航标船管系三维建模研究
杨卫
摘 要：本文以航标船管路系统三维建模为例，详细阐述航标船三维建模过程中遇到的问题及解决办法，突出Creator软件进行航标船三维建模时的强大功能和优势。
关键词：虚拟现实技术 三维建模软件 Creator
虚拟现实技术是利用电脑模拟产生出三维空间的虚拟世界，给用户提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身临其境一般。目前，虚拟现实技术的应用已广泛涉及军事、教育培训、工程设计、商业、医学、影视、艺术、娱乐等众多领域，并带来了巨大的经济效益。
在船舶领域，通过虚拟现实技术不仅能提前发现和解决实船建造中的问题，还为管理提供了充分的信息，真正实现船舶设计、建造、管理一体化。虚拟设计涵盖了建造、维护、设备使用等传统设计方法无法实现的领域，真正做到产品的全寿期服务。因此，通过面向船舶整个生命周期的船舶虚拟设计系统的开发，大大提高了船舶设计的质量，减少船舶建造费用，缩短船舶建造周期。本文结合“航道维护船舶虚拟机舱漫游系统研究与开发”项目，在对整个机舱内管路系统有了深入了解以后，利用creator软件对机舱内部管路系统进行一个详细的三维建模。
Creator三维建模工具介绍
1、Creator基本介绍
Multigen Creator系列软件，由美国Multigen-Paradigm公司开发。Creator软件拥有实时应用的Open Flight数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、优化地生成实时三维（RT3D）数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世界领先的地位。
2、Creator软件特点
Creator的模型文件采用Multigen开发的OpenFlight数据格式。 Open Flight采用几何层次结构和节点（数据库层次、组、物体、面等）属性来描述三维物体，其逻辑层次结构及细节层次、截取组、 绘制优先级、分离面等功能，极大地提高了实时系统的性能。该文件格式已经成为视觉仿真领域最为流行的标准文件格式，也是 Creator优于其它建模软件的重要原因之一。
Creator软件具有优良的操作界面。Creator界面简洁、直观，并包含一套功能强大的建模工具， 建模操作简单、 易用。如图1所示， Creator在所见即所得的环境中创建可视层级数据库， 能够随时观测到在数据库的动态。
具有地形表面生成和矢量建模功能。Creator作为专门面向可视化仿真应用的实时三维仿真建模系统，具有一套快速创建大面积地形表面模型的强大工具， 使地形精度接近真实世界，并带有高逼真度三维特征及纹理特征。Creator利用一系列投影算法及大地模型，生成并转化地形， 同时保持与原形一致。通过纹理影射， 可生成逼真的地景，包括道路、河流、市区等特征。
航标船管路三维建模及优化
1、材质的应用
不同物体是由特定质地的材料构成的，比如树木，金属和塑料的质地有着明显的区别。Creator软件为了更形象地模拟现实世界中的不同材质构成的物体，在软件中设置了材质功能，建模时通过应用该功能绘制的三维模型能够更加逼真。
本文中所构建的管路，需要显现出金属的特点，所以需要调整材质和光照的明暗，以达到三维仿真要求。但是要特别注意的是，只有在gouraud，lit或者lit gouraud光照模式下模型对象才能在图形视图里面正确的显示材质的效果。每个数据模型库都用自己的材质调板，材质调板里面包含了可以赋予模型对象的材质，建模时可以通过它所提供的材质调板窗口方便的进行材质的设置操作。单击工具栏上的当前材质按钮，可以弹出如图2所示的材质调板窗口。
默认的材质调板内包括了64种可用的材质，每一种材质都有着唯一的索引值，范围为0-63，当然也可以将某种特定的材质取个特定的名称便于使用。如果需要使当前的材质调板配置为Creator默认的材质调板配置，在保存的时候只需要将该材质配置文件保存至系统默认的配置文件路径下。
虽然系统只提供给了64种材质，但可以通过材质调板窗口中的‘Edit/New菜单命令弹出的材质编辑器来创建任意数量的材质，如图3所示。
在使用材质的时候要注意到对于同时使用了颜色和材质的面来说，由于材质在显示时优先于颜色属性，所以说如果需要材质的颜色和面的颜色一致最好要调整材质的相应参数。此外，如果所绘制的多边形使用了透明材质的同时有设置了面的本身透明度，则Creator会进行叠加，如果材质透明度是0.7，而该面的透明度是0.5，那么它的实际显示效果是0.35。图4是管路图中辅机所使用的材质参数。
2、多模型的拼接
2.1MultiGen Creator模型合并
在航标船的三维建模中，连接工作量较大，如果整条船都由一个人来完成，工作量可想而知，所以在此项目的实施过程中，将整船分解成若干单元进行建模，包括船舶驾驶台，舵机室，机舱管路系统以及船舶江景的构建，这样一来就存在一个多模型整合的问题。因此当每部分的工作都完成后，最重要的一步就是依据航标船的原始位置，尺寸，相对关系进行整合拼接，将它拼接成一个完整的船体。
小场景的拼接。如果建立的三维场景不大，模型数量不多，也就是说需要合并在一块的文件数目较少的话则可以采用以一个文件为基本，将其他文件拷贝到这个文件中生成最后的文件。将其他模型通过粘贴拷贝到这个基本文件中并置于合适的位置，同时在层级目录结构中调整层次关系，可以达到整合场景的目的。这种方法的优点是方法简单易用.生成后的文件模型不会发生转移储存地址后就丢失纹理的事情，并且便于保存。其缺点是随着局部模型的不断加入，生成的FLT文件越来越大，进人场景的速度慢，刷新时间也长，不利于实时漫游，适用于简单场景。
大场景复杂景物的模型整合。对于一些大型场景，复杂景物的三维建模，例如整船的三维建模，用小场景的建模方式定然会遇到刷新时间过长的问题。因为整船上设备过多，所建三维模型所占空间较大，如果把所有的对象模型都复制到一个文件里面，将会过于累赘，无法加载和刷新场景。这时必须要用到“External Reference”外部引用的方式来完成此类大型场景的拼接，将所有的单体模型导入，这样每个模型对象的三维模型文件和纹理文件都是被单独保存的，互相独立，能够使最后的整合文件变小。当运行视景仿真程序时，计算机将只显示要求通过openflight数据关系进行快速的视景装配，这样计算机的CPU负担会大大减轻，不会因为一次性调入过多的图形和纹理而死机或者使漫游速度过慢。
2.2 3Dmax模型导入MultiGen Creator
众所周知，3Dmax以建模详细著称，在航标船的建模过程中某些精细模型，例如驾驶台的电话，真皮座椅等都是基于3Dmax进行构建的。而精细的代价就是模型文件过大，严重影响视景系统的实时性，因此在3Dmax模型导入之后，还需要对其进行整合优化。在3D MAX的建模完成后，模型以3ds的文件存储。一个3ds的文件包含一系列的有用信息，用于描述由一个或多个物体构成的3d场景的每一个最小的细节。
3ds文件导入MultiGen Creator有两种方法：第一种方法是直接导入，这种转换过程会有一些错误产生，例如遗失或置换面数。这些错误可以用MultiGen Creator的转换，复制工具校正。另一种方法是模型附上3D MAX的网格形式，再导入creator。图5（a）（b）分别是刚刚导入3DS模型层次化结构和一个整理后的creator openflight层级结构。
对比两图可知，图5（a）的子父组的关系紊乱，不便于后续模型的添加与修改，所以要对其节点进行整理优化，优化步骤如下：①忽略看不见的细节。例如，如果管子内部不必显示，则用实心体来代替。②忽略对整体视觉效果影响不大的细节。在机械式的系统中有很多倾斜的边缘，它们在3D MAX中并不重要。如果在3DMAX中对这些细节建模，特别是内圆角，模型的面数会有很大的增加，因此将这些细节忽略。③用纹理表现一些细节。许多机械式系统有铆钉或硬边会占用很多面，改变的方法是渲染模型，即通过凹凸映射表现这些细节，获取位图，然后应用位图到模型的表面。④用简单模型替代复杂模型。在大型仿真场景系统，圆柱体通常用三棱柱或四边形代替，我们在绘制圆管时最多也只用16边形。⑤在不失精确度的前提下缩减模型的段数。段数和视觉效果之间的平衡是很重要的，当模型的段数增加，模型的平滑性会更好，但是数据量也就随之变得更大。⑥编辑模型的子对象和删除对场景效果影响甚微的子节点。
3、模型数据库优化
管路建模时要注意节点的设置，即在建模过程中注意数据库的优化。OpenFlight数据库文件采用层次化的结构来存储三维模型，从上到下主要是根节点、组节点、体节点、面节点和点节点等。节点的层级结构和组织方式影响视景生成中的剔除和绘制，在很大程度上决定了模型数据库的实时性能。实时视景驱动软件是按照从上到下、从左到右的顺序依次遍历数据库节点，进行节点截取计算。模型数据库可以按照线性结构、逻辑结构、空间结构三种形式来组织。逻辑结构是将所有体节点按照逻辑规则分别放在不同的组节点下。例如以船舶机舱为例，船舶机舱为体节点，两个主机归并为主机组，所有管道归并为管道组。按照逻辑结构组织模型数据库，在建模过程中比较方便，便于编辑和修改节点，但会影响到剔除效率。图6所示航标船机舱数据库是典型的逻辑划分特征。
空间结构是按照物理空间对节点进行分组，实时系统可以快速判断出哪些区域在或不在当前可视范围内，而不用对场景中的所有体节点进行遍历操作，所以能够显著提高模型的运行速度。对大型的模型而言，这种速度优势会更加明显。
总结
本文以航标船管系三维建模为例，简述了基于三维建模工具MultiGen Creator的三维建模基本方法。重点介绍了creator中的材质设定，多模型拼接以及模型优化功能。除此之外，Creator 的层次化模型数据结构OpenFlight也是一大亮点。
接下来，拟对管路模型的逼真度进一步改进，比如：对管路表面的老化及生锈现象进行表现；针对教学培训，将重要阀件用特殊颜色或纹理表示等。
参考文献：
[1] 《虚拟设计》--高等教学参考书全文数据库
[2] 丁骏，钟彬华，崔振东. 三维虚拟校园的设计与实现[J]. 科技信息. 2011（13）
[3] Moloney J，Janssen P.New Generation Simulation Technology. Architecture Australia . 2006
[4]《虚拟现实中三维显示技术的研究与应用》--北邮记忆数据库
[5] 童小念，罗铁祥，李志玲. MultiGen Creator建模技术的优化与实现[J]. 计算机系统应用. 2008（02）
[6]《虚拟现实与系统仿真》--韦有双 杨湘龙 王飞编著.国防工业出版社
