【文章摘要】虚拟场景中角色的三维模型，是用来描模型内部的几何性质的抽象模型，这些模型被计算机以特定的信息格式将模型存储起来，这种存储过程被称为三维建模。三维建模主要处理角色的三维信息和拓扑结构。三维信息是指角色在三维空间中的形体、方位和尺寸，拓扑结构是物体各分量方向的数值及其相互之间的关联关系。当今，常用的三维建模系统一般常用三种建模方式，即线框建模，表皮建模和实物建模。
【关键词】三维建模；骨骼动画；人物模型
1引言
三维建模的过程涉及到表示三维信息的数据结构以及操纵该数据结构。三模型的建模，需要从描述角色的形状和外观两方面开始入手。角色的形状由构造角色的N边形、圆和顶点等来确定，角色的外观由角色表面纹理、色彩、照明等因素来确定。同时，还要满足建模技术的三个指标：即交互显示能力、交互操做能力、容易建构的能力对虚拟角色模型的需要。通过对平台的环境以及虚拟人物进行归类，把平台中的模型归为两类：静态对象和虚拟人物。静态对象是指三维模型中不随着时间改变而改变的不动的对象，平台中主要指没有运动的实体，例如模型中的大楼、矿井、树木等；动态对象是虚拟人物通过行走模拟真实矿工的动作，是虚拟矿井通风环境构建的基础，也是虚拟矿井创建的一项重要步骤。
2人物建模
虚拟人物的构建，第一步，要作的是对骨骼系统模型的三维建模。三维人物建模工作是整个平台的基础工作，制作的人物模型不但要真实逼真，还要满足平台浏览即时性的特点。下面是整个平台设计中虚拟人物建模的实现过程。在3D中，人物模型的建模是很困难的，要求用户熟练掌握常用的建模方法和步骤，为了省去复杂的建模过程，也可通过其他人物模型来建模，随后再将改建好的人物模型导入到3D场景中，例如提供角色建模软件Poser，如下图1所示。图2是POSER软件的起始界面截图。它是弗朗科公司出品的一个三维人物生成模型工具，可辅助设计者生成各类角色的图像、视频和角色模型。该软件提供了各类男模类型、女模类型和小孩模型和木偶形状的骨骼。如对自有的骨骼特征不满足，还可利用工具栏中的修改工具进行重组。（1）在POSER软件中建立人物模型人物模型的创建是本平台的重要技术，人物模型可以表现整个人物的形象程度及特色。笔者采用POSER5.0版本对人物进行模型的创建。在人物模型库中找到适合本平台的人物身体模型，再找到恰当的脸部和毛发模型，将每个模型进行整体的拼接。利用缩放，拼接，删除等工具改变模型的原始状态。因为POSER人物模型库三维资源有限，需要通过适当调整才能获得合适的模型。在该软件中调整比在3D中调整要简单一些，也为后面的蒙皮操作提供了方便。将调好的人物模型导出为3DMAX格式，导入到3D软件中进行调节，为了适用于特定的场合，从蒙皮插件中建好的人物模型需要在3D软件中进行模型单位的调节。本模型不必做单位缩放，随后要用在VT软件中可直接进行模型的缩放操作。从蒙皮插件中导出的人物模型是以材质而不是贴图的格式进行导出的。因此从蒙皮插件中导出的模型在3D软件中不能进行贴图展开，因此本设计用到了两个模型，如图3所示：一个是脸部比较清晰的人脸模型，第二个是衣服毛发完整的人物模型。在3D中将一个人物模型的下半身删除，只留下头部模型，与第二个模型进行附加，就可以拼合形成了一个完整的人物模型。如图4所示。需要特别指出的是由于在VIRTOOLS中不能导入高级模型，即模型面数多的模型。因此要减少模型面数，笔者在这里用到两类方法。一类是利用3D自带的编辑器进行自动面数修改，该功能可减少的面数百分比为：40%。参数设置下图5所示。另一类减少面数的途径就是手动调节，对模型的顶点与线条的删除合并操作。（2）在3D中建立人物骨骼人物的骨骼是利用3D的插件CAT建立的。该插件比3D自带的骨骼系统相比，能更好的模仿人体的行动。
只要直接拖动就可建立人体骨骼。若想要增减人物骨骼的数量，可直接删除或复制原有的骨骼部分，改变其数量即可，骨骼建模如图6所示。为设计人物骨骼动作与人物蒙皮，要将人物骨骼与已建好的模型进行匹配调整，为以后的蒙皮操作做好准备。主要步骤是将人物骨骼大小调整，使其与人物模型对齐。（3）对人物骨骼进行蒙皮对人物骨骼蒙皮用到的是3D的编辑器。选择工具面板上的图标，选择人物骨骼的根节点。对人物骨骼上的封套进行调节。封套调整是人物骨骼蒙皮过程中经常出现差错的环节，调节时要把整个封套包裹到自身骨骼而又不涉及其他骨骼，否则人物模型在行走过程中就会发生破面或粘连现象。在调整好之后，给骨骼设置一个大幅度的动作，看模型能否露骨，系统平台中的骨骼蒙皮出现错误的机率多。在使用3D中自带的修改器后，找出发生错误的骨骼，进行细心调整，终因为露骨点过多调整频繁而放弃使用。经多次试验，选用了3D技术的另一蒙皮插件进行蒙皮。见图7。打开此蒙皮插件，在修改器菜单中出现此修改器。选择面板上的将人物骨骼全部选中，细心调整。（4）骨骼动画在三维建模的基础上引入人物的运动建模，可以增加虚拟场景中三维模型动作表现的多样性。笔者平常立足于通过控制人物模型来完成虚拟教学的任务，因此骨骼动作是核心技术。在人物模型动画中，三维模型的动作路径由运动计算模型来控制。在平台中运用关键帧手段来生成人物的动画。第一步，确定人物角色的动作，第二步，根据需求确定关键帧数，第三步，调节关键帧的每一帧姿势，动画模块根据关键帧，生成动画图像序列。人是一个错综复杂的实体。用生理解剖的医学角度来分类：人体可以分为骨骼、肌肉和皮肤三部分。人体骨骼是由关节链联接而成，骨骼相对动作来说，变形小。人体骨骼的运动主要是由人的肌肉收缩并拉动附骨骼产生的。骨骼决定了角色的姿态。这里面只需要对人体骨骼制作关键帧动画即可。见图8。
由于人体运动复杂且虚拟角色是较常见的二足动物，笔者运用3D插件CAT进行骨骼的建构。直接通过参数的调节来确定人体骨骼的基本形状。动作生成运用“关键帧”技术。打开人体骨骼模型的时间轴，调节每一帧骨骼的关键动作。通过此方法建立虚拟角色的动作是比较耗费时间的，需要逐帧来调节人体骨骼模型的每一个动作，需要认真细致的观察人体模型的运动过程。这样才能使虚拟人物的骨骼模型动画在场景中始终保持一致，看起来更加真实美观。为了让人体骨骼模型的动作看起来更加的稳定和流畅，笔者利用了3D中提供的拷贝工具对对称的动作进行拷贝。此方式减少了人体骨骼模型动画的制作工作量。笔者用到手动设置关键帧的行为，逐帧动画的制作是本平台里面最耗时最难控制的模块。具体步骤，就是在时间轴关键帧打开的前提下，调整骨骼关键帧的位置，此步骤全凭个人经验来做。技巧是在还没完成帧数时，建立一层保存帧，保证层与层的动作不冲突，相互独立。动画中具体动作效果如图9所示。
【参考文献】
[1]王建坡.三维实体模型相关技术研究[D].解放军信息工程大学,2011.
[2]曾磊夫.基于软件技术的高效三维图形渲染系统的设计与实现[D].电子科技大学,2015.
作者：吕闯 单位：重庆工商大学派斯学院
