談幾何建模技術(shù)在虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。以華北電力大學(xué)保定二校區(qū)為虛擬仿真環(huán)境 ，使用 3DMAX建模工具對(duì)校 園中的各種模型進(jìn)行建模，使用多種基于幾何建模的場景優(yōu)化措施，并基于GoogleEaCh衛(wèi)星截圖進(jìn)行場景的精確布局設(shè)計(jì)。結(jié)合 Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì) 了虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程，并在微機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)場景復(fù)雜的校 園實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。該校 園漫游系統(tǒng)不但為用戶提供了友好的Web界 面，而且設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于導(dǎo)航圖控制的人機(jī)交互機(jī)制，便于綜合使用多種漫游方式快速漫游校 園的場景。

　　虛擬校園漫游系統(tǒng)作為校園數(shù)字化工程的一部分，是指利用高性能計(jì)算機(jī)軟硬件去創(chuàng)建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與者構(gòu)思的信息環(huán)境。借助這樣一個(gè)基于真實(shí)空間或假象空間的實(shí)時(shí)仿真虛擬空間，不僅可以全面展示校園建筑物的外觀、周邊環(huán)境，還可以以任意視角觀察建筑物的內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施，使參觀者足不出戶就可以進(jìn)入虛擬的校園，盡情領(lǐng)略校園的美好風(fēng)光。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真、人一機(jī)接口、多媒體以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。用戶以6個(gè)自由度在這個(gè)仿真的環(huán)境里進(jìn)行對(duì)話，以自然的方式進(jìn)行交互操作。利用計(jì)算機(jī)生成的模擬環(huán)境，通過傳感設(shè)備和計(jì)算機(jī)接口，給用戶親臨其境的感受。高逼真虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，除了滿足沉浸感，還必須滿足交互性或?qū)崟r(shí)性。虛擬校園漫游系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特定領(lǐng)域的發(fā)展 和應(yīng) 用，也 是是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 的綜 合應(yīng) 用，其研 究成果 同樣可用于公共建 筑項(xiàng)目(如車 站、機(jī)場、橋梁 、港 口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、城市交通布局設(shè)計(jì)方案、建筑物室內(nèi)設(shè)計(jì)、布置和裝飾效果的先期演示、驗(yàn)證。目前已有的虛擬漫游系統(tǒng)根據(jù)其處理基元的類型可以分為 3種：基于多邊形的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，基于圖像的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)以及混合類型的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。

　　基于圖像的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)無需使用幾何模型的多邊形描述場景，而只需場景對(duì)象的數(shù)字圖像。這種方法雖然具有建模時(shí)間短，繪制效果逼真的優(yōu)點(diǎn)，但是存在圖像匹配困難，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，立體感不強(qiáng)的缺點(diǎn)。對(duì)于碰撞檢測等交互式行為仿真，用這類 算法處理 極為困難 ?；谌皥D技術(shù) 的漫游系統(tǒng)就屬于這一類，而目前國內(nèi)一些大學(xué)開發(fā)的校園漫游系統(tǒng)一般采用這種全景圖技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)場景的固定視點(diǎn)的任意視角的漫游 ，但從一 個(gè)視點(diǎn)到另一個(gè) 視點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生跳躍，且交互性差，QuickTime是這類漫游系統(tǒng)的代表。

　　基于多邊形的實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)也稱為基于幾何渲染的漫游系統(tǒng)。這類漫游系統(tǒng)一般具有很好的交互性，既可以在導(dǎo)航器的指導(dǎo)下漫游，也可以根據(jù)用戶的意愿自由漫游。但是一個(gè)高逼真的基于多邊形的虛擬校園漫游場景通常包含上千萬甚至更多的多邊形，大規(guī)模虛擬校園場景復(fù)雜度的增加勢必影響場景繪制的實(shí) 時(shí)性 。

　　混合漫游系統(tǒng)既使用圖像也使用多邊形來參與繪制，試圖融合前兩者的優(yōu)點(diǎn)，但是目前該技術(shù)不是很成熟，基于圖像的漫游系統(tǒng)固有的缺陷仍然存在。因此，本系統(tǒng)選擇采用基于多邊形建模的方法構(gòu)建虛擬校園漫游系統(tǒng)。

　　1 基于多邊形的虛擬漫游關(guān)鍵技術(shù)

　　目前從技術(shù)角度來說，建筑物虛擬漫游的最大難點(diǎn)在于建模和實(shí)時(shí)繪制。雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)的處理能力有了極大提升，甚至已經(jīng)超過了以往專業(yè)圖形工作站的水平。尤其是CPU和 GPU(graphics processing units)的迅猛發(fā)展，使得在微機(jī)上開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)具備了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，但是由于室外建筑漫游所看到的景象距人們很近，因此需要繪制得非常逼真并且建模時(shí)需要構(gòu)造得非常精細(xì)，這往往消耗計(jì)算機(jī)大量的時(shí)間和空間資源。同樣，對(duì)于構(gòu)造出來的如此復(fù)雜的模型，在對(duì)其進(jìn)行繪制時(shí)，由于GPU性能的制約也往往很難達(dá)到實(shí)時(shí)效果。因此，圍繞解決大規(guī)模室內(nèi)外漫游場景繪制的質(zhì)量與實(shí)時(shí)性的矛盾也就必然成為開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于多邊形的校園室外漫游，需要考慮使用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：可見性裁減技術(shù)，LOD(1evel ofdetail)技術(shù)。

　　1．1 可見性裁減技術(shù)

　　可見性裁減處理從某個(gè)視點(diǎn)來說場景中可見部分的確定問題，即只將潛在的可見部分送入繪制管道，從而提高場景實(shí)時(shí)繪制的性能。如圖 1所示，根據(jù)場景中不可見面片的種類，可以將可見性裁減分為視見體裁減和遮擋剔除。視見體裁減主要裁減位于視見體外部的多邊形，簡單場景的視見體裁減可以基于 OpenGL等圖形繪制軟件包在基本圖元一級(jí)進(jìn)行裁減，而對(duì)復(fù)雜場景的視見體裁減一般根據(jù)預(yù)處理階段構(gòu)造的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)場景空間數(shù)據(jù)進(jìn)行合理組織，可以在場景對(duì)象一級(jí)進(jìn)行裁減，因此使用 CPU進(jìn)行視見體裁減的時(shí)間開銷更低。遮擋剔除是對(duì)于當(dāng)前視點(diǎn)剔除掉位于視見體內(nèi)且被其前面的遮 擋物(Occluder)遮擋住的對(duì)象。另外，可以將裁減那些背向視點(diǎn)的多邊形的背面裁減理解為一種最簡單的遮擋剔除。綜合國內(nèi)外在這方面的研究情況，可見性裁減算法主要分為預(yù)處理與實(shí)時(shí)處理，保守型與近似型，點(diǎn)與區(qū)域型，圖像空間與物體空間，還有單獨(dú)遮擋物與遮擋物融合5種類型 。

　1．2 LOD技術(shù)

　　LOD繪制技術(shù)是指對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，根據(jù)視點(diǎn)與物體的距離或物體的重要性等因素決定刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜度，加快圖形的繪制速度。因此這里采用LOD 技術(shù)充分利用了人眼的視覺特性，在模型的精細(xì)程度與繪制的速度方面取一個(gè)折衷，既要保證一定的繪制質(zhì)量，以滿足良好的視覺效果，又不造成用戶漫游的不適感。地形這一特殊的復(fù)雜模型一般采用多分辨率建模技術(shù)繪制。所謂多分辯繪制算法可以認(rèn)為是LOD技術(shù)的延伸，即算法實(shí)時(shí)地根據(jù)視點(diǎn)的變化而簡化地形繪制的一種方法。由于校園地形較為平坦，地貌特征并不復(fù)雜?；谝陨锨闆r，如圖2所示，本系統(tǒng)參照衛(wèi)星地圖構(gòu)建了華北電力大學(xué)保定二校區(qū)地形的平面模型，用它來替代地形模型。

　　2 虛擬漫游系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)與開發(fā)

　　在虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)過程中，對(duì)現(xiàn)有的建筑及其它場景采用實(shí)地拍攝，實(shí)地觀察，使用幾何建模的方法來進(jìn)行場景搭建。工作流程如圖3所示。

　　2．1 Virtools開發(fā)工具

　　本系統(tǒng)構(gòu)建使用的V~tools是一套集創(chuàng)作應(yīng)用程序、交互引擎和渲染引擎和發(fā)布模塊于一身的3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了提供給用戶方便易用的拖拉模塊式構(gòu)建方法，還為程序員提供了編程SDK、腳本編程語言以及對(duì)圖形編程語言ceTx的支持，以便于程序員開發(fā)更適合實(shí)際需求的高效解決方案 。

　　2．2 三維虛擬場景數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與優(yōu)化

　　逼真的三維場景模型是構(gòu)建高逼真虛擬漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)的場景構(gòu)造主要按照實(shí)地考察結(jié)果進(jìn)行。建模同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)場景細(xì)節(jié)表現(xiàn)與圖形負(fù)荷之間的高效平衡。為了使構(gòu)造的漫游系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)繪制要求，系統(tǒng)采用了場景數(shù)據(jù)庫的層次組織結(jié)構(gòu)、紋理映射、實(shí)例化、LOD層次細(xì)節(jié)模型、可見性裁剪等技術(shù)方法對(duì)場景進(jìn)行優(yōu)化。

　　實(shí)體建筑是虛擬場景中的主體部分，也是最重要的場景內(nèi)容。對(duì)實(shí)體建筑進(jìn)行建模與優(yōu)化的一般步驟是：

　　(1)獲得建模數(shù)據(jù)。建筑外觀與幾何形狀等要求準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在沒有建筑圖紙的情況下主要根據(jù)實(shí)地拍攝的照片使用3DS MAX進(jìn)行 建模。

　(2)確定模型的層次結(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)使用的建模工具不具備像Multigen建模工具的樹狀層次結(jié)構(gòu)來管理場景模型”，所以在模型建好后，通過導(dǎo)入到 Virtools中進(jìn)行層次設(shè)置。如先按主體分組，再在每個(gè)主體中分墻體、門、窗等。直到底層分解到基本圖元結(jié)構(gòu)。

　　(3)去除冗余多邊形。描述實(shí)體模型表面的數(shù)據(jù)經(jīng)常存在冗余現(xiàn)象，這里的冗余多邊形主要是指在實(shí)體外部觀察模型時(shí)不可見的部分。例如，樓體的底面、內(nèi)墻面及樓層之間的連接面等。由于場景瀏覽時(shí)它們處于不可見的位置，去除它們并不影響實(shí)體的視覺效果，而消除這些冗余多邊形則可以在很大程度上降低場景的復(fù)雜度。這里只考了建模時(shí)模型的可見性裁剪，對(duì)校園進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游時(shí)需根據(jù)Virtools的SDK實(shí)現(xiàn)非基本 圖元層次的視見體裁減和 遮擋剔除 ，這樣可充分利用GPU的性能實(shí)時(shí)繪制復(fù)雜校園的室外場景。

　　(4)使用紋理映射。對(duì)于門、窗、欄桿等每棟建筑都具有且數(shù)量較大的細(xì)節(jié)部分，一般采取紋理映射的方法，在對(duì)應(yīng)位置的多邊形表面上“貼制”紋理圖片，用來代替詳細(xì)的模型。這樣處理可以減少模型的多邊形數(shù)目和復(fù)雜程度，提高圖像繪制速度和顯示速度。只要視點(diǎn)不過于靠近建筑物，紋理映射并不會(huì)降低場景的逼真度。

　　(5)使用 LOD技術(shù)對(duì)幾何模型和場景進(jìn)行簡化。校園漫游系統(tǒng) 中對(duì) LOD的定義是利 用 3DSMax和 Virtools來完成 的 。使用3DSMax~作不同精度的模型，在Xrmools中設(shè)置調(diào)用范圍。采用LOD模型后，可以實(shí)現(xiàn)只在漫游視點(diǎn)接近場景對(duì)象時(shí)，載入精細(xì)模型，其他情形下則可以用低分辨率模型進(jìn)行替換。

　　此外，外部景觀在漫游場景中也是不可缺少的重要部分，美觀、適當(dāng)?shù)耐獠烤坝^能極大的增強(qiáng)場景的真實(shí)感和逼真度。在本系統(tǒng)的虛擬校園巾，外部景觀主要包括：草地、樹木、花叢、路燈、涼亭、雕塑、花壇等。為了營造校園場景的真實(shí)氛圍，在場景構(gòu)建后期還增加了人群與汽車等實(shí)體。

　　天空及遠(yuǎn)景模型的構(gòu)建也是場景中的重要內(nèi)容。具體做法是在校 區(qū)地 形的邊緣構(gòu)造 一個(gè)四周閉合 、由若干四邊形面組成的“圍墻”，通過在“圍墻”面上映射相應(yīng)的紋理，來實(shí)現(xiàn)該方向上遠(yuǎn)景的模擬。而對(duì)天空的模擬，如圖4所示，采用加蓋_個(gè)半球籠罩整個(gè)地形，在其內(nèi)表面上映射相應(yīng)的天氣效果紋理來實(shí)現(xiàn)。這樣，當(dāng)視點(diǎn)在由地形、邊界立面、項(xiàng)面組成的內(nèi)空間中移動(dòng)時(shí)，加上適當(dāng)?shù)墓庹招Ч?，可以使人感到遠(yuǎn)景、天空所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的縱深感。為了加強(qiáng)動(dòng)態(tài)效果，還可以采用紋理變換的方法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)的天空云彩。

　　場景實(shí)體模型的構(gòu)建是按照?qǐng)鼍皩哟谓Y(jié)構(gòu)的劃分來進(jìn)行的，各層次實(shí)體景觀構(gòu)建完后需要進(jìn)行組合集成，最終形成虛擬場景的整體。本系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬校園的場景模型先按照小區(qū)域分別集成，然后將各小區(qū)域場景集成到地形模型上，可參照?qǐng)D2所示校園平面圖進(jìn)行位置的布局 。

　　2．3 場景地形的分塊調(diào)度管理

　　本系統(tǒng)構(gòu)建的校園場景較大，這里采用分塊調(diào)度管理技術(shù) 。先將整個(gè)地形分割成若干多邊 形數(shù)較少的小單元地形并存成不同的地形模型文件，再以外部引用的方式分別調(diào)用(包括地形上的地物)，重新構(gòu)成一個(gè)完成的地形模型。這樣可以根據(jù)視點(diǎn)所看到的區(qū)域，動(dòng)態(tài)地選擇小單元地形模型進(jìn)行調(diào)用，不需要調(diào)用整個(gè)地形模型，能有效地提高系統(tǒng)的吞吐量和場景繪制的實(shí)時(shí)性。

　　3 虛擬校園漫游功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　如圖5所示，本系統(tǒng)包括漫游模塊、3D地圖模塊及衛(wèi)星地圖模式。其中三維漫游主要包括固定路徑漫游、自由導(dǎo)航漫游 、定點(diǎn)漫游、場景導(dǎo)入和編輯等主要功能。 3D地圖模式和衛(wèi)星地圖模式則提供用戶 以地圖拖拉導(dǎo)航的方式形象直觀地進(jìn)行校園漫游。

　　3．1 虛擬漫游人機(jī)交互控 制

　　人機(jī)交互一直都是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究中的重要內(nèi)容。漫游系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)交互性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是用戶對(duì)場景中的實(shí)體對(duì)象能進(jìn)行某些操作，并且實(shí)體對(duì)象能：征即以某種形式的變化反饋給用戶，響應(yīng)用戶的操作 ；二是當(dāng)用戶的位置與視點(diǎn)改變時(shí)，漫游引擎要能夠立即調(diào)度場景數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)生成新的視點(diǎn)畫面，并顯示給用 戶 。

人的行走是日常生活中最普遍的行為，而在漫游系統(tǒng)中它也是最主要的行為。用來控制虛擬環(huán)境中視點(diǎn)位置的改變就是漫游系統(tǒng)中的主要交互方式。對(duì)視點(diǎn)控制交互方式的設(shè)計(jì)，主要考慮到方便性問題，即如何提供給用戶一種 自然方便 的觀察環(huán)境的方式。視點(diǎn)控制要能夠模擬行人在虛擬環(huán)境中觀察場景，在必要時(shí)還能以定點(diǎn)方位的方式瀏覽場景。在本系統(tǒng)中視點(diǎn)用虛擬相機(jī)來表示，所以對(duì)視點(diǎn)的控制實(shí)質(zhì)足對(duì)相機(jī)進(jìn)行設(shè)置與控制。通過對(duì)相機(jī)采用不同的控制方式可以實(shí)現(xiàn)不同的漫游方式。在校區(qū)漫游系統(tǒng)中，對(duì)相機(jī)使用以下控制方式：

　　(1)相機(jī)的靜態(tài)控制。相機(jī)本身具有位置和旋轉(zhuǎn)角度屬性。當(dāng)進(jìn)入漫游系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)需要義初始設(shè)置的默認(rèn)視點(diǎn)繪制場景，用戶可通過預(yù)設(shè)的視點(diǎn)切換校園場景。

　　(2)相機(jī)按固定路徑進(jìn)行漫游。按下響應(yīng)控制鍵，將按照設(shè)定好的路徑 對(duì)整個(gè)校園進(jìn)行瀏覽。如圖 6所示為自由導(dǎo)航模式下的校園全景。

　　(3)自由漫游。以第一人稱視角 進(jìn)行漫游 。

　　(4)定點(diǎn)漫游。點(diǎn)擊相應(yīng)建筑物名稱即傳送到對(duì)應(yīng)建筑物。

　　3．2 導(dǎo)航圖控制

　　如圖6左上角所示的導(dǎo)航圖是漫游系統(tǒng)中普遍使用的向?qū)Чぞ?，一般使用二維地圖表示。與三維場景的視圖相比，二維地圖的優(yōu)勢在于它可以提供更加廣闊的視野空間，使漫游者很容易從總體上把握當(dāng)前所處的位置及周邊環(huán)境狀況。系統(tǒng)采用首先將三維場景渲染成一張二維平面地圖，然后利用虛擬相機(jī)實(shí)現(xiàn)地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點(diǎn)的同步運(yùn)動(dòng)。

　　4 結(jié)束語

　　本文在研究基于多邊形的虛擬漫游實(shí)時(shí)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，以華北電力大學(xué)保定二校區(qū)為仿真實(shí)例，使用3DSMAX、Virtools中BuildingBlock及SDK工具設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了～個(gè)具有基本漫游功能及簡單場景設(shè)置的實(shí)時(shí)虛擬校園漫游系統(tǒng)。針對(duì)本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及逼真性進(jìn)一步改進(jìn)的考慮，今后的工作包括：地形匹配問題；基于遮擋裁剪技 術(shù)的高效場景優(yōu)化問題；基于網(wǎng)絡(luò)漫游的實(shí)時(shí)性問題。另外，系統(tǒng)功能的進(jìn)一步完善也是今后的工作。通過功能完 善使之還具備實(shí) 時(shí)通訊、個(gè)人信息管理、信息交流、官方信息發(fā)布等功能，甚至能為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供三維虛擬平臺(tái)。