基于VRP-Platform的唐山震前景观虚拟可视化仿真关键技术研究

刘玉宾

（唐山师范学院 计算机科学系，河北 唐山 063000）

1 虚拟现实技术概述

1.1 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），又被称为灵境技术，最早是由美国一家公司的创始人在20世纪80年代初提出的。它属于计算机图形学的范畴，是真实客观世界在计算机中的逼真模拟再现，它通过传感器技术等辅助技术手段，把客观世界中的一部分用电子模拟的方式表达出来，让用户在虚拟空间中有身临其境的感觉，并且能与虚拟现实中的对象进行相互作用而得到自然的反馈，并让人产生构想。换言之，虚拟现实是利用高科技的手段构造出一个虚拟但逼真的人工环境[1,2]。

1.2 虚拟现实技术的特点

虚拟现实系统强调了人在虚拟系统中的主导作用。人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中去，并且能通过多种传感器与多维信息环境发生交互作用。从过去只能通过键盘、鼠标与计算机中的单位数字信息发生作用，发展到现在能从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识[3,4]。1993年，在 Electro 93国际会议上发表的“Virtual Reality System and Application”，将虚拟现实技术的特点归纳为三点：Immersion（沉浸），Interaction（交互），Imagination（构想），如图1所示。

图1 虚拟现实技术特点

2 VRP-Platform平台的优势

VRP-Platform三维互动仿真平台是由深圳中视典数字科技有限公司于2002年独立开发的具有完全自主知识产权的一款三维虚拟现实平台软件，其性价比较高，近年来广泛地应用于视景仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。

目前比较著名的漫游交互平台有 Virtools、Quest 3D、Vega等等，与Vega和Virtools这些国外软件相比，VRP更容易掌握，制作思维简单，学习资源相对来说比较多，所以比其它软件更容易上手。VRP软件的版本不断升级，增强了用户操作的便捷性和稳定性，有导向性的图标系统、整洁的外观风格和良好的模块划分，可以帮助用户提供创作的效率，从而使用户更加专注于作品的质量和创造性。选择VRP作为开发平台，其原因可以从以下几个方面阐述：

（1）VRP全面支持3ds Max版本，包括最新推出的3ds Max2010以及3ds Max Design 2010，从而实现了VRP平台和3dmax软件的无缝结合。

（2）支持VRP-MMO多人在线，VRP-MMO多人在线模块是一种 3D虚拟社区，支持多人登录到VRP-MMO多人在线服务器。

（3）增加了相机转场特效和环境特效等，使得虚拟可视化仿真效果更加绚丽多彩。

（4）支持Lua脚本语言，VRP自带的脚本编辑器和Lua脚本语言的结合，使得VRP脚本编辑更加方便和灵活。

（5）VRP强大的网络发布功能，同时还支持Firefox的插件安装包，满足不同浏览器的需求。

3 使用 VRP-Platform 平台实现唐山震前可视化仿真

使用VRP平台开发唐山震前虚拟可视化仿真系统，需要经过3dmax建模—渲染—烘焙—导出到VRP进行二次开发等一系列过程，在开发过程中，为了提高开发效率、增强系统的实用性、灵活性和可操作性，需要注意以下几个关键性问题。

3.1 3ds Max模型优化

唐山震前的大多数建筑还是以木材、砖瓦为主要建筑材料，以木构架结构为主要的结构方式。除此以外，唐山震前的一些有特色的建筑尤以屋顶造型最为突出，主要有庑殿、歇山、悬山、硬山、攒尖、卷棚等形式。因此模拟唐山震前建筑相对现代建筑的三维建模要复杂的多，为保证最后的虚拟仿真系统能流畅运行，无论是建模时模型个数还是模型的贴图都有更高的要求。

图2 1972年的唐山火车站

图3 1963年的唐山铁道学院西讲堂

图2、图3是唐山震前唐山火车站和唐山铁道学院西讲堂的实景照片，从照片中不难看出，唐山震前的建筑模式和现代建筑大不相同，很有时代特色。所以这也就要求在对唐山震前实景进行模拟的过程中，把握建模原则和技巧，归纳为三个字：也就是精、简、小，在保证模型质量的过程中，要考虑到模型的面数，和模型的个数。

VRP系统运行过程中，图像显示的流畅程度和CPU实时计算的快慢取决于模型中多边形的数量，如果模型面数太多，文件运行起来将增加运算负担，导致画面不够流畅。在建模过程中，不能采用建效果图的建模方法，在建模过程中我们主要把握以下要点：（1）模型的数量不宜太多；（2）三角形的三条边尽量相等，不宜延长；（3）尽可能创建长而薄的物体，或者无纹理贴图模型；（4）注意建模模式的生产效率和高精密模具的变化；（5）得到的模具表面之间的间距，模具的各个面之间的间距不能太大；（6）对于形状复杂的模型，尽量用它的纹理贴图或照片替代[5,6]。

唐山震前虚拟仿真系统主要是对室外模型进行仿真，所以对室内漫游没有要求，在建模过程中我们应该省去看不到的墙体内面，同样，唐山震前一些有特色的建筑中比较常见的屋檐和横梁不能用一根根的串子和木房子按照实际结构来搭建，这样建模直接导致的后果就是造成模型的面数成千百倍增加。在处理这些模型的过程中，我们尽量用面层次叠放和贴图处理来实现。对于室外的绿化问题，树木和花朵则使用十字面片物体、贴图镂空实现，当然，比较重要的景点，我们可以使用模型树，但是远景树木尽量使用十字面片或者面片来实现。以唐山铁道学院尖顶欧式一部分建筑为例，优化后的模型如图4所示。

图4 唐山铁道学院优化模型

通过图4我们可以看出，为了在VRP中保持画面的流畅性，在实现此类比较复杂的虚拟模型过程中，我们尽量使用贴图来模拟实际模型，如图5所示。

图5 唐山铁道学院建筑模型贴图

3.2 贴图烘焙技术

贴图烘焙技术也称为Render To Textures，简单地说就是当使用 3dmax建模完毕并赋予贴图后，为了提高虚拟仿真系统的渲染速度和提高工作效率，我们需要将3ds max中物体的光影以贴图的方式带到VRP中，才能产生真实感。这种技术是一种把 max光照信息渲染成贴图的方式，然后把这个烘焙后的贴图再贴回到场景模型中去的技术。这种技术一般主要应用在光能传递等比较费时的计算上，用烘焙的贴图替换计算，这就在一定程度上节省了开发时间，提高了工作效率。

虽然在3dsmax中自带了烘培功能，但对于较复杂的场景，在3ds max中用Render To Textures进行供培，效果不是很理想。从渲染效果和渲染速度上综合考虑，我们选择现在比较流行的Vray软件，使用Vray软件烘焙 3ds Max场景，能将场景中的光景信息导入VR-Platform平台，能为我们制作出更加逼真的虚拟现实场景。

3.3 VRP场景交互技术

在建模、渲染、烘倍完成之后，通过VRP-Max插件将其导入到VRP中进行交互设计。使用VRP平台进行交互设计，主要包括以下三个方面的内容。

3.3.1 VRP材质设置

除了使用3dmax为对象赋予材质，VRP编辑器又提供了四种基本材质，包括 Normal、Muhipass、Fxshader、Bttmp四种材质类型。Normal材质使用得比较多，一般常用的金属、玻璃、陶瓷、地板、布料等材质都是用Normal材质类型来实现的。Muhipass材质类型也常用做水的材质，目前使用得不是很广泛。经常使用的是Fxshader中的菲涅尔水材质，Bttmp材质类型常用于凹凸材质贴图的使用，Fxshader材质类型常用于菲担尔水材质、法线贴图、顶点设置等材质的制作。

3.3.2 角色控制和添加

VRP平台为了使用户更加方便的进行虚拟仿真平台开发，在编辑器中提供了角色库，用户可以随意地从角色库里调用这些角色到 VRP场景里。当然，用户也可以自己设计3dmax角色模型，导入到VRP角色库。用户从VRP的角色库中调用一个模型之后，就可以从动作库中为模型添加一个或者是多个动作。VRP平台还为用户提供了路径绑定功能，用户可以在场景中绘制任意形状的路径，并通过角色绑定路径，来控制角色按照固定路径运动。

3.3.3 脚本交互和编写

VRP脚本编辑器主要用来设置VR虚拟仿真场景的强大交互功能，用户可以根据系统要求来设置场景丰富的交互功能。系统中可以对各类行为设计可以通过脚本程序来实现，每段脚本程序可作为独立的对象保存为行为库，方便对虚拟对象进行封装时进行调用。常见的脚本编写可用于背景音乐的添加、二次单击事件和多次单击事件、刚体动画控制和触摸屏互动功能设置等。

4 总结与展望

本文针对唐山震前虚拟建筑仿真的设计和实现的原则和方法及评价体系作了一些分析与研究。对于虚拟景观仿真开发来说，虚拟现实技术的应用还有很多阻碍因素，如高昂的制作成本，相关的技术难题和模拟软件的开发等。但从其应用前景看，虚拟景观仿真有可能是未来展示设计向高技术领域进军的一个重要方向。

[1] 刘向铜,熊助国,曹秋香.虚拟现实技术的若干问题及发展展望[J].水利科技与经济,2006,12(5):324-327.

[2] 宋志刚,王琰,苑勋.实验室虚拟现实系统中的硬件构造技术[J].小型微型计算机系统,2000,21(12):1337-1339.

[3] 王海荣.虚拟现实技术研究与系统实现[J].微计算机信息,2011(5):210-212.

[4] 杨宏艳,史卓,钟艳如.基于虚拟现实的数字化校园漫游系统设计[J].桂林电子科技大学学报,2011,26(4):287-291.

[5] 张凯.基于JAVA和VRML的虚拟校园漫游导航系统的设计与实现[D].南京:南京理工大学,2011:27-28.

[6] 马贺清.双三维虚拟校园信息系统建设与研究[D].北京:中国地质大学,2012:27-29.