基于3ds Max的建筑虚拟场景建模及优化技术研究

摘 要：虚拟场景的建模是建筑效果图制作以及虚拟场景漫游系统实现的重要基础。本文重点阐述了使用3ds Max软件创建建筑及其周边环境模型以及进行模型优化的技术和方法。

关键词：虚拟场景；3ds Max；三维建模；模型优化

中图分类号：TP391.41

随着计算机软硬件技术的发展，三维技术以及虚拟现实技术在建筑设计表现中发挥着越来越重要的作用。利用计算机软件可以制作建筑效果图，或以建筑虚拟场景漫游来表现设计师的意图，让观众体验建筑的空间感受。制作三维模型是三维效果表现的关键步骤，是整个建筑虚拟场景漫游系统建立的基础。3ds Max是目前PC机上使用最广泛的三维建模软件，它的建模功能强大、制作流程高效简洁，并且拥有大量优秀的辅助插件，广泛应用于建筑设计、场景漫游等方面。使用3ds Max建模，建筑场景的规模越大，场景越复杂，建模时所形成的多边形就越多。如果整个场景中模型的数量和面数太多，那么就会影响场景显示的实时性。因此必须针对不同的对象运用适合的建模方法，并且采用一定的优化方法来解决模型精度与实时性之间的矛盾。

1 建筑虚拟场景模型的创建流程

图1 建筑虚拟场景模型的创建流程

（1）数据收集与处理。在场景建模之前，首先要对建筑场景实地取景拍摄、收集地形图、建筑图纸等，对于设计规划中的建筑场景，则应获得设计规划图纸或沙盘照片等，然后将图纸扫描存储待用。建模前的取景拍摄，一方面可以作为建模的参照，另一方面还可以通过Photoshop软件处理后作为模型贴图使用。对于场景中大量应用的贴图，在保证真实清晰的前提下，可以借助压缩软件压缩图片的大小，减少图片的数据量。

（2）CAD底图绘制。为了便于在3ds Max中进行三维建模，如果没有现成的建筑CAD图可以用，则需要根据收集整理的数据在AutoCAD中绘制出场景的二维平面地形图和每栋建筑的二维截面图。

（3）模型创建。包括主体模型的创建与地物环境模型的创建。首先导入单个封闭的CAD矢量底图，挤出建筑造型，进行3ds Max建模。然后创建花草树木、人物、汽车和喷泉等，丰富整个场景。

（4）优化处理。为了提高后期渲染和实时显示速度，对创建的场景模型进行优化处理，减少模型中面和点的数量，删除不可见面，简化模型。

（5）材质和贴图。给模型赋予材质和贴图。

（6）场景合并。将分开处理的各部分建筑和场景模型进行合并。

2 基于3dsMax的虚拟场景建模

2.1 主体建筑三维模型创建

3DS MAX中有多种三维建模方法，包括多边形建模、面片建模、NURBS建模、细分建模、复合建模等。建模时可针对不同对象的特点选用简单、快捷、优化的方法来进行建模，减少模型复杂度，便于后期场景合并和渲染输出。多边形建模方法简便快捷，可以创建任何表面，且能满足细节要求，通常用于创建场景中的主体建筑模型。

具体过程如下：首先要简化前期绘制的CAD底图，删除图纸中的图框、辅助线、数字、文字、填充图形等不属于建模的部分，将简化后的CAD图纸导入到3ds Max中，注意单位和位置，一般尽量让图纸中心在坐标原点。然后在二维底图上选择相应的多边形，为其添加Extrude（挤出）修改器，根据真实情况设置一定的挤出高度或数量，从而生成三维模型。再使用可编辑多边形工具，通过点的移动、边的连接、面的倒角、面的挤出等操作，为模型添加细节以接近真实形状[1]。此外，为了使模型制作尽量精简，建模中需要进行的布尔运算最好在二维图形中完成。例如，建筑物中窗户的制作，就是利用了图形合并的功能。最后再对生成的模型进行材质和贴图设置，即可完成主体建筑物的三维建模。

2.2 地物环境模型的创建

整个建筑场景中，除了主体建筑模型以外，还需要添加树木花草、道路、路灯、指示标、车辆、人物等地物模型，以更加真实地表现场景环境和氛围。

（1）环境中的植物模型创建。在创建建筑场景中的植物配景时，通常可以使用3ds Max支持的众多树木和花卉的绿化插件工具来完成，这样可以在很多程度上提高工作效率。常用的插件包括Speed Tree、Tree Storm、Forest Pack Pro、全息模型RPC等，并且大部分插件都可以使用事先制作好的“库”直接调取使用。其中，Speed Tree是一款非常实用的树木制作插件，它可以使用较少的多边形创建出高度逼真的树木和其他植物，一般用来创建近景树木。Tree Storm通过使用自身的库文件可以制作出自然界中大多数的树木模型，并且根据场景的需要对树木的树干、树枝等的数量进行设置，可以制作出不同精度的树木效果。Tree Storm通常用于制作要求不是很高的近景树木和中景树木。Forest Pack Pro插件是一款能在自定义区域、随坡度变化的表面制作出大面积树林、草丛、人群等场景的插件。它的面数相当少，主要通过贴图的形式来制作大量的环境，分布方式可以通过黑白图控制，是远景树木的首选制作插件。另外，RPC全息数据库也是场景环境创建的常用插件，它通过两个交叉面片加上贴图来实现花草树木等模型的显示，并且利用360°可旋转贴图，可以有效地减少场景中的面数[2]。

（2）其他配套辅助模型创建。对于场景中的平坦路面，可以根据CAD底图中提供的道路图形，使用编辑多边形工具完成道路的制作。可以在修改面板中对道路进行调整，必要时可以通过添加点来细化使道路接合准确。然后使用Extrude（挤出）命令修改Extrusion Height（挤出高度）设置路面高度，最后再赋予对应的材质。而对于其他辅助模型，如汽车、路灯、指示牌等的制作，则可以采用多边形建模并赋予透明材质来完成，这样既可以降低建模面数，又可以烘托主体建筑。

（3）远景配楼创建。某些规划类项目或大型场景中经常大量用到配楼，配楼一般不要求精致，但是形状的变化也是必不可少的，通常可以利用Greeble城市插件来快速创建。Greeble其实是一个Mesh修改器，它可以在一个三边面或四边面的平面对象上生成疏密不同、分布随意的楼体，楼体外观效果则可通过侧面贴图来表现[3]。

3 三维模型优化

多边形建模方法是使用3ds Max进行三维建模时最常用的方法，建模效果也较好。但是由于场景中包含有很多建筑模型和地物装饰模型，那么如果模型越精致，面数就会越多，整个场景模型的数据量就会增加，从而会影响场景渲染和显示的实时性。为解决这一问题，我们可以在不影响真实性的情况下，尽可能地对所建模型进行优化，降低场景面数和规模，减少场景的数据量。

（1）删除不可见面。由于模型的数据量主要由面片数决定，所以对于不可见面和琐碎细小的装饰性表面以及模型之间的重叠面、相交面在建模时应尽量移除。例如，墙体用line挤出后，除顶楼墙体是可见的，其余楼层不可见应删除。

（2）尽量减少模型面数。如在制作圆柱体或球体这类数据量较大的物体时，如果不需对其表面进行异形或浮雕处理，可将sides值减至10～12，Height Segment值降至1，删除多余的面，把保留面连接完整即可。因为一般情况下，圆柱体形体有8～12个面就可以满足精度要求，球体的Segment值设为16即能达到较好效果。又如采用LOFT（放样）方法建模的曲线形状模型，通常面数较多，这时我们可以通过减少放样的Shape Steps（形状步幅）和Path Steps（路径步幅）参数来精简放样物体的总面数。另外在制作室外场景的地面时，一般会采用Line（线）命令绘制出二维地面区域，然后将Extrude修改器的数量参数设置为0来得到地面模型，但这样的方法会产生不少多余的面。这时如果给line对象添加Editable Mesh、UVW Mapping、Editable Poly修改器，面数就会大大减少[4]。

（3）精简模型个数。对于场景中所赋材质相同的模型，可以分别赋予材质，调整好各自的贴图坐标，然后再用Attach（附加）或Collapse（塌陷）命令将这些相同材质的物体进行合并以减少模型个数。该方法可以大大减少场景中的路灯、树木、座椅等模型数量和总面数，从而降低内存占用率。

（4）用贴图代替模型。对于场景中的大门、窗户、围墙等复杂的镂空模型，最好使用Plane（平面）加透明贴图的方法创建，并将分段数设为最低，以减少模型面数。

（5）减少小数点位数。在建模时对于具体参数的设置，如Extrusion Height（挤出高度）、平铺的UVW值等，应尽量保证数据小数点前后的位数不要太多，以提高运行速度。

4 场景合并

为了能更方便地制作、优化模型、调节材质，场景中的模型应分开创建。在各建筑模型制作完成后，可按照CAD图纸位置在顶视图中进行模型对位，再切换到左视图或其他立面视图调整好z轴高度，并对每栋建筑进行塌陷，相同户型进行成组，不同户型要单独塌陷成组，最后再加上草坪路面等细节处理。

5 结束语

本文重点研究了使用3dsMax进行建筑虚拟场景建模的方法以及模型优化的技术，以解决模型的精细度与实时性之间的矛盾。采用以上建模和优化方法创建的建筑虚拟场景效果逼真，渲染和显示速度满足实时性要求，为后期场景漫游的实现奠定了良好基础。

参考文献：

[1]彭超，张国华.建筑动画解密――3dsMax大制作[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]火星时代.3ds Max&VRay建筑动画火星课堂（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[3]袁永美.基于3DS MAX的建筑动画制作技术[J].中国教育信息化，2010（21）：67-69.

[4]邹红等.3dsMax在虚拟场景建模中的应用[J].智能计算机与应用，2012，2（04）：75-77.

作者简介：李莹（1980-），女，陕西蓝田人，硕士，讲师，主要研究方向：图像与动画设计。

作者单位：陕西工业职业技术学院 信息工程学院，陕西咸阳 712000

基金项目：陕西工业职业技术学院科研项目（ZK11-08）。