建筑漫游动画制作中的虚拟现实技术研究

宗传玉

建筑漫游动画制作中的虚拟现实技术研究

宗传玉

宗传玉

湖南工程职业技术学院

宗传玉，硕士研究生，讲师、工艺美术师，湖南工程职业技术学院教师。

虚拟现实技术是当今世界广泛应用的一项高新技术，具有“沉浸性”、“交互性”、“想象性”等重要特征，大量应用在城市规划、数字楼盘等建筑漫游动画中，基于虚拟现实技术的建筑漫游动画能够让使用者身临其境的观察建筑的宏观和细微处，并给其带来超强的视觉、听觉体验，其中建模技术和交互技术是虚拟现实技术的关键技术之一。

虚拟现实技术（简称“VR”）是一种先进的数字化人机接口技术，它利用计算机技术能够生成一个集视觉、听觉和触觉等多感知的逼真虚拟环境。该技术发源于美国，最先在城市规划领域引入，现如今，美国已有超过50个城市建立了虚拟城市系统，其中最为著名的是加利福尼亚大学开发的“虚拟洛杉矶”项目成果。近年来，虚拟现实技术在我们国家各行各业也有应用，如铁道车辆运行、航空航天、城市交通智能、城市规划等行业或领域，随着计算机技术的迅猛发展，该项技术将会得到更为长足的发展，在各行各业中发挥它的神奇作用。

虚拟现实技术的特征

1993年，世界电子年会上发表的《虚拟现实系统及其应用》一文中，提出一个关于虚拟现实特征的三角形，简明表示了虚拟现实技术的3个最突出特征，即沉浸性、交互性和想象性。

图1 虚拟现实特征三角形

沉浸性

沉浸性也称存在感、临场感、浸没感，指参与者置身于虚拟世界当中的真实程度。虚拟现实技术最显著的特点就是让操作者由之前被动观察者的角色转变为主动参与者，使操作者如同在真实世界中一样感受到身临其境的感觉。虚拟现实技术的沉浸感主要通过人体的触觉、听觉、味觉、视觉等感官感知，导致“沉浸感”的原因是用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉，让用户感觉自己是虚拟环境中的一部分，就像在“真实”世界中一样。

交互性

交互性主要是指参与者通过使用专门的硬件设备（如三维鼠标、头盔显示器等）与虚拟世界以自然的方式（如手势、语言、肢体动作等）如同在真实环境中一样与虚拟环境中的对象进行交互，达到对虚拟环境进行考察与操作的目的。在建筑动画中，交互技术使得参与者产生“沉浸感”，注重的是使用者的亲身参与，而不是被动的接收信息，交互是多感知的，参与者可以通过不同的方式和客体进行交互。例如，当你在虚拟建筑中漫游，参观者可以通过所戴的头盔显示器与客体进行交互，这样景物会随着头部的转动，不断更新并实时展示给参观者。

想象性

想象性也称“构想性”，是包括虚拟现实技术等一切技术的基础。在虚拟世界中，不仅可以构建人为模拟的真实环境，也可以构想未来的、不存在或不会发生的环境，虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且能够使用户沉浸于虚拟环境中获取新知识，并提高认识，从而产生新的构想。对于建筑漫游动画的虚拟现实来说，想象存在于设计者创作过程中和用户体验虚拟环境的过程中，虚拟动画中的任何物体并不是完全照搬现实，虚拟环境无论多么逼真，也不等同于现实，建筑动画中若缺少了想象性，虚拟现实技术也就缺少了艺术美。

建筑漫游动画中虚拟现实系统的关键技术研究

虚拟现实涉及的关键技术主要有：大规模数据的三维建模技术、三维自然交互技术、三维交互软件及系统集成技术等，其中三维建模技术和交互技术是虚拟现实技术中最重要的领域，也是关键技术之一。

三维建模技术研究

要构造一个完整的虚拟现实系统首先需要的是足够真实的虚拟环境，三维场景模型是建筑动画中的主要组成部分，也是可视化场景生成技术的一项重要研究内容，为了使操作者产生身临其境的沉浸感，必须构建足够真实的虚拟环境。

三维建模工具

（1）以Pro/Engineer为代表的精确建模软件

Pro/Engineer系统是美国参数技术公司的产品，它继承了曲面建模、自由造型、实体建模、图形渲染等功能，这类精确建模软件更多的是面向工业领域，以便生成静态模型，运用到建筑漫游动画中时，模型在导入仿真系统前先要删除多余的属性数据和不必要的多边形，还要对一些面进行重组处理等。

（2）以3D MAX为代表的三维动画制作软件

比如Maya、3D MAX、Soft Image等都能够非常方便创建各种各样逼真的三维模型，而且其丰富的插件提供了很好的扩展性，输出的3ds格式文件能被大多数三维模型软件所引用，3D MAX是目前世界上应用最广泛的三维建模、动画软件，能够渲染出质感极强的画面效果，但渲染时间较长，不能满足对模型进行实时渲染的要求。

（3）以MultiGen Creator为代表的虚拟现实建模软件

这类工具相比较其它工具在方法上有较大不同，考虑更多的是运行的实时性，常用的虚拟现实建模工具有MultiGen Creator和虚拟现实建模语言（简称VRML）等。VRML语法简单且容易创建三维立体模型和场景，但有描述复杂面形体和用结点来“写”模型不直观的劣势，而MultiGen Creator性能优越、稳定性好，具备很多建模软件没有的优点，非常适合用于建筑漫游动画制作。

虚拟现实建模的关键技术

目前很多仿真模拟系统融入了虚拟现实技术，下面从建筑漫游动画的角度对比研究比较常用的基于虚拟现实建模的关键技术。

细节层次模型技术

即LOD技术，细节层次模型就是为每个物体建立多个不同分辨率的模型，当物体离视点较近时，采用分辨率高的模型，可以观察到模型的丰富细节，离视点较远时，可以采用分辨率较低的模型，这样观察到的细节逐渐模糊。实时选择相应分辨率的模型，可以避免绘制意义不大的细节造成时间浪费，生成层次LOD的方法主要有：细分法、采样法和删减法。细分法是用非常简单的基模型表示初始模型，然后迭代细分基模型，每一步向模型的局部区域增加越来越多的细节。采样法是通过随机抽取一些点来初始化多边形模型，通过较少的多边形数重建初始模型且满足采样点处的误差估计。删减法主要通过几何移去模型单元来简化。

纹理映射技术

纹理映射是提高对象物真实感的主要方法，可将任意的平面图形或图像覆盖到三维模型表面，使模型表面形成逼真的色彩花纹，使用纹理能够增加细节水平及景物的真实感，减少了环境中的多边形数目，提高了图像的显示速度。同时，采用纹理映射的方法可以大大简化建模的过程，例如，用建模的方法建造一栋大楼表面，需要画出楼的每一扇门，而采用纹理映射，则只需建立简单的几何体模型，再用大楼外观图片贴至其表面即可。

（3）实例化技术

实例化技术其实是图形学运算中为了减少计算机的负荷而采用的一种算法，若同一物体在不同场景中多次使用，可以只建一个模型，在以后的使用中运用实例的方法引入该模型即可，可通过坐标变换在不同的位置显示同一个模型。使用实例化技术可以大大减少多边形的数量，从而节省内存，在分布式的仿真中也减少了数据的传输量。

实例技术运用到一些基本原理变换，例如平移变换，若点P（x，y，z）平移到（tx，ty，tz）位置，则平移方程为：

交互式漫游技术研究

交互设计是虚拟建筑漫游动画的重点，它包括虚拟场景中物体的移动、缩放等，还包括事件设计，人机交互设计等，主要包括交互式漫游和固定路径漫游两类。

交互式仿真软件Vega

Vega是MultiGen-Paradigm公司开发的一款虚拟现实仿真软件，利用Vega开发平台和工具集可以开发出具有实时性和交互性的应用程序，它具备完整的C语言程序接口API，还包括友好的用户图形界面LynX，它是一个能满足大多数视景仿真要求的开发系统，能通过它本身提供的场景构造工具构造场景，在用场景播放器播放场景过程中可以使用外部设备（如鼠标）进行交互操作。

交互式漫游关键技术

（1）自主漫游技术

自主漫游是利用鼠标和键盘，根据参与者的观赏兴趣随时随地进行路线的改变，VR基本模块提供了不同类型的运动模式，在漫游时，首先要定义自己的运动形式。常见的有前进、后退、左右移动、上升、下降、俯视、仰视等漫游动作。在虚拟现实建筑动画漫游时，对视点的控制实质是对相机进行设置与控制，有行走相机、飞行相机、绕物旋转相机、角色跟踪相机等相机控制方式。

（2）路径漫游技术

路径漫游是通过预先设置好的漫游路径方式来实现，这种方式不被外界干扰，自动对整个建筑进行浏览，在虚拟现实平台中，路径漫游可以通过动画相机来实现，将场景导入虚拟现实平台后，按照事先设定的路线，录制动画来实现路径漫游。例如，我们要参观某处住宅空间，从进门到客厅、厨房、卧室等要事先设定好行走路线以及起点和终点，而这条路线就是漫游的路径。

结语

随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实技术在各个领域的应用前景广泛、技术潜力巨大，从某种意义上说，它改变了人们的思维方式，改变人们对世界、空间、时间等的看法，虚拟技术发展到现在，虽然较之以前取得了很大进步，但还存在很多未解决的技术难题，为了提高系统的沉浸性、交互性、想象性及逼真性等，在新型传感和感知机理、图形图像处理以及人工智能等方面还有很多问题需要我们进一步解决。

该文系湖南省教育厅科学研究项目《基于虚拟现实技术的交互式建筑动画制作研究》（课题编号：13C196）阶段性成果之一。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.038