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小研三維虛擬場(chǎng)景漫游系統的設計與實(shí)現
1、引言
虛擬現實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）是人們對計算機仿真環(huán)境進(jìn)行可視化操作和交互的一種全新方式，與傳統人機界面相比，在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。利用計算機生成虛擬環(huán)境，通過(guò)視、聽(tīng)、觸，甚至味覺(jué)等多種通道的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交互[1]。虛擬現實(shí)技術(shù)融合了計算機圖形學(xué)、數字圖像處理、人工智能、傳感器、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )以及并行技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，大大推進(jìn)了計算機技術(shù)的發(fā)展，已被廣泛應用于軍事模擬、視景仿真、飛機汽車(chē)制造、科學(xué)可視化等領(lǐng)域[2]。虛擬漫游是虛擬現實(shí)技術(shù)的重要應用，實(shí)現了對三維景觀(guān)的數字化和虛擬化[3]，在虛擬場(chǎng)景中漫游具有實(shí)時(shí)性和交互性，使用戶(hù)產(chǎn)生了身臨其境的感受。
2、構建面向漫游的三維虛擬場(chǎng)景
構建虛擬場(chǎng)景是整個(gè)漫游系統的基礎，模型的質(zhì)量好壞直接影響了場(chǎng)景的逼真程度和運行的效果。本文采用Maya軟件進(jìn)行建模，得到模型具有很強的逼真度。虛擬漫游系統中場(chǎng)景的構建主要采用幾何建模技術(shù)進(jìn)行建模，根據不同的需求，將多邊形建模、曲面建模等多種方法結合起來(lái)應用。正式建模之前，首先要獲得整個(gè)場(chǎng)景的地圖數據，確定需要哪些建筑物以及每個(gè)建筑物所處的位置。本文主要是通過(guò)照片和錄像資料采集數據，照片由于分辨率較高并且是靜態(tài)的，通常用來(lái)描述場(chǎng)景細節信息，同時(shí)也作為紋理貼圖的主要參照來(lái)源。錄像資料收集的范圍比較廣，更適合記錄建筑物之間的相對位置。
在建模的過(guò)程中，可以將場(chǎng)景分為若干個(gè)模塊，主次分明，重點(diǎn)的建筑物需要對其精細建模，次要的建筑物則可以粗略建模，逐層逐塊的利用Maya提供的強大建模功能和修改工具進(jìn)行建模。需要精細建模的部分盡量采用精確的幾何體，而粗略的部分可以使用面片數較少的幾何體構建，爭取用最少的多邊形達到理想的效果。但是，在建好的模型中往往會(huì )出現冗余的多邊形，不僅增加了面片數，而且在漫游的過(guò)程中會(huì )出現畫(huà)面閃爍的現象。為此，可通過(guò)刪除一些瑣碎、細小的部分等方法對模型做初步的簡(jiǎn)化。另外，可以采用紋理貼圖代替多邊形表示模型細節的方法來(lái)減少多邊形的數量，也保證了模型的逼真度。
3、基于LOD技術(shù)的場(chǎng)景優(yōu)化
在虛擬現實(shí)的視景仿真中，為提高視景生成的效果，達到實(shí)時(shí)繪制的要求，本文根據側重不同，采用精細建模與粗略建模相結合，并運用LOD（level of details）場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)，減少繪制多邊形的數量，提高渲染效率。
3.1、LOD簡(jiǎn)介
LOD（Level Of Detail）層次細節模型，是指對同一個(gè)場(chǎng)景或場(chǎng)景的不同部分建立多個(gè)相似的模型，不同的模型對物體的細節描述不同。同一個(gè)物體，觀(guān)察者的位置不同，所能看到該物體的細節程度也不同。LOD技術(shù)根據這一原理，在生成場(chǎng)景時(shí)以視點(diǎn)與物體的距離為準則，距離較近的調入精細的模型，距離較遠的調入粗略模型。這樣既節約了繪制時(shí)間，又不影響場(chǎng)景的逼真度，大大提高了計算效率。LOD技術(shù)在復雜的三維場(chǎng)景快速繪制、交互式可視化、三維動(dòng)畫(huà)、虛擬現實(shí)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用[3]。
LOD模型可分為離散的LOD模型和連續的LOD模型。離散的LOD模型是按不同的細節程度，對同一個(gè)模型制作多個(gè)模型放在場(chǎng)景庫中。這樣的一系列模型之間互不關(guān)聯(lián)，且數據冗余大，在不同分辨率之間轉換的時(shí)候會(huì )引起視覺(jué)上的跳躍現象[4]。連續的LOD模型在一個(gè)時(shí)間上只保留該層次細節的模型，根據需要利用算法實(shí)時(shí)生成其他層次細節的模型。這樣幾乎沒(méi)有冗余數據，而且視覺(jué)上的連續性很好，但是由于算法復雜，模型生成較慢。本文為了保證視覺(jué)效果，采用連續的LOD模型來(lái)優(yōu)化場(chǎng)景，并且只應用于精細模型。
3.2、在Virtools中實(shí)現LOD過(guò)程
在Virtools中實(shí)現LOD模型優(yōu)化的過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟：
1、在Level Manager部分選擇需要應用LOD技術(shù)的物體，為其添加LOD屬性。在添加屬性時(shí)選擇面片數較多的物體，面片數少的或者不重要的物體可不應用LOD技術(shù)，這樣可以提高優(yōu)化效率。也可以通過(guò)在Scripts腳本中拖放Set LOD Attribute BB來(lái)添加LOD屬性。
2、LOD屬性參數編輯窗口如所示，參數包括Virtools提供的幾種網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法，如Multiple Meshes、Character Animation、Patch Mesh和LOD Alpha。
參數還包括LOD模型的選擇標準，如Screen Mag、Screen Min、Face Mag、Face Min，其中Screen Mag表示物體的放大尺寸，如果物體在屏幕上的投影占整個(gè)屏幕的比例超過(guò)Screen Mag，網(wǎng)格簡(jiǎn)化就會(huì )停止，此時(shí)物體的面片數由Face Mag決定。如果物體在屏幕上的投影占整個(gè)屏幕的比例小于Screen Mag，簡(jiǎn)化開(kāi)始，面片數減少。投影比例小于下限Screen Min，網(wǎng)格簡(jiǎn)化也會(huì )停止，此時(shí)物體的面片數由Face Min確定。系統會(huì )根據設定好參數調節每次簡(jiǎn)化邊折疊的次數，控制簡(jiǎn)化程度。清楚地說(shuō)明了物體面片數與投影比例之間的關(guān)系。
3、LOD漸進(jìn)網(wǎng)格簡(jiǎn)化是最經(jīng)常用到的簡(jiǎn)化算法，物體的面片被自動(dòng)移除。注意到，LOD參數編輯窗口中沒(méi)有LOD Progressive Mesh選項，這是由于構造漸進(jìn)網(wǎng)格是一個(gè)代價(jià)很高的過(guò)程，在漫游的同時(shí)進(jìn)行構造漸進(jìn)網(wǎng)格的過(guò)程會(huì )消耗大量的系統資源，影響系統的實(shí)時(shí)性，所以要在系統正式運行之前完成該過(guò)程。在Mesh Setup窗口中叉選Progressive Mesh選項， Virtools會(huì )自動(dòng)將物體的網(wǎng)格轉化為漸進(jìn)網(wǎng)格，對于復雜的模型這個(gè)過(guò)程會(huì )持續一段時(shí)間。
4、最后，在Scripts腳本中添加LOD Manager Options BB，控制LOD簡(jiǎn)化過(guò)程的開(kāi)啟和關(guān)閉。
4、漫游引擎的設計
在虛擬場(chǎng)景漫游系統中，為了方便用戶(hù)與場(chǎng)景之間的交互，需要提供多種漫游控制功能。包括了視角的前進(jìn)、后退、左右平移、重置觀(guān)察點(diǎn)位置、左右旋轉、旋轉視圖以及視角的上升、下降。在虛擬場(chǎng)景中建立一個(gè)攝像機模擬用戶(hù)的觀(guān)察點(diǎn)，當觀(guān)察點(diǎn)的位置和視線(xiàn)的方向改變時(shí)，看到的場(chǎng)景部分也會(huì )隨之改變。系統實(shí)時(shí)獲取視點(diǎn)的位置信息，改變參數重新繪制場(chǎng)景，實(shí)現了用戶(hù)在移動(dòng)過(guò)程中，從不同位置、不同角度觀(guān)察場(chǎng)景。
4.1、交互模式漫游
在復雜的三維虛擬場(chǎng)景中漫游，主要依靠鍵盤(pán)和鼠標作為輸入手段。實(shí)現原理是預先為鼠標、鍵盤(pán)等輸出設備設置對用的操作內容，當用戶(hù)按下某一功能鍵，即獲取相應的動(dòng)作信息，并將該信息傳遞給場(chǎng)景繪制模塊。然后繪制模塊調整參數，重新繪制場(chǎng)景。隨著(zhù)用戶(hù)不斷地操作，場(chǎng)景會(huì )呈現出不同的姿態(tài)和角度。
本文中用戶(hù)按下W鍵向前移動(dòng)（靠近屏幕方向），按下S鍵后退（遠離屏幕方向）。按下A鍵向右走，D鍵向左走。用戶(hù)可通過(guò)在視圖上按下鼠標左鍵并拖動(dòng)旋轉視圖，環(huán)視場(chǎng)景。另外，通過(guò)Z鍵和X鍵調整觀(guān)察點(diǎn)的高度，按下R鍵回到初始時(shí)的觀(guān)察位置。是交互式漫游的程序腳本，Mouse Waiter BB、Rotate BB實(shí)現了鼠標旋轉視圖，Switch On Key BB定義各個(gè)功能鍵以及調用每個(gè)鍵對應的動(dòng)作。是交互式漫游的效果圖。
4.2、自動(dòng)模式漫游
在虛擬場(chǎng)景中自動(dòng)漫游可以完全脫離用戶(hù)的手動(dòng)操作而獨立完成。主要設計思想：首先設計一條漫游路徑曲線(xiàn)，當漫游動(dòng)作開(kāi)始后，觀(guān)察點(diǎn)沿著(zhù)這條預設的路徑移動(dòng)，這樣連續轉換觀(guān)察點(diǎn)的位置，連續重新繪制新?tīng)顟B(tài)的場(chǎng)景，達到了自動(dòng)漫游的效果和目的。漫游路徑曲線(xiàn)可在建模軟件中提前設計并計算好，在模型導入交互設計軟件時(shí)將路徑曲線(xiàn)一并導出。只需相機沿著(zhù)路徑移動(dòng)并同時(shí)依此重繪場(chǎng)景，而不需要人為干預，即可實(shí)現自由動(dòng)態(tài)顯示。由于漫游路徑是預先設定好的，相對于交互式漫游，限制了觀(guān)察點(diǎn)的位置變換，靈活性較差。
是自動(dòng)漫游的程序腳本，Curve Follow BB控制攝像機沿著(zhù)設定的路徑曲線(xiàn)移動(dòng)，通過(guò)設置參數控制移動(dòng)的時(shí)間和速度，Position On Curve BB能夠保證攝像機在路徑上移動(dòng)的方向和位置。Curve Follow BB中的Position Curve選項由一條曲線(xiàn)描述攝像機移動(dòng)過(guò)程中的速度，曲線(xiàn)的最低點(diǎn)表示過(guò)程的開(kāi)始，最高點(diǎn)表示過(guò)程的結束，曲線(xiàn)的斜率和正負代表攝像機移動(dòng)速度的大小和方向。
5、結束語(yǔ)
三維虛擬場(chǎng)景漫游系統的實(shí)現融合了三維造型技術(shù)、虛擬現實(shí)技術(shù)和可視化技術(shù)。本文采用Maya軟件構建了虛擬場(chǎng)景的三維模型，利用漸進(jìn)網(wǎng)格算法生成場(chǎng)景模型的連續LOD描述，達到場(chǎng)景優(yōu)化的目的，有效地提升了三維漫游場(chǎng)景渲染速度。采用Virtools軟件設計了漫游引擎，簡(jiǎn)單方便，容易掌握。通過(guò)實(shí)時(shí)的交互操作，使用戶(hù)更具有真實(shí)感和臨場(chǎng)感。
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參考文獻
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[3] 周演, 陳天滋. 三維虛擬漫游技術(shù)的研究[J]. 計算機工程與技術(shù), 2012, 30(5):1209-1211.
[4] 尚建嘎, 吳丹等. 基于微機的三維圖形引擎體系結構研究[J]. 現代計算機,2002, 135:47-50.
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