虚拟现实环境中计算机图形场景实现方法研究

浙江工业职业技术学院 李赵国

一、虚拟现实技术简介

虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。

近几年，信息产业的急速发展使一般民用计算机的性能突飞猛进，VR技术在各行业的得到广泛应用。

二、虚拟现实技术在园林设计方面的应用

1.运用虚拟现实技术的意义

园林景观对于环境变化的前瞻性和周围景物的关联性要求很高，因此在动工之前就必须对完工之后的环境有一个明确的、清晰的概念。通常情况下，设计者会通过沙盘、三维效果图、漫游动画等方式来展示设计效果，供决策者、设计者、工程人员以及公众来理解和感受。以上的传统展示方式都各有其不同的优缺点，但有一个缺点是共同的，即不能以人的视点深入其中，得到全方位的观察设计效果，而运用VR技术则可以很好地做到这一点。使用VR技术后，决策者、设计者、工程人员以及公众可从任意角度，实时互动真实地看到设计效果，身临其境地掌握周围环境和理解设计师的设计意图。这是传统手段所不能达到的。

2.运用虚拟现实技术存在的瓶颈

计算机创建的三维模型（Model）是由面（Face）组成的，模型的形体越复杂，所用的面也会越多，对计算机的运算速度要求也就越高。就目前相关设计领域来说，VR技术在城市规划及建筑设计方面的应用相对较成熟，这主要是因为建筑多由规则的形体构成，在计算机的模型中所用的面相对较少，实现VR较为容易。而园林景观中常用的设计要素，如植物、变化的地形、水体等都是不规则的形体，用计算机的模型表示会非常复杂，像一棵树本身就有成千上万片树叶，做成模型后所用到的面能达到百万的数量级，这对于现阶段的一般民用计算机来说，实现流畅的VR效果是不可能的。因此VR技术在园林造景中的应用研究仍处于起步阶段。

3.目前所能采取的应对方法

目前计算机的速度不能满足完全建模情况下园林景观的虚拟现实，所以只能使用贴图（MAP）的方式来模拟其中的植物。使用一张处理好的树木照片，就能在VR中用1个面来表现一棵树，虽然在真实度方面会有一定的损失，但相对于完全建模所需的上百万个面来说，这种损失是值得的。

三、虚拟现实技术的实现方法

1.虚拟现实技术的选择

经过多年的发展，虚拟现实技术的实现也派生出多种不同的方法，现在较为流行的有JAVA3D、CUTE3D、VRML等多种实现方法，它们也各有其不同的优缺点。而对于大型场景的模拟，VRML较为适合。

VRML（Virtual Reality Modeling L anguage）是一个用于三维造型和渲染的图形描述语言。用VRML我们可以创造一个能进入、能参与的虚拟世界。VRML2.O的新标准被广泛地用于Internet上创建虚拟三维空间，可以随意创建任何虚拟的物体，像建筑物、城市、山脉、飞船、星体等对象，也可以在虚拟空间中添加声音、动画，使之更加生动，更接近真实。同时，VRML程序所占的磁盘空间非常小，便于网络间的相互传输。

VRML本质上是一个网络语言，像HTML一样，需要通过编写程序代码来实现，这一点也是虚拟现实技术难以普及的一个门槛。但目前一些常用的三维图形制作软件，如3DSMAX、MAYA等都对VRML提供了一定的支持。

对于园林设计师来说，3DSMAX是较为常用的建模软件，而3DSMAX对VRML又有较好的支持，它不仅支持VRML程序的输出，同时还可以在VRML程序中通过选择摄像机在三维场景中进行导航设置，在场景中指定活动控件和感应器，丰富了实时浏览的内容。因此对于熟悉3DSMAX的园林设计师来说，VRML是一个很好的选择。

2.基本流程

（1）在3DSMAX中建立三维场景

首先按照设计方案制作出场景中各要素的模型，并赋上相应的材质贴图，然后加上能照亮整个场景的灯光，最后根据设定的视域和视高来确定自由摄像机（Free camera）的镜头类型和位置。

可见，建立虚拟现实环境的场景与制作电脑渲染图场景的过程基本一致，但侧重点有所不同，后者需要的是静态图像的渲染效果，而前者则更关注实时浏览的流畅感和空间感，因此在创建虚拟现实场景时应做到下面几点：

1）在满足视觉要求的前提下，尽量减少模型的面数。模型创建完后使用3DSMAX中的优化修改器（Optimize）进行优化，能最大限度的减少模型面数。

2）使用关联复制（InstancesCopy）。Instance是对象的关联复制，当改变任何一个关联复制品的时候，所有其他的复制品都会改变。在建立虚拟场景时，关联复制是非常有用的，当使用关联复制的时候，组成关联复制的对象的面的设置只在VRML中定义一次。这样可以使用多次同样的几何图形，但不增加文件的下载时间。

3）对于一些非主要物体，不要过于苛求细节，尽可能使用“模拟的”几何体。比如周围的建筑可直接采用“几何体+贴图”（box+maps）的方式制作。

4）场景中所使用的贴图不需要很精细，最好全用jpg格式压缩，并缩小尺寸，这样能节省大量的下载时间。

5）所有使用到的贴图必须全部放在一个目录中，因为VRML只能搜索一个指定的贴图目录。

6）使用灯光。光线是场景视觉信息与视觉造型的基础，没有光线便无法体现物体的形状、质感和透视关系，这一点和做电脑渲染图是一样的。但在VRML中不能使用诸如全局光、反射光、折射光、阴影等光线效果，只能通过普通灯光的布光技巧来弥补。另外，要保证场景中任何一个角落都能被灯光照亮，因为最终浏览虚拟现实场景时，任何一个角落都有可能被浏览到。

7）使用摄像机。VR场景的浏览是通过摄像机来进行的，在3DSMAX中创建自由摄像机（Free camera）来确定视域和视高，不同的视域和视高在实时浏览时能给人以不同的感受。在3DSMAX场景中建立的不同摄像机将会由VRML浏览器列出，可以供用户在VR场景中进行选择性的导航。即使是在浏览器中导航非常缓慢的大环境，也可以通过对一系列的摄像机视图进行切换来快速选择性的浏览。使用建立的摄像机，展示最佳场景，也就是展示具有不寻常的透视效果，或是展示场景中花费了大量功夫才创建的精细部分的特写，如果把它留给客户去自由导航场景，就无法控制客户能看到什么效果了。当然，也可以只通过一个摄像机导航，让客户可以自由在VRML场景中游览而且无拘无束。

（2）虚拟场景中植物、地形等不规则要素的制作

1）植物：3DSMAX的透明贴图（Opacity）是VRML所不支持的，所以不能使用常规的方法制作植物。应该先用图形处理软件（如PHOTOSHOP）将树木照片处理成无背景的GIF格式（可支持网络上的透明背景），然后直接作为贴图赋予一个平面（Plan）。尽管看起来不是很真实，但与给植物建造模型细节所付出的代价相比要小得多。

VRML场景的浏览是实时互动的，所以仅使用一个面的树木是不能满足多角度观察的。提供两种方法来解决这个问题：一是用关联复制将树木平面复制一份，然后互相十字交叉，这样不管在什么角度都能看到完整的树，但这种情况仅适用于左右对称的植物；第二个方法是使用摄像机对齐技术，使树木的正面始终面对摄像机，但这种方法通过3DSMAX不能直接实现，必须手动修改VRML代码来实现，这就需要一定的编程基础。

2）地形：使用3DSMAX中的位移（displace）修改器制作。位移修改器通过对三维物体施加一个灰度图，使三维物体对应图上亮的地方产生凸起，而亮度的不同会导致凸起的程度不同。因此我们可以将设计的地形用Photoshop处理成一张灰度图，然后在3DSMAX中作为位移修改器的贴图施加到一个平面上，就可以得到我们想要的地形了。

（3）为场景创建互动效果

VR技术中最令人激动的就是场景的互动性，用3DSMAX可以方便地创建出互动效果，在“创建/帮助物体（Creat/Helpers）”面板下的下拉列表框中选“VRML2.O”，出现一个工具面板，面板上列出了12个VRML辅助工具。其中可用于场景互动的有“锚（Anchor）”、“触动感应器（TouchSensor）”和“范围感应器（ProxSensor）”3个感应器工具。Anchor是锚触发器，当点击设置了此触发器的物体时，可以使场景切换到另一个预先指定的URL链接（类似网页文档的超级链接），或是与场景中的指定的另一个摄像机链接，类似电影中的镜头切换；TouchSensor是一个触动感应器，当在场景中用鼠标点击一个指定物体时就会引发一个预定义的动作；ProxSensor则是一个范围感应器，只要接近一个指定物体时也会引发一个预定义的动作。使用它们就能创建出互动的场景。比如走到一扇门前，门会自动打开；按动按钮，喷泉就会喷出水花，等等。

（4）输出VRML文件

在3DSMAX中使用“file”菜单下的“export…”，将导出的格式选为“VRML2.O（＊.WRL）”，文件存放的路径应和贴图一致，然后注意在弹出的对话框中设置“Bitmap URL Prefix”，将图片路径设置正确。

（5）虚拟现实的浏览

浏览虚拟现实的最佳方式是通过头盔式显示器或三维眼镜来感受，但成本较高，故不在本文讨论范围。一种廉价的实现方法就是直接通过WINDOWS操作系统中的IE浏览器来浏览，首先需要安装专用的VRML浏览器插件，如CORTVRML、CosmoWorlds等都是较为常用的。安装完成后，直接运行做好的VRML文件就能在浏览器中浏览了。在浏览器中通过鼠标或键盘控制漫游的方向，如同身临其境。

四、总结

在虚拟现实环境中，设计者置身于一个相对真实的模拟空间，使得场景能够突破“平面、立面、剖面”的常规模式，让设计者从各个不同的角度直观地面对设计对象，更加深入地研究环境中各设计要素及空间之间的关系和比例，设计出更加完美、更加人性化的作品。

[1]曾芬芳主编.虚拟现实技术[M].上海交通大学出版社,1997.

[2]黄心渊编著.虚拟现实技术与应用[M].科学出版社,1999.

[3]Heung-Yeung Shum and Li-Wee He.Rendering with Concentric Mosaics.SIGGRAPH’99.

[4]张昀,徐自亮.3D Studio MAX R3(上册)[M].清华大学出版社,1999.

[5]3D Studio MAX R3 技术文档[Z].Kinetix Company.

[6]鲍虎军,彭群生.浙江大学CAD＆CG国家重点实验室.基于图像的图形绘制技术[Z].技术专题版专题报道,1998(36).