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基金项目：本论文为湖南省教育厅科研项目“基于虚拟现实技术的三维虚拟教学环境研究”，编号：13C652摘 要：虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。本文主要介绍虚拟现实技术在建筑场景制作中的应用，主要包括绘制故事板、建筑建模、材质和贴图制作、灯光和摄像机、动画渲染等内容。
关键词：虚拟现实技术；建筑场景；3DSMAX
1 虚拟现实技术的起源与发展
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)的概念由美国RPL研究公司的创始人杰伦•拉尼尔于20世纪60年代提出。早在1992年，在美国的东卡罗琳那大学成立了虚拟现实技术与教育实验室。英国在纽卡斯尔中学建立了以国际维度技术为基础的虚拟现实软件包，探索用虚拟现实进行外语和工业安全培训的方法。目前国内的很多高校和企业也都开展了有关虚拟现实的课题研究，如北京航空航天大学将虚拟现实技术应用于分布式飞机模拟等方面；浙江大学将其应用于在建筑虚拟规划和虚拟设计等方面。
2 虚拟现实技术在建筑场景制作教学中的应用
在传统的建筑设计过程中，建筑设计过程往往需要花费很长的时间，付出很大的代价。在建筑设计的过程中，我们往往只能通过建筑图纸来了解建筑效果和建筑设计方案，这些方法使受众很难全面、直观、准确地了解建筑的设计意图。而虚拟现实技术利用计算机图形技术制作出三维建筑模型，再应用人机交互技术、人工智能等手段使观者能从各个角度全方位的感受建筑空间，这样也更能方便地对建筑设计方案进行修改。接下来我们以某商品房小区为例研究虚拟现实在建筑场景制作中的应用以及生成虚拟现实场景的方法。
(1)绘制故事板。故事板最初起源于动画行业，在短片还没有正式制作前，导演应用故事板来记录一些重要的镜头。故事版通常是以黑白草图的形式来简要说明场景中的主要镜头，它反映了导演在动画开始制作前的基本构思和想法。因此，故事板策划的好坏将直接影响到整个故事的成败。用于建筑场景制作的故事板通常包括如下几个方面的内容：摄像机的起始位置；关键镜头的画面构图；镜头语言及镜头过渡、主光及辅光的摆放位置及材质贴图方式等。
(2)建模。制作建筑场景，首先要做的就是三维场景建模。三维建模是场景和虚拟现实的基础。建筑场景通常都比较庞大，模型的面数也比较多。为了使建筑场景能流畅的播放和运行，我们在建模的过程中不仅要使模型尽量的逼真，而且要想办法尽量减少模型的面段数。1)建筑场景的特点。建筑场景是人们将居住空间和自然环境有机结合的产物，它是人类文明发展的产物，反映了人们对美的认知和追求，是人与自然和谐相处的体现。在建筑场景中，模型的形式有多种多样，如楼房、地形、路灯、庭院、店铺、水景等。由于模型的类型多种多样，所以建模的手法也会有所不同。尤其是庭院、路灯、水景等，它们造型风格各异且大多为曲线造型，再加上它们往往和自然景观融合在一起，因此更增加了建模的难度。2)建筑场景模型制作。在3dsmax中，常用的建模方法有多边形建模、面片建模、NURBS建模等。我们在制作建筑场景模型的时候通常采用多边形建模的方法，因为多边形建模是基于三角形面和四边形面的拼接，且操作较为简便容易掌握，比较适合于建筑建模。由于建筑场景往往比较庞大，所以我们在进行多边形建模的时候要尽量减少面段数，那些看不见的或不会被渲染到的面最好删掉。还可以通过透明贴图等方法来制作树木、镂空物体等模型，这种方法虽然可以减少模型的面段数，由于是通过贴图方式来制作模型，座椅容易产生立体感不强，模型不够精细等缺点。此外还可以通过speed tree、tree storme等插件或利用代理模型来制作树木模型。总之，在满足渲染效果及品质不受影响的前提下，文件越小越好，这更有利于后期的制作和渲染。
(3)材质和贴图。模型制作完成后，接下来要做的是模型的材质和贴图，材质可以制作出物体的颜色、光泽、透明等效果。贴图有多种多样，如漫反射贴图、不透明度贴图、反射贴图、凹凸贴图等。通常我们需要给物体指定UVW贴图修改器，通过选择贴图的类型，调整贴图的长宽比，使贴图到理想效果。通过给物体指定材质和贴图，再搭配灯光和渲染器，我们就能够制作出真实的模型效果。
(4)灯光和摄像机。通过应用MAX的虚拟摄像机和灯光系统能更好地模拟出场景的真实效果。1)灯光的设置。如果场景中应用了VRAY渲染器进行渲染，通常只需要放置简单的主光和辅光，漫反射的灯光效果可以通过VRAY渲染器中的间接照明功能进行计算。如果场景中没有使用VRAY渲染器，通常需要用灯光矩阵的办法来设置灯光。在渲染建筑的时候使用灯光矩阵，其主要原因还是渲染速度，大多数情况下而言，灯光矩阵的渲染效率非常高。虽然现在VRAY、全局光渲染器也很快，但是并不意味着灯光矩阵就过时了，掌握灯光矩阵的原理，在建筑这种大场景渲染中，仍然是必需的。在本建筑场景中，我们选择了目标平行光作为主光源，阴影类型为VRAY阴影。在摄像机不可视的地方，我们设置了灯光排除，在光线不足的地方，我们增加了补光。2)摄像机。摄像机作为用于最终的动画效果表现，是必不可少的，它包括焦距、位置、角度等几个调节项目。在本建筑场景动画中，摄像机大多是通过路径约束动画的方式来制作，也可以按照关键帧动画的制作方式手动的调整摄像机的位置、角度等，还可以手动的调节摄像机的运动速度，使有些镜头产生缓入缓出的特殊效果。
(5)渲染。当模型、材质、灯光等工序完成后，在正式输出动画之前，还需要对渲染输出做很多设置。渲染输出设置至关重要，在每次输出前都要确认一下，主要有制式、格式、文件命名以及与电视相关等内容。如果应用了VRAY渲染器进行渲染，还需要对抗锯齿参数、间接照明中首次反弹、二次反弹参数等进行设置。渲染建筑漫游动画的时候，通常需要先渲染动画光子，再渲染最终动画。渲染完成后输出的序列文件可以通过Premiere、AE、Vegas 等软件进行剪辑、合成及配乐等，如果要实现动画的交互功能则需要通过虚拟现实开发工具才能实现。在这篇文章里，我们只研究了虚拟现实园林建筑的前期建模的优化，至于虚拟现实的交互性，是它的一个非常重要的特点，也是它最吸引人眼球的地方，有待于我们在今后做更深入的研究。
本文对虚拟现实建筑场景的制作过程进行了简单的分析，主要包括：模型的制作方法及要求、材质贴图的制作方法、灯光选择及布置、后期渲染及合成处理等。总之，虚拟现实技术在建筑场景制作中具有明显的优势，是未来发展方向，它能让人们产生身临其境的感觉，给人们全新的观察视野。
参考文献：
［1］ 熊静，周定康.Internet环境下的虚拟现实技术——VRML［J］.计算机与现代化，2004(2)：1719．
［2］ 崔海燕，段作章.虚拟现实技术在现代教育中的应用［J］.中国现代教育装备，2005(3)．
［3］ 胡小强.虚拟现实技术基础与应用［M］.北京邮电大学出版社，2009.
作者简介：周增辉(1982—)，男，湖南邵阳人，硕士，讲师，2010年毕业于湖南师范大学美术学院，湖南信息学院人文艺术系艺术创意教研室主任。
关键词：虚拟现实技术；建筑场景；3DSMAX
1 虚拟现实技术的起源与发展
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)的概念由美国RPL研究公司的创始人杰伦•拉尼尔于20世纪60年代提出。早在1992年，在美国的东卡罗琳那大学成立了虚拟现实技术与教育实验室。英国在纽卡斯尔中学建立了以国际维度技术为基础的虚拟现实软件包，探索用虚拟现实进行外语和工业安全培训的方法。目前国内的很多高校和企业也都开展了有关虚拟现实的课题研究，如北京航空航天大学将虚拟现实技术应用于分布式飞机模拟等方面；浙江大学将其应用于在建筑虚拟规划和虚拟设计等方面。
2 虚拟现实技术在建筑场景制作教学中的应用
在传统的建筑设计过程中，建筑设计过程往往需要花费很长的时间，付出很大的代价。在建筑设计的过程中，我们往往只能通过建筑图纸来了解建筑效果和建筑设计方案，这些方法使受众很难全面、直观、准确地了解建筑的设计意图。而虚拟现实技术利用计算机图形技术制作出三维建筑模型，再应用人机交互技术、人工智能等手段使观者能从各个角度全方位的感受建筑空间，这样也更能方便地对建筑设计方案进行修改。接下来我们以某商品房小区为例研究虚拟现实在建筑场景制作中的应用以及生成虚拟现实场景的方法。
(1)绘制故事板。故事板最初起源于动画行业，在短片还没有正式制作前，导演应用故事板来记录一些重要的镜头。故事版通常是以黑白草图的形式来简要说明场景中的主要镜头，它反映了导演在动画开始制作前的基本构思和想法。因此，故事板策划的好坏将直接影响到整个故事的成败。用于建筑场景制作的故事板通常包括如下几个方面的内容：摄像机的起始位置；关键镜头的画面构图；镜头语言及镜头过渡、主光及辅光的摆放位置及材质贴图方式等。
(2)建模。制作建筑场景，首先要做的就是三维场景建模。三维建模是场景和虚拟现实的基础。建筑场景通常都比较庞大，模型的面数也比较多。为了使建筑场景能流畅的播放和运行，我们在建模的过程中不仅要使模型尽量的逼真，而且要想办法尽量减少模型的面段数。1)建筑场景的特点。建筑场景是人们将居住空间和自然环境有机结合的产物，它是人类文明发展的产物，反映了人们对美的认知和追求，是人与自然和谐相处的体现。在建筑场景中，模型的形式有多种多样，如楼房、地形、路灯、庭院、店铺、水景等。由于模型的类型多种多样，所以建模的手法也会有所不同。尤其是庭院、路灯、水景等，它们造型风格各异且大多为曲线造型，再加上它们往往和自然景观融合在一起，因此更增加了建模的难度。2)建筑场景模型制作。在3dsmax中，常用的建模方法有多边形建模、面片建模、NURBS建模等。我们在制作建筑场景模型的时候通常采用多边形建模的方法，因为多边形建模是基于三角形面和四边形面的拼接，且操作较为简便容易掌握，比较适合于建筑建模。由于建筑场景往往比较庞大，所以我们在进行多边形建模的时候要尽量减少面段数，那些看不见的或不会被渲染到的面最好删掉。还可以通过透明贴图等方法来制作树木、镂空物体等模型，这种方法虽然可以减少模型的面段数，由于是通过贴图方式来制作模型，座椅容易产生立体感不强，模型不够精细等缺点。此外还可以通过speed tree、tree storme等插件或利用代理模型来制作树木模型。总之，在满足渲染效果及品质不受影响的前提下，文件越小越好，这更有利于后期的制作和渲染。
(3)材质和贴图。模型制作完成后，接下来要做的是模型的材质和贴图，材质可以制作出物体的颜色、光泽、透明等效果。贴图有多种多样，如漫反射贴图、不透明度贴图、反射贴图、凹凸贴图等。通常我们需要给物体指定UVW贴图修改器，通过选择贴图的类型，调整贴图的长宽比，使贴图到理想效果。通过给物体指定材质和贴图，再搭配灯光和渲染器，我们就能够制作出真实的模型效果。
(4)灯光和摄像机。通过应用MAX的虚拟摄像机和灯光系统能更好地模拟出场景的真实效果。1)灯光的设置。如果场景中应用了VRAY渲染器进行渲染，通常只需要放置简单的主光和辅光，漫反射的灯光效果可以通过VRAY渲染器中的间接照明功能进行计算。如果场景中没有使用VRAY渲染器，通常需要用灯光矩阵的办法来设置灯光。在渲染建筑的时候使用灯光矩阵，其主要原因还是渲染速度，大多数情况下而言，灯光矩阵的渲染效率非常高。虽然现在VRAY、全局光渲染器也很快，但是并不意味着灯光矩阵就过时了，掌握灯光矩阵的原理，在建筑这种大场景渲染中，仍然是必需的。在本建筑场景中，我们选择了目标平行光作为主光源，阴影类型为VRAY阴影。在摄像机不可视的地方，我们设置了灯光排除，在光线不足的地方，我们增加了补光。2)摄像机。摄像机作为用于最终的动画效果表现，是必不可少的，它包括焦距、位置、角度等几个调节项目。在本建筑场景动画中，摄像机大多是通过路径约束动画的方式来制作，也可以按照关键帧动画的制作方式手动的调整摄像机的位置、角度等，还可以手动的调节摄像机的运动速度，使有些镜头产生缓入缓出的特殊效果。
(5)渲染。当模型、材质、灯光等工序完成后，在正式输出动画之前，还需要对渲染输出做很多设置。渲染输出设置至关重要，在每次输出前都要确认一下，主要有制式、格式、文件命名以及与电视相关等内容。如果应用了VRAY渲染器进行渲染，还需要对抗锯齿参数、间接照明中首次反弹、二次反弹参数等进行设置。渲染建筑漫游动画的时候，通常需要先渲染动画光子，再渲染最终动画。渲染完成后输出的序列文件可以通过Premiere、AE、Vegas 等软件进行剪辑、合成及配乐等，如果要实现动画的交互功能则需要通过虚拟现实开发工具才能实现。在这篇文章里，我们只研究了虚拟现实园林建筑的前期建模的优化，至于虚拟现实的交互性，是它的一个非常重要的特点，也是它最吸引人眼球的地方，有待于我们在今后做更深入的研究。
本文对虚拟现实建筑场景的制作过程进行了简单的分析，主要包括：模型的制作方法及要求、材质贴图的制作方法、灯光选择及布置、后期渲染及合成处理等。总之，虚拟现实技术在建筑场景制作中具有明显的优势，是未来发展方向，它能让人们产生身临其境的感觉，给人们全新的观察视野。
参考文献：
［1］ 熊静，周定康.Internet环境下的虚拟现实技术——VRML［J］.计算机与现代化，2004(2)：1719．
［2］ 崔海燕，段作章.虚拟现实技术在现代教育中的应用［J］.中国现代教育装备，2005(3)．
［3］ 胡小强.虚拟现实技术基础与应用［M］.北京邮电大学出版社，2009.
作者简介：周增辉(1982—)，男，湖南邵阳人，硕士，讲师，2010年毕业于湖南师范大学美术学院，湖南信息学院人文艺术系艺术创意教研室主任。