著VR（虛擬現實技術）的快速發展，三維建模技術在其中發揮著重要的作用，是虛擬現實技術的核心。本文研究探討了VR技術和三維建模技術，以及建模軟件3DMAX，還對VRML語言進行了分析論述。

引言

虛擬現實技術（VirtualReality，VR）通過使用計算機，運用一定的技術手段建造一個仿真的三維虛擬環境。VR技術通常具有如下的特征：

1）沉浸感。是指對象作為主角置身于虛幻世界中的逼真感受。

2）交互性。是指參與者對模擬世界中物體的可干預性以及從虛擬環境中得到效果反饋的自然程度。

3）自主性。強調VR技術應該擁有廣闊的可幻想空間，能夠拓展人類認知的領域，不僅可以逼真重現客觀世界，還可以構建虛幻的、甚至是奇幻的世界狀態。

當今時代日新月異，隨著計算機領域相關技術的迅猛發展，VR系統構建及技術進入網絡應用已然成為時下的一個實踐性熱點研究課題。具體來說，三維建模技術是VR系統的基礎，如果沒有專業VR建模工具提供支撐，VR系統將很難成功建立。而在完成復雜的虛擬現實場景的模擬建模時，研究中更多地使用了三維模型制作軟件。其中，3DMAX建模軟件是最趨廣泛與普及應用的。通過利用3DMAX建造虛擬環境或物體，安裝與其相對應的插件用于結果輸出，就能夠相對準確可靠地創建環境模型文檔了。

虛擬現實建模技術

在設計VR系統之前，首先需要創建一個虛擬環境（Environment）。在眾多因素中，視覺將關系到最為直觀和形象的用戶體驗，所以環境構建中，實時動態、逼真合理的呈現即成為至關重要的功能需求。

一旦模型建立起來，即可稱作一個系統的建立。系統能夠擁有一個物體或是多個群體，這樣的表現可以構成系統的模型。也就是說，系統模型以一個或多個方式存在。建模最初要完成的步驟，是給系統擬定一個標準，虛擬世界里存在眾多的對象物體，相對層次較為繁雜，因而必須包括其中全部涉及的對象。下面則對這一技術內容展開論述研究。

1.1 幾何建模

三維視覺建?？杉毞譃閹缀谓?GeometricModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、對象行為建模(ObjectBehaviorModeling)等。而在虛擬世界構建中高效關鍵的設計手段就是幾何建模。

物體對象的幾何信息可以用幾何建模(GeometricModeling)來描述，虛幻世界中的各個對象都可由形狀和外形2個要素來構成，而這2個要素又將分別由對象的其他因素來綜合確定。

1.1.1 Polygon（多邊形）建模

Polygon（多邊形）建模是基礎建模技術，就是用比較少量的網格多邊形進行編輯建模。運用這種方法，需要先刻畫一個基本的規則幾何體，再根據需求進一步修改對象細節部分，最后通過各種手段技術來營建虛擬現實的場景和對象。多邊形建模的缺點是不能夠生成曲面，但其操作簡單方便，而且時效性頗佳。polygons建模多用于游戲、動畫等領域中。

多邊形包括4個基本元素：頂點、邊、面、紋理坐標。

下面，本文將運用多邊形建模技術建造一個盾牌，實現過程用到了多邊形建模技術中，對物體面的變換、點的拉伸、以及多個幾何體互相拼接的過程，模型展示如圖1～圖3所示。

1.1.2 NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模

不同于多邊形建模，NURBS建模多是專門用來建造曲面對象。研究中可用曲線和曲面來刻畫NURBS建模對象，因此在NURBS里面建造一個銳利的邊則是不可能的完成任務。NURBS曲線的特征是可以在任意點上分割和合并，而Polygon的曲線卻無法做到這樣。NURBS建模通常適用于工業模型、產品設計。

下面，本文即運用NURBS建模設計一個杯子，在設計實現中將首先運用CV曲線工具設計出杯子的曲線，如圖4所示；再通過旋轉工具繪制杯子的初步模型，如圖5所示；接下來則

通過編輯曲線上的點來進一步修改杯子的輪廓，以達到理想的模型效果，如圖6所示；最后得到圖7，杯子模型最終完成。

1.1.3 Subdivision（細分表面技術）建模

Subdivision（細分表面技術）是近年來新興的一類建模技術。技術中匯集了NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模和Polygon建模的特點和優勢，適合搭建一些層次感豐富復雜的模型。而且，其建模工具簡單，操作方便，創作靜幀作品時是個不錯的選擇。

Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在對象表面的連續性問題?？坍嫷郊毠澋臅r候，比如高精度的調節，就是利用level參數進行區域性的調節。特別地，Subdivision（細分表面技術）能夠用于應對要求更高的建模。

綜上，將可根據用戶的實際需求來選擇最為恰當的建模方法，如此才能快速有效地達成效果目標。

1.2 虛擬現實中的物理建模

繼幾何建模發展流行之后，另外一種建模應運而生，就是物理建模。物理建模重點取決于科學合理的動態約束和運動方程的確立及求解。更改限制條件，互動環境即可自動解答更新的運動方程而且不存在顯著延遲現象。研究中，多是通過模擬對象的位移、碰撞檢測、旋轉、表面形變等方面來實現模型搭建。

下面將針對2種較為經典的物理建模技術：分形技術和粒子系統，分別給出技術綜述。

1.2.1 分形技術

分形技術用來表示具有自相似特征的數據集。一些復雜的不規則形狀對象的建模可以運用自相似這種結構。該技術最早應用于山川及水流的地理特性建模。分形技術雖然有其操作簡單的優點，但是計算量過大，技術實時性也隨即降低，所以只是適用于靜態遠景的建模中。

1.2.2 粒子系統

粒子系統屬于經典的物理建模系統。簡單的操作即可完成復雜運動的建模，由此構成了粒子系統。在虛擬現實中，粒子系統可以來表示焰火、流水、風雪、大雨、瀑布等自然現象。在虛擬現實中，粒子系統主要用于動態的、運動的物體建模。

1.3 虛擬現實中的行為建模

幾何建模與物理建模相結合，僅是可以局部呈現出一個視覺上感受真實的畫面特點，而若要建造一個逼真的虛擬環境世界，則還需要行為建模的參與和加入。

對象的運動與行為描述均可以通過行為建模的方式來執行設計操作。行為建模能夠準確貼切地描述虛擬現實的特點，如果沒有行為模型的實效支撐，那么任何VR的構建均不會存在任何意義。

在構造模型時，不但要設計實現模型外觀等表現特性，同時更要關聯實現模型物理特性，進而符合真實存在的行為習慣和應激的能力。

如果說幾何建模（GeometricModeling）技術主要是計算機圖形學領域的研究發展所得，那么，物理建模（PhysicalModeling）和行為建模（ObjectBehaviorModeling）就是多學科領域交叉的研究產物。必須結合多個領域的研究技術成果，才能夠建立優質且高端完善的行為模型。

3DMAX模型在虛擬現實中的應用

2.1 虛擬現實建模語言———VRML

VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一種能夠在網絡上發揮影響與作用的可以構建立體虛幻空間的仿真程序語言。運用網絡的用戶能夠瀏覽到由VRML創建的3D虛幻現實，改變時下網絡與用戶應用互動的局限性，使得用戶與計算機的需求互動更加便捷，從而全面展示了虛擬場景的沉浸性、交互性和自主性。

VRML語言具有描述性質，可以構造三維立體環境或物體。在構造的虛擬環境中，每個場景均由許多的節點來設計、部署并構成，因而對這些節點進行概述，并且生成wrl文件。

VRML與HTML相同，可以理解為是ASCII碼的描述性的語言。具體來說，就是一種碼文件，可用普通計算機中都包含的文本編輯器編寫，還能使用VRML語言的專業編輯器來編寫源程序。通過使用VRML，用戶可以自行構造出符合特定需求的模擬桌面場景。

2.2 3DMAX模型在VRML中的應用

VRML（虛擬現實建模語言）運用節點搭建環境，但是用節點來描述模型卻難能達到具體逼真的現實設計效果，而且也不容易模擬包含復雜面的形體。若運用3DMAX則能夠彌補這一不足?，F對其實現過程給出具體分析闡述。

1）用MAX模型建立VEML文件。

2）若要構建VRML的三維立體虛幻空間，首先需要啟用3DMAX，如此，將能夠輸出VRML97的文件。點擊3DMAX進入系統，并且使用各種建模方法搭建VR系統的實體化之后，就要單擊Create/Helpers，選擇VRML97；此時，會出現一個工具面板，面板上列示12個VRML輔助工具，分別是：Anchor（錨傳感器）、AudioClip（音頻剪裁板）、Background（背景）、Billboard（廣告牌）、Fog（霧）、InlineObject（在線幫助）、LOD（細節級別）、NavInfo（瀏覽信息）、ProxSensor（范圍傳感器）、Sound（聲音）、TimeSensor（時間傳感器）、TouchSensor（觸動傳感器）；相應地，就可添加協調輔助的工具，隨后單擊“File/Export”就會出現一個“SelectfiletoExport”對話框，點擊“保存類型”的下拉列表框，選取“VRML97（*.WRL）”類型文件，確定文件名后單擊“保存”；其后，出現“VRML97EXPORTER”對話框，選取系統默認值，點擊“OK”生成一個文件，文件的后綴就是WRL。

3）將MAX模型導入到VRML場景中。簡單說來，即是先將3DMAX模型導出，保存為3DS格式，再合并VRML。那些運用VRML開發設計的虛幻環境中，大部分實體都能夠在3DMAX中完成模型創建，最后獲得VRML形式的文件。比如，在建筑漫游環境里虛擬一部電梯（loft）。電梯模型可以運用前述提及的Polygon（多邊形建模）來構建生成，并保存為VRML格式文件。而后，可結合TouchSensor、TimeSensor和PositionInterpolator節點來達到電梯門拉開與關閉的場景視覺效果。

結束語

隨著當今計算機軟、硬件技術的迅速發展，VR技術的應用日趨廣泛，不僅在教育、軍事、醫療、建筑、航空等領域參與了成果創造，而且在娛樂、制造業等方面也發揮了重要的作用。

但在這方面的研究中，仍然存在諸多不足。因此，在計算機新興技術開拓發展的進程中，定會有更多、更新的可行方案來解決當下存在的研究難題，虛擬現實中的三維建模技術也必將獲得更大的發展空間及更為可觀的應用前景。

作者：吳桐桐 周國輝

來源：數字化企業網

編輯：e-works 張千慧

前，CAx可利用的CAD格式有很多，其中包括標準如IGES、STEP；商業版本SAT、x_t、JT等；開源版本Brep、STL、PLY等。

CAD 模型在幾何上是精確的，這就是它們有時被稱為“精確”模型的原因。另一方面，鑲嵌或刻面模型由三角形組成，只是模型的近似值，即使它們的刻面非常精細，有時很難分辨。

1.原生 CAD 格式

指特定 CAD 系統專有的格式，使用相應的MCAD軟件，將比幾何建模內核 CAD 格式或中性 CAD 格式擁有最多的信息并且更準確。

2.幾何建模內核 CAD 格式

幾何建模內核格式是原生 CAD 格式的基礎。由于這些格式具有更嚴格的標準，因此它們往往是比 STEP 或 IGES 更好的幾何信息來源。

SAT是ASCII，sab是二進制，而.asat和asab是專門用于程序集的。ACIS支持非流形幾何圖形。

XCGM是CATIACGM幾何核心的原生核心格式，因此被視為“原生“格式。

2.1SAT和x_t

SAT是ACIS的數據格式，ACIS是SpatialTechnology（后被達索收購）公司的幾何造型引擎，它集線框、曲面和實體造型于一體，并允許這三種表示共存于統一的數據結構中，作為成熟的商業三維引擎，ACIS的使用在CAx軟件中比較廣泛，所以SAT格式被支持的同樣廣泛。

x_t是Parasolid引擎的中性格式。Parasolid是另一種流行的商業幾何建模引擎，最初由ShapeData Limited開發，現在由SiemensPLM Software（前身為UGS）擁有。x_t格式被使用Parasolid作為CAD幾何核心的軟件所識別，可以作為相互間的數據交換格式，也有在CAM、CAE中作為中性格式的例子。

SAT和x_t作為商業中性格式，雖然它們精確表達幾何的能力非常完善，計算效率都很高，但其閉源和對應用協議的嚴格控制，導致使用這些中性格式受到來自技術與商業的限制，從而并不能被主流用戶和開發者所認可，所以作為產品數據交換應用非常有限。

當然使用ACIS和Parasolid作為核心來開發相關應用軟件另說，因為那只和開發者的商業模式有關，與產品數據交換和中性格式無關。

2.2JT

JT（Jupiter Tessellation）最初由EAI公司和惠普公司設計，開發了DirectModel Tookit。后西門子使用JT作為通用的互操作格式和數據存檔格式。2009年，ISO接受JT規范作為公開發布規范（PAS）。2010年中期，JT和STEPAP 242 XML在工業級別實現一起使用，以實現數據交換。2012年，JT被正式宣布為ISO標準（ISO14306：2012（ISOJT V1））3D可視化格式。

JT文件可以包含近似（分面）數據、精確的邊界表示面（NURBS）、產品和制造信息（PMI）和元數據。JT格式支持特定于CAD 的屬性和節點的場景圖。其壓縮技術用于存儲分面數據（三角形）。此格式的結構支持可視屬性、產品和制造信息（PMI）和元數據。同時對內容的異步流式處理有很好的支持。

由于JT支持幾乎所有重要的3DCAD格式，通過稱為“Multi-CAD”來組裝和處理各種數據組合，此Multi-CAD易于管理和更新，因為組合的CAD模型文件與其關聯的JT文件之間可以實現自動同步。JT文件最初設計是輕量級的，以適合通過互聯網協作。

目前JT格式的讀寫訪問需要專有開發庫支持，對外開放的也僅是C#一種，所以還無法自由的利用JT格式優勢，開發相關軟件中使用JT的助益還不明顯。

2.3Brep

Brep 格式是開源CAD引擎OpenCasecade的3D模型存儲格式，Brep允許存儲由頂點、邊緣、線、面、殼體、實體、復合體、邊三角剖分、面三角剖分、三角剖面、空間位置和方向等組成的模型。任何此類模型集都可以存儲為單個模型，并組成成模型復合體。

Brep格式可以包含了精確表達數據如ModelingData、ExchangeData、近似（分面）表達數據如MeshData。

Brep作為開源引擎OpenCasecade的數據存儲格式，不僅可以使用交互的方式來創建、顯示和修改曲線、曲面和拓樸形狀，還可以以腳本（script）的方式來使用，并可用腳本的方式來對其造型內核進行自動化測試（Tests）。在現在CAx相關軟件開發中，其開源特性，跨平臺特性和免費使用特性，以及完善的產品數據表達結構，在一定程度上已經不僅被用于專有CAD模型格式，而進一步成為產品數據交互格式，用于在CAx間作為交換格式使用，并可在非CAD的CAx軟件的前后處理器中增加更改模型的交互操作能力。

Brep雖然不是嚴格意義上的中性格式，但目前有很多應用使用Brep格式作為產品數據交互的中間格式使用，很多CAx軟件前處理功能使用Brep作為數據存儲和交互方案。

3.中性 CAD 格式

目前，CAx可利用的中性格式有很多，其中包括標準如IGES、STEP；商業版本SAT、x_t、JT等；開源版本Brep、STL、PLY等。

VDA-FS表面模型標準，現已被 STEP 取代 （VDA-FS 代表 Verband der Automobilindustrie – Fl?chenschnittstelle）

3.1IGES

IGES（初始圖形交換規范）1.0版本是于1981年美國NBS正式發表的第一個產品數據交換規范，最后的版本為?V5.3于1996年發表。中國于1993年9月將IGES 3.0 作為國家推薦標準。

IGES模型是精確的曲面表達，盡管有用于實體表達的IGES標準（IGES-MSBO），但很少使用，其使用曲面表達實體時會帶來很多問題，另外IGES對實體幾何的信息攜帶較少。

IGES作為一個古老的規范（制定時為避免CAD廠商抵制，以規范而非標準發表），存在較多問題，但因已有數據基數龐大，規范簡單基本可滿足常規的數據交換要求，所以目前還是主流中性格式之一。對于開發CAx來說，精確表達中STEP標準更完善，IGES可作為兼容老舊數據的一個選擇（在國內，使用此規范的數據較少）。

3.2 STEP

STEP（產品模型數據交互）是一個正在完善中的“產品數據模型交換標準”。它是由國際標準化組織(ISO)工業自動化與集成技術委員會(TC184)下屬的第四分委會(SC4)于1994年首次制訂，正式代號為ISO-10303。STEP標準一直在更新，其子集和AP已達數百個，是現在最重要的中性格式，應用于工業各領域。

1997年研發了STEP-NC標準（ISO-DIS-14649），對于STEP/STEP-NC的應用已經成為工業化國家中的熱點研究對象，主要集中在數據庫、標準以及STEP-NC的控制器這三個方面。

STEP 標準也可劃分為兩部分：STEP標準的數據模型和工具。數據模型包括通用集成資源、應用集成資源、應用協議；工具包括描述方法、實現方法、一致性測試方法和抽象測試套件。STEP的數據模型描述方法是精確表達，覆蓋了曲面、實體及離散等各種表達方式。其具有簡便、可兼容性、壽命周期長和可擴展性的優點，能夠很好的解決信息集成問題。

STEP的中性格式是工業軟件產品數據交換必須支持的標準，也是各廠商間相互集成的普遍接受的方法，所以對于STEP格式的支持，是CAx軟件開發數據界面主要工作之一。

4.多邊形格式

出于 3D 打印、動畫或游戲開發的目的，CAD 格式通常會轉換為 STL 和 OBJ 等多邊形格式。多邊形格式是鑲嵌或刻面的，不包含 Brep CAD 模型中的任何工程信息，例如重量或體積。

3D PDF 是與沒有 CAD 系統或 CAD 查看器的人共享信息的理想格式；查看 3D PDF 文件只需要 Adob?e Acrobat Reader，幾乎每個人都有。

NGRAIN 在技術上不是多邊形，而是使用體素，可以描述為 3D“像素”，可用于可視化大型模型或裝配體。

STL 是 3D 打印的默認格式。STL 文件可以使用導出設置或通過多邊形縮減工具進行優化。

WebGL 文件可在任何支持 HTML5 的瀏覽器中查看和旋轉，無需插件，使其成為在線零件庫的理想選擇。

4.1STL

STL文件格式（Stereolithography，光固化立體造型術）是由3DSYSTEMS 公司于1988年制定的一個接口協議，是一種為快速原型制造技術服務的三維圖形文件格式，其目標是作為3D打?。ㄔ霾闹圃欤┑臄祿粨Q格式。STL文件由多個三角面片的定義組成，每個三角面片的定義包括三角形各個定點的三維坐標及三角形面片的法矢量。STL文件格式簡單，只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色材質等信息，是計算機圖形學處理CG,數字幾何處理如CAD,數字幾何工業應用,如三維打印機支持的最常見文件格式。許多CAM系統使用三角形化的模型，STL文件格式不是最有效轉換數據的方法，但此格式簡便到隨手可得，所以也常被CAM系統用于輸入三角化的幾何模型。

STL格式是近似表達的格式，雖然不是國標標準組織發表的規范，但其簡單易用的格式定義和應用開發方式，可參數化控制輸出質量的特性，其應用的廣度不斷擴展?，F在除其原用途外，使用STL及其增強格式（增加了邊的描述）主要用于三方面應用：

• 幾何質量檢查和修復：針對三角形的計算，檢查和修復幾何未封閉或干涉的質量便捷性和效率要遠高于基于曲面和實體的計算；
• 網格重劃：基于三角面片離散幾何進行網格重劃是網格劃分的重要方法。當前主要的網格劃分方式，一為對曲線曲面離散后的劃分，二是在STL三角面片上重劃分，兩者基本原理相同，但技術實現上已經形成兩個流派；
• 可視化：STL格式是只包含封閉面幾何的簡易形式，非常適合作為可視化格式，為了進一步增強可視化應用，STL可以自定義擴展屬性來附帶增強信息，如邊、拓撲關系，材料等。

4.2 PLY

PLY（PolygonFile Format-多邊形文檔格式）于1994年在史丹佛大學圖學實驗室的MarcLevoy教授指導下，由GregTurk及其他成員提出。該格式主要用以儲存立體掃描結果的三維數值，透過多邊形面片的集合描述三維物體，與其他格式相較之下這是較為簡單的方法。PLY多邊形文件格式的開發目標是建立一套針對多邊形模型的，結構簡單但是能夠滿足大多數圖形應用需要的模型格式，而且它允許以ASCII碼格式或二進制形式存儲文件。

PLY和STL格式同樣無法表示曲線、曲面，但PLY格式包含更多的模型信息，可以儲存的信息包含顏色、透明度、表面法向量、材質座標與數據可信度等，并能對多邊形的正反兩面設定不同的屬性，這使它可更好的應用于圖形學。PLY在工業領域應用不多，但它是圖形學研究領域中常用且重要的文件格式。

4.3OBJ

OBJ文件是Alias|Wavefront公司開發的一種3D模型文件格式，適合用于3D軟件模型之間的互導。OBJ格式面向的是三維設計和動畫軟件，其應用方向和CAD還是有較大差異。

目前的OBJ3.0文件格式，也是一種近似表達的格式，支持直線(Line)、多邊形(Polygon)、表面(Surface)和自由形態曲線(Free-formCurve)。

OBJ格式主要用途是在三維設計軟件間進行模型的交換，可用于可視化，用途不廣泛。

4.4X3D

X3D格式（含義是可擴展的3D）是2001年8月Wed3D協會（前身VRML協會）發布VRML（ISO/IEC14772-1：1997）的下一代開放標準文件格式和運行時體系結構國際標準，用于表示和傳遞3D場景和對象，所有基于X3D的應用都在一個開放的體系結構中，以構建支持各種領域和用戶的方案。

X3D 格式采用近似表達來表示三維數據（它是和可視化硬件支持密切相關的）。X3D具有一組豐富的組件化功能，可定制用工程和科學可視化、CAD和結構、地理空間、動畫、3D打印、3D掃描、AR/MR/VR等。

X3D格式作為一個開放的跨平臺標準，可以在大多數Web瀏覽器中呈現3D模型，而無需使用附加或專有應用程序。使用X3D開發模型可方便移植到其他平臺，如全息、頭戴式或其他顯示設備。

隨著虛擬應用在工業領域的應用越來越廣泛，X3D的應用以極快的速度豐富起來，例如在PDM和MES間產品數據交換時采用的X3DPDF方案，以及PLM中實現三維功能、性能、數字樣機的可視化交互。