着VR（虚拟现实技术）的快速发展，三维建模技术在其中发挥着重要的作用，是虚拟现实技术的核心。本文研究探讨了VR技术和三维建模技术，以及建模软件3DMAX，还对VRML语言进行了分析论述。

引言

虚拟现实技术（VirtualReality，VR）通过使用计算机，运用一定的技术手段建造一个仿真的三维虚拟环境。VR技术通常具有如下的特征：

1）沉浸感。是指对象作为主角置身于虚幻世界中的逼真感受。

2）交互性。是指参与者对模拟世界中物体的可干预性以及从虚拟环境中得到效果反馈的自然程度。

3）自主性。强调VR技术应该拥有广阔的可幻想空间，能够拓展人类认知的领域，不仅可以逼真重现客观世界，还可以构建虚幻的、甚至是奇幻的世界状态。

当今时代日新月异，随着计算机领域相关技术的迅猛发展，VR系统构建及技术进入网络应用已然成为时下的一个实践性热点研究课题。具体来说，三维建模技术是VR系统的基础，如果没有专业VR建模工具提供支撑，VR系统将很难成功建立。而在完成复杂的虚拟现实场景的模拟建模时，研究中更多地使用了三维模型制作软件。其中，3DMAX建模软件是最趋广泛与普及应用的。通过利用3DMAX建造虚拟环境或物体，安装与其相对应的插件用于结果输出，就能够相对准确可靠地创建环境模型文档了。

虚拟现实建模技术

在设计VR系统之前，首先需要创建一个虚拟环境（Environment）。在众多因素中，视觉将关系到最为直观和形象的用户体验，所以环境构建中，实时动态、逼真合理的呈现即成为至关重要的功能需求。

一旦模型建立起来，即可称作一个系统的建立。系统能够拥有一个物体或是多个群体，这样的表现可以构成系统的模型。也就是说，系统模型以一个或多个方式存在。建模最初要完成的步骤，是给系统拟定一个标准，虚拟世界里存在众多的对象物体，相对层次较为繁杂，因而必须包括其中全部涉及的对象。下面则对这一技术内容展开论述研究。

1.1 几何建模

三维视觉建模可细分为几何建模(GeometricModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、对象行为建模(ObjectBehaviorModeling)等。而在虚拟世界构建中高效关键的设计手段就是几何建模。

物体对象的几何信息可以用几何建模(GeometricModeling)来描述，虚幻世界中的各个对象都可由形状和外形2个要素来构成，而这2个要素又将分别由对象的其他因素来综合确定。

1.1.1 Polygon（多边形）建模

Polygon（多边形）建模是基础建模技术，就是用比较少量的网格多边形进行编辑建模。运用这种方法，需要先刻画一个基本的规则几何体，再根据需求进一步修改对象细节部分，最后通过各种手段技术来营建虚拟现实的场景和对象。多边形建模的缺点是不能够生成曲面，但其操作简单方便，而且时效性颇佳。polygons建模多用于游戏、动画等领域中。

多边形包括4个基本元素：顶点、边、面、纹理坐标。

下面，本文将运用多边形建模技术建造一个盾牌，实现过程用到了多边形建模技术中，对物体面的变换、点的拉伸、以及多个几何体互相拼接的过程，模型展示如图1～图3所示。

1.1.2 NURBS（非均匀有理B样条曲线）建模

不同于多边形建模，NURBS建模多是专门用来建造曲面对象。研究中可用曲线和曲面来刻画NURBS建模对象，因此在NURBS里面建造一个锐利的边则是不可能的完成任务。NURBS曲线的特征是可以在任意点上分割和合并，而Polygon的曲线却无法做到这样。NURBS建模通常适用于工业模型、产品设计。

下面，本文即运用NURBS建模设计一个杯子，在设计实现中将首先运用CV曲线工具设计出杯子的曲线，如图4所示；再通过旋转工具绘制杯子的初步模型，如图5所示；接下来则

通过编辑曲线上的点来进一步修改杯子的轮廓，以达到理想的模型效果，如图6所示；最后得到图7，杯子模型最终完成。

1.1.3 Subdivision（细分表面技术）建模

Subdivision（细分表面技术）是近年来新兴的一类建模技术。技术中汇集了NURBS（非均匀有理B样条曲线）建模和Polygon建模的特点和优势，适合搭建一些层次感丰富复杂的模型。而且，其建模工具简单，操作方便，创作静帧作品时是个不错的选择。

Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在对象表面的连续性问题。刻画到细节的时候，比如高精度的调节，就是利用level参数进行区域性的调节。特别地，Subdivision（细分表面技术）能够用于应对要求更高的建模。

综上，将可根据用户的实际需求来选择最为恰当的建模方法，如此才能快速有效地达成效果目标。

1.2 虚拟现实中的物理建模

继几何建模发展流行之后，另外一种建模应运而生，就是物理建模。物理建模重点取决于科学合理的动态约束和运动方程的确立及求解。更改限制条件，互动环境即可自动解答更新的运动方程而且不存在显著延迟现象。研究中，多是通过模拟对象的位移、碰撞检测、旋转、表面形变等方面来实现模型搭建。

下面将针对2种较为经典的物理建模技术：分形技术和粒子系统，分别给出技术综述。

1.2.1 分形技术

分形技术用来表示具有自相似特征的数据集。一些复杂的不规则形状对象的建模可以运用自相似这种结构。该技术最早应用于山川及水流的地理特性建模。分形技术虽然有其操作简单的优点，但是计算量过大，技术实时性也随即降低，所以只是适用于静态远景的建模中。

1.2.2 粒子系统

粒子系统属于经典的物理建模系统。简单的操作即可完成复杂运动的建模，由此构成了粒子系统。在虚拟现实中，粒子系统可以来表示焰火、流水、风雪、大雨、瀑布等自然现象。在虚拟现实中，粒子系统主要用于动态的、运动的物体建模。

1.3 虚拟现实中的行为建模

几何建模与物理建模相结合，仅是可以局部呈现出一个视觉上感受真实的画面特点，而若要建造一个逼真的虚拟环境世界，则还需要行为建模的参与和加入。

对象的运动与行为描述均可以通过行为建模的方式来执行设计操作。行为建模能够准确贴切地描述虚拟现实的特点，如果没有行为模型的实效支撑，那么任何VR的构建均不会存在任何意义。

在构造模型时，不但要设计实现模型外观等表现特性，同时更要关联实现模型物理特性，进而符合真实存在的行为习惯和应激的能力。

如果说几何建模（GeometricModeling）技术主要是计算机图形学领域的研究发展所得，那么，物理建模（PhysicalModeling）和行为建模（ObjectBehaviorModeling）就是多学科领域交叉的研究产物。必须结合多个领域的研究技术成果，才能够建立优质且高端完善的行为模型。

3DMAX模型在虚拟现实中的应用

2.1 虚拟现实建模语言———VRML

VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一种能够在网络上发挥影响与作用的可以构建立体虚幻空间的仿真程序语言。运用网络的用户能够浏览到由VRML创建的3D虚幻现实，改变时下网络与用户应用互动的局限性，使得用户与计算机的需求互动更加便捷，从而全面展示了虚拟场景的沉浸性、交互性和自主性。

VRML语言具有描述性质，可以构造三维立体环境或物体。在构造的虚拟环境中，每个场景均由许多的节点来设计、部署并构成，因而对这些节点进行概述，并且生成wrl文件。

VRML与HTML相同，可以理解为是ASCII码的描述性的语言。具体来说，就是一种码文件，可用普通计算机中都包含的文本编辑器编写，还能使用VRML语言的专业编辑器来编写源程序。通过使用VRML，用户可以自行构造出符合特定需求的模拟桌面场景。

2.2 3DMAX模型在VRML中的应用

VRML（虚拟现实建模语言）运用节点搭建环境，但是用节点来描述模型却难能达到具体逼真的现实设计效果，而且也不容易模拟包含复杂面的形体。若运用3DMAX则能够弥补这一不足。现对其实现过程给出具体分析阐述。

1）用MAX模型建立VEML文件。

2）若要构建VRML的三维立体虚幻空间，首先需要启用3DMAX，如此，将能够输出VRML97的文件。点击3DMAX进入系统，并且使用各种建模方法搭建VR系统的实体化之后，就要单击Create/Helpers，选择VRML97；此时，会出现一个工具面板，面板上列示12个VRML辅助工具，分别是：Anchor（锚传感器）、AudioClip（音频剪裁板）、Background（背景）、Billboard（广告牌）、Fog（雾）、InlineObject（在线帮助）、LOD（细节级别）、NavInfo（浏览信息）、ProxSensor（范围传感器）、Sound（声音）、TimeSensor（时间传感器）、TouchSensor（触动传感器）；相应地，就可添加协调辅助的工具，随后单击“File/Export”就会出现一个“SelectfiletoExport”对话框，点击“保存类型”的下拉列表框，选取“VRML97（*.WRL）”类型文件，确定文件名后单击“保存”；其后，出现“VRML97EXPORTER”对话框，选取系统默认值，点击“OK”生成一个文件，文件的后缀就是WRL。

3）将MAX模型导入到VRML场景中。简单说来，即是先将3DMAX模型导出，保存为3DS格式，再合并VRML。那些运用VRML开发设计的虚幻环境中，大部分实体都能够在3DMAX中完成模型创建，最后获得VRML形式的文件。比如，在建筑漫游环境里虚拟一部电梯（loft）。电梯模型可以运用前述提及的Polygon（多边形建模）来构建生成，并保存为VRML格式文件。而后，可结合TouchSensor、TimeSensor和PositionInterpolator节点来达到电梯门拉开与关闭的场景视觉效果。

结束语

随着当今计算机软、硬件技术的迅速发展，VR技术的应用日趋广泛，不仅在教育、军事、医疗、建筑、航空等领域参与了成果创造，而且在娱乐、制造业等方面也发挥了重要的作用。

但在这方面的研究中，仍然存在诸多不足。因此，在计算机新兴技术开拓发展的进程中，定会有更多、更新的可行方案来解决当下存在的研究难题，虚拟现实中的三维建模技术也必将获得更大的发展空间及更为可观的应用前景。

作者：吴桐桐 周国辉

来源：数字化企业网

编辑：e-works 张千慧

前，CAx可利用的CAD格式有很多，其中包括标准如IGES、STEP；商业版本SAT、x_t、JT等；开源版本Brep、STL、PLY等。

CAD 模型在几何上是精确的，这就是它们有时被称为“精确”模型的原因。另一方面，镶嵌或刻面模型由三角形组成，只是模型的近似值，即使它们的刻面非常精细，有时很难分辨。

1.原生 CAD 格式

指特定 CAD 系统专有的格式，使用相应的MCAD软件，将比几何建模内核 CAD 格式或中性 CAD 格式拥有最多的信息并且更准确。

2.几何建模内核 CAD 格式

几何建模内核格式是原生 CAD 格式的基础。由于这些格式具有更严格的标准，因此它们往往是比 STEP 或 IGES 更好的几何信息来源。

SAT是ASCII，sab是二进制，而.asat和asab是专门用于程序集的。ACIS支持非流形几何图形。

XCGM是CATIACGM几何核心的原生核心格式，因此被视为“原生“格式。

2.1SAT和x_t

SAT是ACIS的数据格式，ACIS是SpatialTechnology（后被达索收购）公司的几何造型引擎，它集线框、曲面和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于统一的数据结构中，作为成熟的商业三维引擎，ACIS的使用在CAx软件中比较广泛，所以SAT格式被支持的同样广泛。

x_t是Parasolid引擎的中性格式。Parasolid是另一种流行的商业几何建模引擎，最初由ShapeData Limited开发，现在由SiemensPLM Software（前身为UGS）拥有。x_t格式被使用Parasolid作为CAD几何核心的软件所识别，可以作为相互间的数据交换格式，也有在CAM、CAE中作为中性格式的例子。

SAT和x_t作为商业中性格式，虽然它们精确表达几何的能力非常完善，计算效率都很高，但其闭源和对应用协议的严格控制，导致使用这些中性格式受到来自技术与商业的限制，从而并不能被主流用户和开发者所认可，所以作为产品数据交换应用非常有限。

当然使用ACIS和Parasolid作为核心来开发相关应用软件另说，因为那只和开发者的商业模式有关，与产品数据交换和中性格式无关。

2.2JT

JT（Jupiter Tessellation）最初由EAI公司和惠普公司设计，开发了DirectModel Tookit。后西门子使用JT作为通用的互操作格式和数据存档格式。2009年，ISO接受JT规范作为公开发布规范（PAS）。2010年中期，JT和STEPAP 242 XML在工业级别实现一起使用，以实现数据交换。2012年，JT被正式宣布为ISO标准（ISO14306：2012（ISOJT V1））3D可视化格式。

JT文件可以包含近似（分面）数据、精确的边界表示面（NURBS）、产品和制造信息（PMI）和元数据。JT格式支持特定于CAD 的属性和节点的场景图。其压缩技术用于存储分面数据（三角形）。此格式的结构支持可视属性、产品和制造信息（PMI）和元数据。同时对内容的异步流式处理有很好的支持。

由于JT支持几乎所有重要的3DCAD格式，通过称为“Multi-CAD”来组装和处理各种数据组合，此Multi-CAD易于管理和更新，因为组合的CAD模型文件与其关联的JT文件之间可以实现自动同步。JT文件最初设计是轻量级的，以适合通过互联网协作。

目前JT格式的读写访问需要专有开发库支持，对外开放的也仅是C#一种，所以还无法自由的利用JT格式优势，开发相关软件中使用JT的助益还不明显。

2.3Brep

Brep 格式是开源CAD引擎OpenCasecade的3D模型存储格式，Brep允许存储由顶点、边缘、线、面、壳体、实体、复合体、边三角剖分、面三角剖分、三角剖面、空间位置和方向等组成的模型。任何此类模型集都可以存储为单个模型，并组成成模型复合体。

Brep格式可以包含了精确表达数据如ModelingData、ExchangeData、近似（分面）表达数据如MeshData。

Brep作为开源引擎OpenCasecade的数据存储格式，不仅可以使用交互的方式来创建、显示和修改曲线、曲面和拓朴形状，还可以以脚本（script）的方式来使用，并可用脚本的方式来对其造型内核进行自动化测试（Tests）。在现在CAx相关软件开发中，其开源特性，跨平台特性和免费使用特性，以及完善的产品数据表达结构，在一定程度上已经不仅被用于专有CAD模型格式，而进一步成为产品数据交互格式，用于在CAx间作为交换格式使用，并可在非CAD的CAx软件的前后处理器中增加更改模型的交互操作能力。

Brep虽然不是严格意义上的中性格式，但目前有很多应用使用Brep格式作为产品数据交互的中间格式使用，很多CAx软件前处理功能使用Brep作为数据存储和交互方案。

3.中性 CAD 格式

目前，CAx可利用的中性格式有很多，其中包括标准如IGES、STEP；商业版本SAT、x_t、JT等；开源版本Brep、STL、PLY等。

VDA-FS表面模型标准，现已被 STEP 取代 （VDA-FS 代表 Verband der Automobilindustrie – Fl?chenschnittstelle）

3.1IGES

IGES（初始图形交换规范）1.0版本是于1981年美国NBS正式发表的第一个产品数据交换规范，最后的版本为?V5.3于1996年发表。中国于1993年9月将IGES 3.0 作为国家推荐标准。

IGES模型是精确的曲面表达，尽管有用于实体表达的IGES标准（IGES-MSBO），但很少使用，其使用曲面表达实体时会带来很多问题，另外IGES对实体几何的信息携带较少。

IGES作为一个古老的规范（制定时为避免CAD厂商抵制，以规范而非标准发表），存在较多问题，但因已有数据基数庞大，规范简单基本可满足常规的数据交换要求，所以目前还是主流中性格式之一。对于开发CAx来说，精确表达中STEP标准更完善，IGES可作为兼容老旧数据的一个选择（在国内，使用此规范的数据较少）。

3.2 STEP

STEP（产品模型数据交互）是一个正在完善中的“产品数据模型交换标准”。它是由国际标准化组织(ISO)工业自动化与集成技术委员会(TC184)下属的第四分委会(SC4)于1994年首次制订，正式代号为ISO-10303。STEP标准一直在更新，其子集和AP已达数百个，是现在最重要的中性格式，应用于工业各领域。

1997年研发了STEP-NC标准（ISO-DIS-14649），对于STEP/STEP-NC的应用已经成为工业化国家中的热点研究对象，主要集中在数据库、标准以及STEP-NC的控制器这三个方面。

STEP 标准也可划分为两部分：STEP标准的数据模型和工具。数据模型包括通用集成资源、应用集成资源、应用协议；工具包括描述方法、实现方法、一致性测试方法和抽象测试套件。STEP的数据模型描述方法是精确表达，覆盖了曲面、实体及离散等各种表达方式。其具有简便、可兼容性、寿命周期长和可扩展性的优点，能够很好的解决信息集成问题。

STEP的中性格式是工业软件产品数据交换必须支持的标准，也是各厂商间相互集成的普遍接受的方法，所以对于STEP格式的支持，是CAx软件开发数据界面主要工作之一。

4.多边形格式

出于 3D 打印、动画或游戏开发的目的，CAD 格式通常会转换为 STL 和 OBJ 等多边形格式。多边形格式是镶嵌或刻面的，不包含 Brep CAD 模型中的任何工程信息，例如重量或体积。

3D PDF 是与没有 CAD 系统或 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，几乎每个人都有。

NGRAIN 在技术上不是多边形，而是使用体素，可以描述为 3D“像素”，可用于可视化大型模型或装配体。

STL 是 3D 打印的默认格式。STL 文件可以使用导出设置或通过多边形缩减工具进行优化。

WebGL 文件可在任何支持 HTML5 的浏览器中查看和旋转，无需插件，使其成为在线零件库的理想选择。

4.1STL

STL文件格式（Stereolithography，光固化立体造型术）是由3DSYSTEMS 公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式，其目标是作为3D打印（增材制造）的数据交换格式。STL文件由多个三角面片的定义组成，每个三角面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。STL文件格式简单，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材质等信息，是计算机图形学处理CG,数字几何处理如CAD,数字几何工业应用,如三维打印机支持的最常见文件格式。许多CAM系统使用三角形化的模型，STL文件格式不是最有效转换数据的方法，但此格式简便到随手可得，所以也常被CAM系统用于输入三角化的几何模型。

STL格式是近似表达的格式，虽然不是国标标准组织发表的规范，但其简单易用的格式定义和应用开发方式，可参数化控制输出质量的特性，其应用的广度不断扩展。现在除其原用途外，使用STL及其增强格式（增加了边的描述）主要用于三方面应用：

• 几何质量检查和修复：针对三角形的计算，检查和修复几何未封闭或干涉的质量便捷性和效率要远高于基于曲面和实体的计算；
• 网格重划：基于三角面片离散几何进行网格重划是网格划分的重要方法。当前主要的网格划分方式，一为对曲线曲面离散后的划分，二是在STL三角面片上重划分，两者基本原理相同，但技术实现上已经形成两个流派；
• 可视化：STL格式是只包含封闭面几何的简易形式，非常适合作为可视化格式，为了进一步增强可视化应用，STL可以自定义扩展属性来附带增强信息，如边、拓扑关系，材料等。

4.2 PLY

PLY（PolygonFile Format-多边形文档格式）于1994年在史丹佛大学图学实验室的MarcLevoy教授指导下，由GregTurk及其他成员提出。该格式主要用以储存立体扫描结果的三维数值，透过多边形面片的集合描述三维物体，与其他格式相较之下这是较为简单的方法。PLY多边形文件格式的开发目标是建立一套针对多边形模型的，结构简单但是能够满足大多数图形应用需要的模型格式，而且它允许以ASCII码格式或二进制形式存储文件。

PLY和STL格式同样无法表示曲线、曲面，但PLY格式包含更多的模型信息，可以储存的信息包含颜色、透明度、表面法向量、材质座标与数据可信度等，并能对多边形的正反两面设定不同的属性，这使它可更好的应用于图形学。PLY在工业领域应用不多，但它是图形学研究领域中常用且重要的文件格式。

4.3OBJ

OBJ文件是Alias|Wavefront公司开发的一种3D模型文件格式，适合用于3D软件模型之间的互导。OBJ格式面向的是三维设计和动画软件，其应用方向和CAD还是有较大差异。

目前的OBJ3.0文件格式，也是一种近似表达的格式，支持直线(Line)、多边形(Polygon)、表面(Surface)和自由形态曲线(Free-formCurve)。

OBJ格式主要用途是在三维设计软件间进行模型的交换，可用于可视化，用途不广泛。

4.4X3D

X3D格式（含义是可扩展的3D）是2001年8月Wed3D协会（前身VRML协会）发布VRML（ISO/IEC14772-1：1997）的下一代开放标准文件格式和运行时体系结构国际标准，用于表示和传递3D场景和对象，所有基于X3D的应用都在一个开放的体系结构中，以构建支持各种领域和用户的方案。

X3D 格式采用近似表达来表示三维数据（它是和可视化硬件支持密切相关的）。X3D具有一组丰富的组件化功能，可定制用工程和科学可视化、CAD和结构、地理空间、动画、3D打印、3D扫描、AR/MR/VR等。

X3D格式作为一个开放的跨平台标准，可以在大多数Web浏览器中呈现3D模型，而无需使用附加或专有应用程序。使用X3D开发模型可方便移植到其他平台，如全息、头戴式或其他显示设备。

随着虚拟应用在工业领域的应用越来越广泛，X3D的应用以极快的速度丰富起来，例如在PDM和MES间产品数据交换时采用的X3DPDF方案，以及PLM中实现三维功能、性能、数字样机的可视化交互。