談幾何建模技術在虛擬校園漫游系統開發中的應用

虛擬漫游系統的開發是虛擬現實技術的一個重要應用。以華北電力大學保定二校區為虛擬仿真環境 ，使用 3DMAX建模工具對校 園中的各種模型進行建模，使用多種基于幾何建模的場景優化措施，并基于GoogleEaCh衛星截圖進行場景的精確布局設計。結合 Virtools虛擬現實開發平臺，設計 了虛擬校園漫游系統的開發流程，并在微機平臺上實現了一個場景復雜的校 園實時漫游系統。該校 園漫游系統不但為用戶提供了友好的Web界 面，而且設計并實現了基于導航圖控制的人機交互機制，便于綜合使用多種漫游方式快速漫游校 園的場景。

　　虛擬校園漫游系統作為校園數字化工程的一部分，是指利用高性能計算機軟硬件去創建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發參與者構思的信息環境。借助這樣一個基于真實空間或假象空間的實時仿真虛擬空間，不僅可以全面展示校園建筑物的外觀、周邊環境，還可以以任意視角觀察建筑物的內部布局結構和內部設施，使參觀者足不出戶就可以進入虛擬的校園，盡情領略校園的美好風光。虛擬現實技術則是在計算機圖形學、仿真、人一機接口、多媒體以及傳感技術的基礎上發展起來的一門交叉學科。用戶以6個自由度在這個仿真的環境里進行對話，以自然的方式進行交互操作。利用計算機生成的模擬環境，通過傳感設備和計算機接口，給用戶親臨其境的感受。高逼真虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容，除了滿足沉浸感，還必須滿足交互性或實時性。虛擬校園漫游系統作為虛擬現實技術在特定領域的發展 和應 用，也 是是虛擬現實技術 的綜 合應 用，其研 究成果 同樣可用于公共建 筑項目(如車 站、機場、橋梁 、港 口、大壩、核電站等大型工程)、城市規劃設計方案、城市交通布局設計方案、建筑物室內設計、布置和裝飾效果的先期演示、驗證。目前已有的虛擬漫游系統根據其處理基元的類型可以分為 3種：基于多邊形的實時漫游系統，基于圖像的實時漫游系統以及混合類型的實時漫游系統。

　　基于圖像的實時漫游系統無需使用幾何模型的多邊形描述場景，而只需場景對象的數字圖像。這種方法雖然具有建模時間短，繪制效果逼真的優點，但是存在圖像匹配困難，存儲數據量大，立體感不強的缺點。對于碰撞檢測等交互式行為仿真，用這類 算法處理 極為困難 。基于全景圖技術 的漫游系統就屬于這一類，而目前國內一些大學開發的校園漫游系統一般采用這種全景圖技術，可以實現對場景的固定視點的任意視角的漫游 ，但從一 個視點到另一個 視點的移動會產生跳躍，且交互性差，QuickTime是這類漫游系統的代表。

　　基于多邊形的實時漫游系統也稱為基于幾何渲染的漫游系統。這類漫游系統一般具有很好的交互性，既可以在導航器的指導下漫游，也可以根據用戶的意愿自由漫游。但是一個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，大規模虛擬校園場景復雜度的增加勢必影響場景繪制的實 時性 。

　　混合漫游系統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點，但是目前該技術不是很成熟，基于圖像的漫游系統固有的缺陷仍然存在。因此，本系統選擇采用基于多邊形建模的方法構建虛擬校園漫游系統。

　　1 基于多邊形的虛擬漫游關鍵技術

　　目前從技術角度來說，建筑物虛擬漫游的最大難點在于建模和實時繪制。雖然隨著計算機技術的發展，個人計算機的處理能力有了極大提升，甚至已經超過了以往專業圖形工作站的水平。尤其是CPU和 GPU(graphics processing units)的迅猛發展，使得在微機上開發虛擬漫游系統具備了一定的物質基礎，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需要構造得非常精細，這往往消耗計算機大量的時間和空間資源。同樣，對于構造出來的如此復雜的模型，在對其進行繪制時，由于GPU性能的制約也往往很難達到實時效果。因此，圍繞解決大規模室內外漫游場景繪制的質量與實時性的矛盾也就必然成為開發虛擬漫游系統要解決的關鍵問題。本系統主要實現一個基于多邊形的校園室外漫游，需要考慮使用的關鍵技術主要包括：可見性裁減技術，LOD(1evel ofdetail)技術。

　　1．1 可見性裁減技術

　　可見性裁減處理從某個視點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，從而提高場景實時繪制的性能。如圖 1所示，根據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進行裁減，而對復雜場景的視見體裁減一般根據預處理階段構造的層次數據結構對場景空間數據進行合理組織，可以在場景對象一級進行裁減，因此使用 CPU進行視見體裁減的時間開銷更低。遮擋剔除是對于當前視點剔除掉位于視見體內且被其前面的遮 擋物(Occluder)遮擋住的對象。另外，可以將裁減那些背向視點的多邊形的背面裁減理解為一種最簡單的遮擋剔除。綜合國內外在這方面的研究情況，可見性裁減算法主要分為預處理與實時處理，保守型與近似型，點與區域型，圖像空間與物體空間，還有單獨遮擋物與遮擋物融合5種類型 。

　1．2 LOD技術

　　LOD繪制技術是指對網格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內，根據視點與物體的距離或物體的重要性等因素決定刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復雜度，加快圖形的繪制速度。因此這里采用LOD 技術充分利用了人眼的視覺特性，在模型的精細程度與繪制的速度方面取一個折衷，既要保證一定的繪制質量，以滿足良好的視覺效果，又不造成用戶漫游的不適感。地形這一特殊的復雜模型一般采用多分辨率建模技術繪制。所謂多分辯繪制算法可以認為是LOD技術的延伸，即算法實時地根據視點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，地貌特征并不復雜。基于以上情況，如圖2所示，本系統參照衛星地圖構建了華北電力大學保定二校區地形的平面模型，用它來替代地形模型。

　　2 虛擬漫游系統流程設計與開發

　　在虛擬校園漫游系統開發過程中，對現有的建筑及其它場景采用實地拍攝，實地觀察，使用幾何建模的方法來進行場景搭建。工作流程如圖3所示。

　　2．1 Virtools開發工具

　　本系統構建使用的V~tools是一套集創作應用程序、交互引擎和渲染引擎和發布模塊于一身的3D虛擬現實開發系統。該系統除了提供給用戶方便易用的拖拉模塊式構建方法，還為程序員提供了編程SDK、腳本編程語言以及對圖形編程語言ceTx的支持，以便于程序員開發更適合實際需求的高效解決方案 。

　　2．2 三維虛擬場景數據庫的構建與優化

　　逼真的三維場景模型是構建高逼真虛擬漫游系統的關鍵，本系統的場景構造主要按照實地考察結果進行。建模同時還要實現場景細節表現與圖形負荷之間的高效平衡。為了使構造的漫游系統達到實時繪制要求，系統采用了場景數據庫的層次組織結構、紋理映射、實例化、LOD層次細節模型、可見性裁剪等技術方法對場景進行優化。

　　實體建筑是虛擬場景中的主體部分，也是最重要的場景內容。對實體建筑進行建模與優化的一般步驟是：

　　(1)獲得建模數據。建筑外觀與幾何形狀等要求準確的數據，在沒有建筑圖紙的情況下主要根據實地拍攝的照片使用3DS MAX進行 建模。

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

　　(3)去除冗余多邊形。描述實體模型表面的數據經常存在冗余現象，這里的冗余多邊形主要是指在實體外部觀察模型時不可見的部分。例如，樓體的底面、內墻面及樓層之間的連接面等。由于場景瀏覽時它們處于不可見的位置，去除它們并不影響實體的視覺效果，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雜度。這里只考了建模時模型的可見性裁剪，對校園進行實時漫游時需根據Virtools的SDK實現非基本 圖元層次的視見體裁減和 遮擋剔除 ，這樣可充分利用GPU的性能實時繪制復雜校園的室外場景。

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

　　(5)使用 LOD技術對幾何模型和場景進行簡化。校園漫游系統 中對 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中設置調用范圍。采用LOD模型后，可以實現只在漫游視點接近場景對象時，載入精細模型，其他情形下則可以用低分辨率模型進行替換。

　　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、適當的外部景觀能極大的增強場景的真實感和逼真度。在本系統的虛擬校園巾，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氛圍，在場景構建后期還增加了人群與汽車等實體。

　　天空及遠景模型的構建也是場景中的重要內容。具體做法是在校 區地 形的邊緣構造 一個四周閉合 、由若干四邊形面組成的“圍墻”，通過在“圍墻”面上映射相應的紋理，來實現該方向上遠景的模擬。而對天空的模擬，如圖4所示，采用加蓋_個半球籠罩整個地形，在其內表面上映射相應的天氣效果紋理來實現。這樣，當視點在由地形、邊界立面、項面組成的內空間中移動時，加上適當的光照效果，可以使人感到遠景、天空所產生的強烈的縱深感。為了加強動態效果，還可以采用紋理變換的方法來實現動態移動的天空云彩。

　　場景實體模型的構建是按照場景層次結構的劃分來進行的，各層次實體景觀構建完后需要進行組合集成，最終形成虛擬場景的整體。本系統構建的虛擬校園的場景模型先按照小區域分別集成，然后將各小區域場景集成到地形模型上，可參照圖2所示校園平面圖進行位置的布局 。

　　2．3 場景地形的分塊調度管理

　　本系統構建的校園場景較大，這里采用分塊調度管理技術 。先將整個地形分割成若干多邊 形數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用(包括地形上的地物)，重新構成一個完成的地形模型。這樣可以根據視點所看到的區域，動態地選擇小單元地形模型進行調用，不需要調用整個地形模型，能有效地提高系統的吞吐量和場景繪制的實時性。

　　3 虛擬校園漫游功能的設計與實現

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

　　3．1 虛擬漫游人機交互控 制

　　人機交互一直都是虛擬現實系統研究中的重要內容。漫游系統中的實時交互性主要表現在兩個方面：一是用戶對場景中的實體對象能進行某些操作，并且實體對象能：征即以某種形式的變化反饋給用戶，響應用戶的操作 ；二是當用戶的位置與視點改變時，漫游引擎要能夠立即調度場景數據庫實時生成新的視點畫面，并顯示給用 戶 。

人的行走是日常生活中最普遍的行為，而在漫游系統中它也是最主要的行為。用來控制虛擬環境中視點位置的改變就是漫游系統中的主要交互方式。對視點控制交互方式的設計，主要考慮到方便性問題，即如何提供給用戶一種 自然方便 的觀察環境的方式。視點控制要能夠模擬行人在虛擬環境中觀察場景，在必要時還能以定點方位的方式瀏覽場景。在本系統中視點用虛擬相機來表示，所以對視點的控制實質足對相機進行設置與控制。通過對相機采用不同的控制方式可以實現不同的漫游方式。在校區漫游系統中，對相機使用以下控制方式：

　　(1)相機的靜態控制。相機本身具有位置和旋轉角度屬性。當進入漫游系統時，根據需要義初始設置的默認視點繪制場景，用戶可通過預設的視點切換校園場景。

　　(2)相機按固定路徑進行漫游。按下響應控制鍵，將按照設定好的路徑 對整個校園進行瀏覽。如圖 6所示為自由導航模式下的校園全景。

　　(3)自由漫游。以第一人稱視角 進行漫游 。

　　(4)定點漫游。點擊相應建筑物名稱即傳送到對應建筑物。

　　3．2 導航圖控制

　　如圖6左上角所示的導航圖是漫游系統中普遍使用的向導工具，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前所處的位置及周邊環境狀況。系統采用首先將三維場景渲染成一張二維平面地圖，然后利用虛擬相機實現地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點的同步運動。

　　4 結束語

　　本文在研究基于多邊形的虛擬漫游實時優化等關鍵技術的基礎上，以華北電力大學保定二校區為仿真實例，使用3DSMAX、Virtools中BuildingBlock及SDK工具設計并實現了～個具有基本漫游功能及簡單場景設置的實時虛擬校園漫游系統。針對本系統實時性及逼真性進一步改進的考慮，今后的工作包括：地形匹配問題；基于遮擋裁剪技 術的高效場景優化問題；基于網絡漫游的實時性問題。另外，系統功能的進一步完善也是今后的工作。通過功能完 善使之還具備實 時通訊、個人信息管理、信息交流、官方信息發布等功能，甚至能為網絡教學提供三維虛擬平臺。