBrush 软件中,去雕琢,在 Autodesk 3ds Max 中无法做出的丰富的细节。对于完整度较高的刚体模型,采用对轮廓线两侧添加线(卡线)的形式来制作高模,相较于中模,高模精细得多,线的密度也非常高,面数越高,对设备需求越高。图 2为 Autodesk 3ds Max 软件卡线制作的高模模型。图 2 Autodesk 3ds Max 软件卡线的高模模型3.3 低模拓扑低模是场景中直接运行的模型,与高模相比,面数低很多,模型用面必须合理、充分利用,尽可能减少多余的点线面。将高模进行拓扑得到低模,制作过程就是依据布线规则将高模的精度降低。3.4 低模展 UV面对相对复杂的模型时,建模软件默认的投射方式一般达不到预期,只能通过对模型展开 UV 纹理,再绘制出合适的 UV 贴图来实现我们想要的贴图效果。所谓 UV 是UV 纹理贴图坐标的简称(它和空间模型的 X,Y,Z 轴是类似的)。它定义了图片上每个点的位置的信息,这些点与3D 模型是相互联系的,以决定表面纹理贴图的位置5。拆分 UV 是建模过程中十分重要的一部分操作,UV 的展开会直接影响到贴图对模型的展现。无论用什么软件来分 UV,都要保证 UV 空间尽可能用足。在保证能缩放 DDS 的情况下,尽量缩小各 UV 之间的间隔,最大限度地提高空间利用率。摊平 UV,是划分UV 的规划的准确与否,会直接影响到最后的测绘效果。所以需要花时间来计划,否则模具的高精度是没有用的。应当在划分 UV 时,尽可能地让展开后的 UV 边保持直线状态并保持整齐排列,以节约资源,提升 UV 的利用率。切线前的计划很有必要,能少切就少切。在这些结构的边缘可以有隐藏接缝的结构边,可以安排一些细节缝包装专门处理接缝。这些细节在增加高模完整度的同时,还能处理好低模阶段的拼缝。图 3 为展好的 UV 图。图 3 展好的 UV 图3.5 高、低模烘焙制作高模的作用就是将高精度的细节投射到低精度模型上,保证场景顺畅运行的同时以达到极致的画面效果。3.5.1 制作法线贴图法线贴图是一种显示三维模型更多细节的重要方法,它计算了模型表面因为灯光而产生的细节。这是二维的效果,并不会改变模型的形状,不过需要极大的额外细节。烘焙法线贴图,需要把拓扑好的 UV 信息烘焙到贴图561信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期里,用 Adobe Photoshop 或者 Substance Painter,对贴图进行绘制,做出高精度贴图,如图 4。在烘焙前,可以再对模型做一些检查,那些容易被忽略细节都正常了,烘焙也就自然而然地变得十分流畅。图 4 法线贴图3.5.2 制作其他贴图高光贴图,环境光遮蔽贴图,漫反射贴图等贴图是为了描述模型表面的材质,实质都是为模型增添细节,提高模型的逼真程度。将低模放进 Substance Painter 中进行一些贴图的制作也是不错的选择。这个环节可以制作一些高度贴图等,为模型增加更为丰富的细节配置。比如地上的污渍、磨痕什么的,这些效果都可以在 Substance Painter 中实现,想要制作逼真程度高的模型是需要创作者认真打磨的,如图 5。3.6 效果呈现把高精度贴图贴到低模上,使得低模看起来像高模,如图 6。将模型放到渲染器里,渲染出最终效果。完成次世代模型之后,将其放入游戏引擎中,可以更清晰地观察最终模型效果,因为在引擎中,金属材质的细节会变得更加逼真,在视觉上与渲染的效果有所差异,创作者再进行优化。通过对材质的不断改进从而使得最后呈现的模型更加符合创作者的需求,以及使对模型的观感有更加舒适的体验,更贴切在现实中的物品或人物。此过程主要是对模型进行最后的检查,是创作者在导入模型前最后的检查优化。4 次世代模型在 VR 中的应用4.1 可行性次世代技术与 VR 技术的联系点,是次世代技术能应用到 VR 技术中的主要原因。两者在静态模型的表现制作中都采取几何多边形的建模方式,并且经常用到的建模软件大体相同,Autodesk 3ds Max,Maya。其次,在实现过程中两者都考虑到了硬件设备对自身资源的利用和设备图 5 Substance Painter 内截图图 6 效果图的负担,因此无论是次世代建模技术还是 VR 技术,最终运用的模型都是低面模型。在引擎的使用上都是在用虚幻 4(unreal engine4,UE4)或 Unity3D,这三点使得次世代技术能应用到 VR 技术。4.2 导入步骤以模型导入 Unity 为例:打开 Unity,新建将要编辑的项目,然后将导出得到模型,将文件放入到项目下的Assets 文件夹中(Unity 会自动读取所支持的格式的文件)。进入到 Unity 中进行编辑,把模型直接从 Project 窗口拖拽到 Scene 建立场景。以上便是最基本的流程,基本回答了怎样从三维建模软件的模型到 VR 的过程。但在具体的应用中,针对不同的情况,还有很多复杂的编辑操作。4.3 次世代模型在 VR 中的应用随着科技的高速发展,各行各业对 VR 技术的需求不断攀升,其产品的交互体验也越来越成熟。不过由于普通建模技术还不能近似地模拟现实世界,在视觉效果661信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期的传递上不尽如人意,不能让体验者体验到“沉浸”6。而将普通建模用次世代建模技术代替,这个问题便能很好地解决。不过由于两者硬件设备的影响,导致将次世代模型导入 VR 软件中时,会消耗大量资源,硬件设备运算量巨大。总之,次世代建模技术对真实世界近似逼真的表现,与 VR 需要恰好对接,次世代建模技术因此能应用于 VR 中。5 结论VR 通过相关技术,创造出虚拟的数字空间世界,这个数字空间需要近似真实的数字模型,这便有了 VR 建模技术。建模技术对 VR 模型的逼真程度有十分重要的影响,因此对建模技术的研究变得有非常重要的意义,次世代建模技术就可以提供高质量的模型,未来相关硬件设备的突破,会使其在 VR 中发挥其全部的优点。建模技术由于技术本身的限制,使得视觉效果缺乏真实感,无法让人产生“身临其境”的体验。次世代建模技术具备先进的渲染和引擎技术,给体验者带来令人震撼的视听感受以及精致逼真的画面,使其能够获得真实的体验。因此,次世代建模技术应用于 VR 中已成为主流。【参考文献】1郭诗雅.“互联网+”视域下虚拟现实(VR)技术的交互设计及应用J.中国新通信,2022,24(19):61-63.2 陈璐,刘传.虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用策略探究J.吉林广播电视大学学报,2021(3):151-153.3 其乐木格.VR 技术对马头琴文化的保护与传承研究J.赤峰学院学报(汉文哲学社会科学版),2019,40(7):16-18.4 王兆霖.浅析次世代游戏模型的制作流程 J.科学技术创新,2022(4):77-81.5 岳芙蓉.基于深度学习的单视图三维人脸重建模型研究D.成都:电子科技大学,2022.6 廖观福.次世代建模技术在虚拟现实中的应用J.科学技术创新,2022(4):65-68.基金项目:2022 年度四川省教育厅人文社会科学(张大千研究中心)“张大千摹晚唐敦煌壁画中伎乐天三维数字化的应用研究”(ZDQ2022-24)。作者简介:张贵龙(2002),男,云南昆明,本科,研究方向:虚拟现实。(上接第 163 页)开发顺序步骤:A.注册成为智能云开发人员在使用智能云平台服务之前,您需要注册一个 WitCloud Developer 账户。单击以注册 Wit Cloud Developer 账户,将其分为“个人账户”B.创建产品在开发者中心点击“创建新产品”后输入产品名称以及选择对应设备接入方案即可完成“新产品”的创建。第一步,点击“创建新产品”;第二步,输入产品名称与选择设备接入方案;第三步,创建数据点,点击“新建数据点”,添加开关机数据点;第四步,下载云端自动生成的协议。C.设备与应用开发设备端访问:设计中把单片机设备采集的信息通过编写智能云连接协议 GAgent 的网络模块,即可通过智能云平台 Wi-Fi 模块无线通信实现设备组网和智能。通过 Wi-Fi 模块连接到智能云平台,实现 App 通过云控制智能设备。D.调试产品产品开发完成后,单片机系统数据在调试过程中,开发和调试设备将连接到 Wisdom Cloud Sandbox 服务器(测试服务器),将采集的电压值进行显示在对应的界面,并且可以进行控制充电开启以及关闭。5 结语本文设计的基于单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统,以单片机为核心,通过传感器将井下瓦斯浓度传给单片机,单片机经过处理,判断瓦斯浓度是否超标。当有害气体浓度超标时,会发出声光报警,开启继电器控制风扇进行空气浓度调节,直至浓度降到设定值以下。通过 Wi-Fi 模块传输到机智云端,还能在 OLED 显示屏显示,便于工作人员查看和控制。能够防止和避免事故发生,保证井下工作人员的安全。【参考文献】1 郭筠.矿井通风安全管理及通风事故的防范 J.中国金属通报,2021(11):138-139.2 邓然,邵鑫宇.基于物联网的矿井安全系统设计 J.无线互联科技,2021,18(21):73-74.3 郭泰,颜铤.基于物联网技术的矿井安全动态信息监测系统研究 J.能源与环保,2021,43(12):228-233,239.4 李绍民,董玉华.基于 Zigbee 的矿井安全监测系统设计J.大连民族学院学报,2014,16(5):512-516.5 张鹏.矿井安全监测监控系统的完善与发展 J.电子测试,2020(14):119-120.6 季国华.物联网技术在矿井安全监测平台的应用 J.电子技术与软件工程,2018(16):4-6.作者简介:何冬雪(1994),女,黑龙江五常,硕士,研究方向:煤矿瓦斯监测。761