基于Virtools的虚拟现实系统建模与优化

谢 阳，张 燕，李改红，马 梁

(1.辽宁石油化工大学计算机与通讯工程学院，抚顺113001;2.渤海大学文理学院信息技术系，锦州121001)

1 引言

虚拟现实技术作为一门新兴的综合性技术，融合了信息技术多个分支的最新发展成果，是一个由计算机生成的高技术模拟系统。其应用的重要特性之一是人可以在随意变化的交互控制下感受场景的动态变化，也就是虚拟现实系统要实现随着人的活动即时生成相应的图形画面［1－2］，其中有两个重要指标用来衡量用户在虚拟环境下的沉浸效果和程度:一是动态特性;一是交互延迟。以上两种指标都依赖于系统生成图形的速度，显然，图形生成速度是虚拟现实系统的重要瓶颈。虽然近年来硬件加速器如GPU、专用图形处理器等性能得到了很大的提高，但距离VR的需求仍有很大差距，考虑到VR对场景复杂度几乎无限制的要求，在高质量图形的实时生成要求下，如何从软件着手，减少图形画面的复杂度，正成为VR图形生成的主要研究目标。

2 虚拟现实的建模技术分类

2.1 基于几何模型的三维场景建模

传统意义上的虚拟场景基本都是基于几何模型的。基于几何模型的三维场景建模技术是以计算机图形学的基本绘制原理为基础，首先对需要建模的三维虚拟场景(包括建筑物、自然景观等)进行数字化描述，通过数学意义上的曲线、曲面等数学模型构建好虚拟场景的几何轮廓，再根据模型在真实世界的质地设置相应的材质，最后通过建立虚拟环境中的光照等模型，使得整个场景获得较为真实的视觉效果［3－4］。

基于几何建模方式的虚拟场景漫游系统，因为其中的虚拟实体大多是基于具体的几何参数绘制而成，因而整个场景在视觉体验上非常细腻和真实，同时也极大地方便了用户与漫游场景中虚拟实体的交互和碰撞检测功能的实现。只要提供相应的建筑设计图纸，再对尺寸进行等比例缩放，就可完成整个场景的构建。基于几何模型的建模技术已经发展很长时间，几何建模的软件也越来越多，利用这些建模软件，可以很容易的完成各种复杂模型的构建。当然，伴随着场景规模的增加，复杂度的提高，建模的工作量会大大增加，同时由于场景的精致程度取决于几何模型面数的多少，面数的增加又会降低漫游系统的实时显示速度，因此需要设计人员在模型绘制和实时显示效率上做出选择。

2.2 基于图像的三维场景建模技术

基于图像的三维场景建模技术，完全摒弃了传统的先建模、再设置材质、而后确定光源的绘制方法。该建模方式的主要思路是首先利用外部设备对真实模型的离散数据或连续的图像视频数据进行采集，然后将采集到的数据作为系统中虚拟场景的原始数据，通过计算机上的工具软件对其进行整合和优化，生成效果逼真、感觉生动的场景全景图像，再通过合适的空间模型把制作好的全景图像组织为虚拟场景空间，最终实现虚拟场景的漫游。这种建模方式不仅可以缩短系统的开发时间，也省去了对诸如光照跟踪等极费时的计算。

该建模方式在不需要进行复杂建模的条件下便可能生成反映真实场景的高质量图像环境，并且漫游效果及处理时间仅与所要生成画面的分辨率有关，与场景的内容复杂程度完全无关，因而不需要专业的图形加速设备，对计算机的资源要求也不是很高，所以该建模技术具有简单、快速、逼真等优点，非常适合表现大规模的复杂场景，我国已成功应用该技术在著名景区的网上旅游及虚拟场馆浏览等方面。但由于该技术的数据采集必须在原有的真实场景的基础上获取，如果该真实场景并不存在，或还处于设计阶段，那么在场景构建上该技术则无能无力，而且由于场景中的虚拟物体仅是图像显示，因而在基于图像建模方式的虚拟系统中很难甚至不能实现人机交互功能。

2.3 基于图像与几何相结合的建模方法

基于混合建模的漫游技术，就是将几何建模和图像建模结合在一个场景中，合理地使用两者所长，对场景中的不同环节采用不同的处理方式，最大限度的发挥它们的优势，以取得理想的效果。

虽然基于混合建模的漫游技术具有无可比拟的优点，但在实现上也有很多技术困难。在实际应用中，大多采用建模+纹理贴图的方式，即通过纹理贴图代替几何模型的表面细节或整体外观，这里对纹理贴图的使用区别于基于图像建模的漫游技术中的需要进行拼接、组织、编码以后形成全景图像，所以，几何建模+纹理贴图的漫游技术与基于混合建模的漫游技术还有很大距离。由于这种方法简单，更易于实现，而且效果较好，也是目前使用较为广泛的方法之一。

3 虚拟现实场景的优化技术

由于场景的复杂程度，影响着虚拟现实系统的实时显示效果，因此对场景的最大程度优化显得尤为重要。目前，比较常见的降低场景复杂度的方法有三种，分别是场景分块、可见消隐、LOD 技术［5－6］。

(1)场景分块(World Subdivision)

把一个范围较大，内容较复杂的场景划分成多个相互独立的子场景，各子场景之间几乎不可见或者完全不可见。该方法仅限于在空间封闭的虚拟场景中使用。例如把一个建筑物按楼层划分成多个子场景，用户在某一层时，仅能看到本楼层内的场景信息，完全不关心其他楼层内的场景内容，在这种情况下便可应用该技术，不仅可以减少在某一时刻系统所需显示的多边形数目，还可以在很大程度上降低场景的复杂程度，减轻系统运行负担。对于虚拟商场漫游系统可以根据楼层划分多个子场景，然后通过动态导入的方式，将各子场景联系起来。

(2)可见消隐(Visibility Culling)

场景分块方法的实现与用户在虚拟场景中所处的方位有关，而可见消隐方法与场景分块方法的不同在于，可见消隐方法的实现与用户的视点有关，也就是系统仅显示用户当前所能看到的场景信息。当用户每次只能“看到”整个场景的很小一部分信息时，系统的运行速度会因为所要显示的多边形数目的减少而大大提高，当用户每次“看到”的场景范围较大时，这种方法的作用就很难发挥了。在虚拟商场漫游系统中，物体摆放的比较紧凑，关联的也很密切，所以该种方法不适合。

(3)层次细节技术(Levels of Detail)

即使采用了可见消隐技术及场景分块技术，有时用户能“看见”的场景仍然相当复杂，这时我们可以使用层次细节技术。所谓层次细节技术，就是为每个物体建立多个相似的模型，不同模型对物体进行不同程度的细节描述，对模型细节的表现越精细，模型的面数越多。根据物体在屏幕上所占区域以及用户视点与物体间的距离等因素，为物体选择不同的细节模型，恰当的减少系统所需显示的多边形数目。这种方法不仅适用于封闭空间场景，也可以用于开放空间场景，是一种高效的方法。基于层次细节模型的特点，该技术被广泛应用于漫游系统场景的简化。

3.1 LOD 的概念

1976年，Clark提出了细节层次(LOD)模型概念，是当前可视化仿真领域图形实时显示方面非常流行的技术。该模型的主要思想是，同一个物体，把它放到远近不同的位置，人眼睛所看到的该物体的细节程度是不同的，当物体覆盖屏幕较小范围时，可以使用该物体的粗略描述模型，并给出一个用于可见面判定算法的几何层次模型，以便对复杂场景进行快速绘制。在不影响画面视觉效果的前提下，通过简化物体表面细节(多边形面)来减少场景的几何复杂性，提高图形实时生成速度。

3.2 Virtools中的 LOD技术

Virtools中专门提供了一组用来实现LOD功能的BB。其中LOD管理器选项的BB负责激发LOD算法，LOD属性设置BB可以设置很多属性，例如碰撞检测和材质纹理属性等，通过这些 BB使得Vitrools中实现 LOD 技术变得更加简单［7－8］。

Virtools中添加LOD属性的步骤:

(1)为将要应用LOD技术的实体添加LOD属性。Virtools中的实体可以添加很多属性，如地板属性、碰撞属性等。把要应用LOD技术的实体添加LOD属性，将场景中体积较大、面数较多的物体添加该属性，而其他体积较小、面数较少且不太重要的物体可以不添加LOD属性，这样可以提高LOD的效率。

图1 添加LOD属性

(2)根据需要选择适合的网格简化算法和设置LOD模型的标准参数。为添加LOD属性的物体设置参数，参数包括所选用的算法和其他LOD模型标准参数，Virtools提供了几种网格简化算法，其中递进网格算法不包含在属性中，需额外设置。本系统使用面积选择算法，参数包括Screen Mag、Screen Min、Faces Mag、Faces Min 等。其中 Screen Mag 表示模型在屏幕中所占比例上限，Screen Min表示模型在屏幕中所占比例的下限，当物体在屏幕上所占的范围大于Screen Mag，显示的面数由Faces Mag决定。当物体在屏幕上所占的范围小于Screen Min，显示的面数由Faces Min决定，模型在屏幕的范围在两者之间时，通过插值法计算模型面数，如图2所示。

图2 设置LOD属性参数

(3)最后在 Level层级中添加 LOD Manager Options Bbkongzhi LOD简化开启和关闭。

图3 LOD制作脚本

图4 应用LOD效果图

4 结束语

通过对基于几何建模、基于图像建模和混合建模等虚拟现实场景建模方式的介绍，比较了三种建模方式的应用范围和优缺点。同时在虚拟现实的实现方面，场景显示的动态特性和响应时间直接影响着用户的沉浸感和真实感的体验。为了达到更加自然的虚拟现实漫游效果，采用Virtools虚拟实境软件自带的LOD BB，对场景中体积较大，面数较多的物体进行模型优化。依据用户视线的主方向、景物距离视点的远近和景物在屏幕上所占区域的大小等因素来判断实体应选择的细节层次，以达到实时显示图形的目的。

［1］刘光然.虚拟现实技术［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［2］张茂军.虚拟现实系统［M］.北京:科学出版社，2003.

［3］洪炳熔，蔡则苏，唐好选.虚拟现实及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［4］秦文虎，狄岚，姚晓峰，陈伟琦.虚拟现实基础及可视化设计［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［5］胡小强.虚拟现实技术基础与应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2009.

［6］汤磊.基于Virtools的三维场景实时漫游系统的研究与开发［D］.大庆:大庆石油学院，2007.

［7］牟萍.虚拟校园建模漫游技术研究及其实践［D］.重庆:重庆师范大学，2006.

［8］罗永红.基于Virtools的虚拟建筑场景漫游系统的设计［J］.义乌工商职业技术学院学报，2008，6(1):82－85.