虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR,又譯作靈境、幻真）是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形（CG）技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)概述

EONStudio是一種依據(jù)圖形使用者接口，用來(lái)研發(fā)實(shí)時(shí)3D多媒體應(yīng)用程序的工具，主要應(yīng)用在電子商務(wù)/營(yíng)銷/數(shù)字學(xué)習(xí)/教育訓(xùn)練與建筑空間等領(lǐng)域。研發(fā)步驟包括輸入3D對(duì)象，通常這些對(duì)象會(huì)先由3D繪圖軟件完成，如3DStudioMAX、Lightwave等等，或者CAD應(yīng)用軟件如ArchiCAD、ProENGINEER、AutoCAD等。輸入模型后，就可以透過(guò)EON視覺(jué)圖型化程序接口、Scripting或C++程序代碼輕易讓模型加上動(dòng)作。最后，EON程序檔案可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)或封包展示，也可以與其它支持微軟ActiveX組件的工具進(jìn)行互動(dòng)，（Powerpoint、Word、Macormedia、Authorware、Director、Shockwave、VisualBasic等等）。EON Studio基于最新的PC技術(shù)，是在OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)和微軟的DirectX多媒體功能的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。通過(guò)與OpenGL和DirectX的聯(lián)系，使得利用EON所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序在將來(lái)圖形卡渲染能力加強(qiáng)的同時(shí)其渲染效果也會(huì)得到提高。EON強(qiáng)調(diào)資源（軟件/硬件）的集成與延展、基于Web的交互式三維文件的安全維護(hù)、逼真度及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合。EON Studio技術(shù)和VRML技術(shù)在結(jié)構(gòu)上十分相似，可以認(rèn)為，EON Studio技術(shù)是VRML技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)充，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

EON Studio應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，不僅使得對(duì)三維世界的描述變得清晰，還通過(guò)封裝屬性和建立模擬場(chǎng)景內(nèi)部消息路由，很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體的交互和行為動(dòng)作等功能。虛擬場(chǎng)景的基本元素為節(jié)點(diǎn)（node），節(jié)點(diǎn)是EON Studio為多媒體和交互對(duì)象定義的一個(gè)對(duì)象集。節(jié)點(diǎn)[1]的屬性包含在域（field）和事件（event）中。EON Studio的節(jié)點(diǎn)類型很豐富，具有超過(guò)100個(gè)預(yù)先設(shè)定好的功能節(jié)點(diǎn)，按功能可以分為以下幾類：預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)；代理節(jié)點(diǎn)；組裝節(jié)點(diǎn)；基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)；碰撞檢測(cè)節(jié)點(diǎn)；可視化節(jié)點(diǎn)；傳感器節(jié)點(diǎn)。

另外，EON Studio在以上基礎(chǔ)上又增加了Script Nodes,可以利用Java script或VB script進(jìn)行編程，處理一些復(fù)雜的仿真，擴(kuò)展了EON Studio中虛擬世界的動(dòng)態(tài)行為。利用EON Studio的功能節(jié)點(diǎn)，能方便地建立滿足用戶要求的三維虛擬場(chǎng)景，完成用戶特定的交互過(guò)程。

2 三維模型建立與優(yōu)化

2.1 三維模型建立

3D Studio Max,常簡(jiǎn)稱為3ds Max或MAX,是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統(tǒng)的3D Studio系列軟件，最新版本是2011.在Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級(jí)的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3D Studio Max + Windows NT組合的出現(xiàn)一下子降低了CG制作的門檻，首選開(kāi)始運(yùn)用在電腦游戲中的動(dòng)畫(huà)制作，后更進(jìn)一步開(kāi)始參與影視片的特效制作，例如X戰(zhàn)警II,最后的武士等。

使用3DS MAX可以較方便地建立逼真度很高的三維模型。圖2是建立某化工場(chǎng)景模型的軟件界面。

2.2 模型的優(yōu)化

模型的優(yōu)化對(duì)漫游場(chǎng)景的瀏覽很有幫助，前期如果不對(duì)場(chǎng)景的模型進(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)就需要重新回到MAX里修改模型并進(jìn)行重新烘焙后再導(dǎo)入到當(dāng)前的EON場(chǎng)景里，這樣就出現(xiàn)了重復(fù)工作的情況，大大降低了工作效率。因此，模型的優(yōu)化需要在創(chuàng)建場(chǎng)景時(shí)就應(yīng)受到足夠的重視。

在3DS MAX中建模的準(zhǔn)則基本上可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）制作簡(jiǎn)模

漫游場(chǎng)景中運(yùn)行畫(huà)面每一幀都是靠顯卡和CPU實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的，如果面數(shù)太多，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度急劇下降，甚至無(wú)法運(yùn)行；還會(huì)導(dǎo)致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布還會(huì)導(dǎo)致下載時(shí)間增加[2].

（2）三角面盡量為等邊三角形

在調(diào)用模型或創(chuàng)建模型時(shí)，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現(xiàn)長(zhǎng)條型。這是因?yàn)殚L(zhǎng)條形的面不利于實(shí)時(shí)渲染，還會(huì)出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)象。

（3）合理分布模型的密度

模型的密度分布不合理對(duì)其后面的運(yùn)行速度有影響，如果模型密度不均勻，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度時(shí)快時(shí)慢，因此，應(yīng)合理地分布場(chǎng)景模型的密度。

在3DS MAX中完成模型烘焙和優(yōu)化后，輸出的Eoz文件格式，可方便地導(dǎo)入EON Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

3 EON中場(chǎng)景的優(yōu)化

初步完成化工場(chǎng)景的建模后，通過(guò)EON Viewer瀏覽的速度緩慢，甚至發(fā)生停頓現(xiàn)象，如果不能解決瀏覽速度問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)就沒(méi)有什么意義了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)該問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)行分析。三維場(chǎng)景的呈現(xiàn)是通過(guò)瀏覽器以默認(rèn)視點(diǎn)為參照對(duì)場(chǎng)景描述文件的解釋而完成的，每當(dāng)用戶拖動(dòng)鼠標(biāo)或按下箭頭鍵在場(chǎng)景中走動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，視點(diǎn)就會(huì)發(fā)生變化。在真實(shí)世界中，人向前行，對(duì)面的事物會(huì)越來(lái)越近，為了模仿這種效果，每當(dāng)視點(diǎn)發(fā)生變化，瀏覽器就會(huì)重新計(jì)算場(chǎng)景中各對(duì)象的新位置并重新進(jìn)行渲染，使得人能走近某個(gè)對(duì)象。當(dāng)場(chǎng)景中對(duì)象較多時(shí)，瀏覽器渲染的速度就跟不上視點(diǎn)變化的速度，從而產(chǎn)生停頓的現(xiàn)象。

由于化工廠場(chǎng)景巨大、管線繁多、工藝流程復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)三維場(chǎng)景的顯示與實(shí)現(xiàn)帶來(lái)一定的困難。筆者曾試著采用貼圖的方法，即在一個(gè)方體上貼上相應(yīng)的紋理圖來(lái)表示裝置，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，瀏覽器解釋速度較快，但最大的缺點(diǎn)是構(gòu)建的對(duì)象缺乏三維立體感和真實(shí)感，因此貼圖的方法不適合化工場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的分析與研究，提出如下優(yōu)化方式。

3.1 大量使用重用機(jī)制

不僅一個(gè)裝置內(nèi)部的對(duì)象可以重用，流程相同的裝置之間也可采用重用機(jī)制。對(duì)于兩個(gè)不同的構(gòu)建模型，有些泵和閥門是相同的，那么對(duì)相同的部分利用DEF與UES重用機(jī)制就可以極大地簡(jiǎn)化描述文件，最重要的是能夠減輕瀏覽器的負(fù)擔(dān)，從而提高渲染速度。重用機(jī)制的使用有個(gè)前提，即只能在一個(gè)描述文件內(nèi)部使用[3].因此，需要進(jìn)行代碼重用的2個(gè)或多個(gè)對(duì)象，它們的描述應(yīng)放在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)中。

3.2 利用EON統(tǒng)計(jì)值改善模擬品質(zhì)

復(fù)雜三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制要求包括：場(chǎng)景環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)體的位置、姿態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算與動(dòng)態(tài)繪制；用戶視點(diǎn)改變時(shí)，畫(huà)面的刷新必須達(dá)到人眼覺(jué)察不到閃爍，即相當(dāng)光滑的程度，通常為20~30幀/s,至少不能少于10幀/s;同時(shí)場(chǎng)景的環(huán)境也要求隨著人的活動(dòng)及時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的畫(huà)面，圖形生成必須能立即做出反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境和場(chǎng)景。

可以利用模擬（Simulation）菜單中顯示模擬程式統(tǒng)計(jì)值（Show Simulation Statistics）選項(xiàng)，或是點(diǎn)選工具列中顯示模擬程式統(tǒng)計(jì)值的按鈕，啟動(dòng)模擬統(tǒng)計(jì)值的顯示[4].HZ:每秒框架數(shù)目。這是一個(gè)利用數(shù)個(gè)框架計(jì)算出來(lái)的平均速率，較小的值表示框架產(chǎn)生較慢；Frm:準(zhǔn)備框架所需的時(shí)間（s）。這個(gè)值可用來(lái)確認(rèn)哪個(gè)框架耗費(fèi)較多的時(shí)間；App:更新傳呼所需的時(shí)間（s）；Eve:事件處理所耗費(fèi)的時(shí)間（s）。Drw:繪圖所耗費(fèi)的時(shí)間（s），包含下載材質(zhì)、像素填充及頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換；#tri:繪制的三角形實(shí)際的數(shù)目（注意這個(gè)值會(huì)隨視角的改變而改變）。

隨著統(tǒng)計(jì)值的變化，可實(shí)時(shí)判定具體場(chǎng)景的瀏覽速度，同時(shí)利用EON中Mesh節(jié)點(diǎn)下的Polygon Reduction level子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Mesh網(wǎng)格的簡(jiǎn)化，以達(dá)到適合的瀏覽效果。

3.3 合理定義顯示比例

大部分的顯卡使用材質(zhì)的影像記憶體及框架緩沖來(lái)做動(dòng)作?？蚣芫彌_可分為前緩沖、后緩沖及Z緩沖，在屏幕上根據(jù)所看到影像的不同而不同。如果在視窗中執(zhí)行EON模擬程式，前緩沖會(huì)涵蓋整體事件屏幕，但不影響模擬視窗的大小，在記憶體的數(shù)量上，前緩沖由Windows屏幕設(shè)定來(lái)決定。而后緩沖及Z緩沖的大小則依據(jù)目前EON模擬視窗的大小來(lái)設(shè)定。

在屏幕上繪制像素是需要時(shí)間的，當(dāng)相對(duì)于視窗大小的框架速率很大時(shí)，像素填充會(huì)設(shè)定模擬速度的極限。要降低像素填充所花費(fèi)的時(shí)間，可使用較小的模擬視窗，點(diǎn)選大小/方位比例（Size/Aspect Ratio）標(biāo)簽，并輸入模擬視窗大小，降低透支（Overdraw）的程度（例如空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬），合理地將場(chǎng)景進(jìn)行分割并保存為獨(dú)立的Edz文件，利用改變模擬（Change Simulation）功能節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行切換，也可利用在框架功能節(jié)點(diǎn)的特性視窗中選取隱藏（Hidden）選項(xiàng)，讓漫游瀏覽中尚未看到的幾何物件暫時(shí)不顯示。

3.4 利用場(chǎng)景切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一對(duì)象不同模型的自動(dòng)切換

有針對(duì)性地為場(chǎng)景中面數(shù)復(fù)雜的裝置建立多個(gè)不同的模型，使場(chǎng)景在顯示的時(shí)候以不同模型多方面顯示，如圖3所示。最簡(jiǎn)單的是建立簡(jiǎn)單和細(xì)化兩種模型，當(dāng)視點(diǎn)距對(duì)象較遠(yuǎn)時(shí)采用簡(jiǎn)單模型，視點(diǎn)接近時(shí)自動(dòng)切換為該對(duì)象的細(xì)化模型。采用這種辦法，需對(duì)某對(duì)象建立多個(gè)模型，并利用Switch、LOD節(jié)點(diǎn)或觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)模型的切換[5].在切換過(guò)程中，要對(duì)切換時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使切換時(shí)間小于人眼眨動(dòng)頻率，畫(huà)面看起來(lái)更加逼真。這種方法既能夠減小面數(shù)、提高演示速度，又能夠使人感覺(jué)不到明顯的切換痕跡，是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)該繼續(xù)沿用并加以延伸的方法。

3.5 漫游系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)試

虛擬現(xiàn)實(shí)漫游技術(shù)的一大困難在于漫游仿真速度與運(yùn)行速度之間的矛盾。在建立最佳仿真程度模型的同時(shí)又要保證速度的運(yùn)行是要重點(diǎn)協(xié)調(diào)的問(wèn)題。本系統(tǒng)運(yùn)行的硬件配置為：處理器Pentiu（R）4 3.0 GHz,內(nèi)存1 GB,顯卡使用NVIDIA Geforce 7300GT（256 MB），在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行了優(yōu)化測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

利用EON Studio建立的虛擬化工場(chǎng)景，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)景為模型，實(shí)現(xiàn)了該虛擬場(chǎng)景的漫游，如圖4所示。使用者可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行全方位瀏覽，也可對(duì)局部進(jìn)行細(xì)致的觀察；并配合適當(dāng)?shù)闹v解，最終對(duì)該生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)清晰、深刻的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)模型部分優(yōu)化與在EON Studio中進(jìn)行的必要優(yōu)化，符合實(shí)時(shí)交互頻率15幀/s以上的漫游要求，加快了三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制速度，提供了良好的漫游瀏覽速度。該優(yōu)化方法具有一定的普遍性，對(duì)后續(xù)漫游信息系統(tǒng)的完善和二次開(kāi)發(fā)提供了必要的保證。