城市交通环境视景三维仿真

(长安大学 汽车学院，西安 710064)

0 引言

随着计算机科学的飞速发展，虚拟现实技术日益成熟。作为虚拟现实技术的重要表现形式，视景仿真技术广泛应用于虚拟驾驶、军事演练、城市交通仿真等领域[1]。其中，在城市交通仿真领域，视景仿真是城市交通仿真研究的必要前提[2]。城市交通视景仿真以计算机技术为依托，利用系统仿真模型模拟城市交通系统的运行状态，其对交通流、交通事故等交通现象的模拟[3]，为城市道路设计、城市规划等项目提供较为详尽的交通参数和技术支持。但城市交通系统运行复杂、城市环境要素多种多样(包含车辆、建筑、公交站牌、行人等)[4]。为满足城市交通仿真效果的真实性、流畅性，提升视景环境的沉浸感，场景建模及视景仿真技术的运用，则成为城市交通视景仿真的关键[5]。对此，相关文献运用多种方法提升视景仿真效果，其中，文献[6]利用multigen creator/Vega Prime平台完成三维场景建模，并阐述建模一般步骤，但未对模型优化展开深入研究；文献[7]采用multigen creator与3DMAX联合建模建立沈阳市三维模型，解决模型逼真度问题，但未对模型渲染效率进一步探讨；文献[8]利用3DMAX三维建模技术以及Java编程语言完成了虚拟城市广场漫游导航系统的搭建，实现了模型与程序之间有机结合，但功能较为单一，系统流畅性有待改进。

针对上述问题，本文基于主流三维建模技术和视景仿真平台，提出适用于城市交通虚拟环境构建的视景仿真框架，对视景仿真过程中的关键技术进行分析研究，并将主要关键技术应用于城市交通视景仿真系统的构建。关键技术的应用显著提升了仿真系统的实时渲染及加载响应速度，并取得高流畅性、高逼真度的视景仿真效果。

1 视景开发框架设计

城市交通视景仿真总体框架如图1所示。视景仿真主要包括城市交通三维模型建立、场景模型优化、Vega Prime配置、VC++程序设计四部分。为满足视景仿真实时性高、加载响应迅速等要求，需将模型建立、模型优化、Vega Prime配置、程序调用四部分有机结合，充分发挥各部分优势。

图1 城市交通视景仿真总体框架

视景仿真步骤如下：

1)城市交通环境三维建模。利用Multigen Creator与3D MAX对城市交通场景联合建模，模型包括路面地形模型、道路环境模型、动态场景模型三部分，其中动态场景模型用于程序调用。将场景模型储存为flt文件。

2)场景模型优化。对场景进行改进，通过模型节点优化、纹理细节优化等技术，以提高渲染效率。并将模型flt文件封装为vsb格式的二进制文件，可明显提升加载效率，缩短模型加载响应时间。

3)Vega Prime配置。利用Vega Prime面向对象、功能模块化、平台兼容性好的优点[9]，完成模型文件(vsb文件)加载，城市交通视景环境初始配置(视点位置、视点运动、路径规划等)工作，并生成环境初始配置文件(acf文件)。

4)VC++程序。编制VC++主程序，并调用Vega Prime函数库进行联合开发，实现场景驱动以及视景中运动节点(DOF节点、Switch节点)的控制。

2 视景系统关键技术分析

2.1 3D MAX与Multigen Creator联合建模技术

作为视景仿真过程中的关键要素，三维模型的建立需要具备高效、便捷、可视化程度高等特点，选择合适的视景仿真建模软件，对视景仿真系统的搭建十分重要。本文采用3D MAX与Multigen Creator联合建模，其建模流程如图2所示。

图2 Multigen creator与3D MAX联合建模流程图

城市交通场景中模型元素复杂多样，为兼顾场景精细度与流畅度，本文采用虚拟场景分开再合并的方式进行建模。联合建模流程如下：

1)建立纹理贴图库。采用实地拍摄、颜色材质替换等方法收集贴图素材，并对素材进行补光、裁剪等图像处理，丰富纹理贴图库;

2)建立三维模型。利用Multigen Creator多边形建模的优势，进行地形、树木、道路等模型的搭建，利用3D MAX强大的点、线、面以及几何体编辑功能建立复杂模型，如车辆、房屋等;

3)场景模型整合。3D MAX模型通过obj文件导入Multigen Creator，由于3D MAX模型三角面较多，需进行合并细小面、减少多边形面处理[10]，整合后的场景贴图还可转换为rgb格式，丰富纹理库。

2.2 模型数据库优化技术

城市交通环境要素复杂，涉及众多三维实体，如车辆、树木、路灯、立交桥等，需建立数量庞大的三维模型，针对众多模型，需对场景合理优化以满足视景仿真实时性、流畅性的需求。

2.2.1 子纹理贴图优化

为达到逼真显示效果，三维模型建立后常利用纹理映射技术将二位图像映射到模型表面[11]。但creator对纹理贴图分辨率有所限制：贴图长和宽限制为2的幂次方个像素单位，即图像分辨率为2n×2n。当贴图分辨率尺寸不满足2的幂次方像素单位要求时，系统会自动分配更大内存来存储贴图，以分辨率大小为180×420为例，其尺寸分配如图3所示。这样会造成内存资源浪费，影响贴图的加载与渲染效率。

图3 纹理原始尺寸与内存分配尺寸关系图

在众多城市场景要素中，不规则纹理的存在不可避免，就需对其进行子纹理贴图优化，即将各个分散的不规则纹理合并为一个主纹理，合并原理如图4所示，其中A、B、C、D、E表示子纹理贴图或透明图像留白，以分辨率1024×1024图像为例，子纹理合并实例如图5所示。主纹理映射方法与其他纹理映射方法相同，需重新建立纹理映射关系。优化后主纹理分辨率最大不应超过1024×1024，以缩短模型加载过程中纹理解压时间。

图4 子纹理合并图

图5 合并纹理图

2.2.2 层级结构节点优化

Multigen Creator采用层级结构进行三维模型的存储[12-13]，层级结构如图6所示，节点的层级结构影响视景渲染过程中节点的生成与剔除。视景渲染时，会遍历所有数据库节点，并根据节点位置是否在可视范围内进行节点的截取计算，渲染可视范围内节点，并剔除可视范围之外的节点。

图6 Multigen Creator层级结构图

城市交通场景复杂，元素种类众多，建模过程中，为方便模型统一管理，易于修改、调用，常采用逻辑结构建立模型数据库，如创建树、房屋、车道、交通灯、公交站等组节点，并将树、房屋等体节点放置在对应组节点下，节点信息如图7所示。

图7 模型数据库逻辑结构

逻辑结构建立的模型数据库条理清晰、易于管理，但会影响模型渲染过程中节点的剔除与加载速度。场景制作完成后，需按照空间位置将组节点重新划分，本文将整体场景按照空间几何形状分为7块，每块含有多种城市元素，节点信息如图8所示。

图8 模型数据库空间结构

2.2.3 模型封装技术

城市交通场景元素复杂，导致原始flt模型文件较大，严重增加场景加载时间，利用to_vsb.exe工具将flt文件封装为vsb格式的二进制文件，可大大提升模型文件加载效率[14]。VSB(Vega Scene Graphic Binary)是一种不可编辑的场景文件格式，专门用于Vega Prime模型文件的加载，其具有模型解压速度快、忽略纹理路径影响、封装元素全面等优点。但在格式转换时也应注意以下两点：

1)纹理贴图与vsb文件需放入同一文件夹。文件转换时，转换工具忽略贴图加载路径，只将同一文件夹下的flt文件与贴图文件打包入同一个vsb文件，如文件夹下无贴图文件，则只转换白模型。

2)建立精细树模型，不可进行vsb格式转换。精细树模型需以替换场景中普通树模型的方式进行加载，其通过寻找flt文件中树木模型路径及名称进行精细树替换，而vsb文件不包含树木模型路径信息，丢失的信息会影响精细树的生成。

2.3 节点动态驱动技术

2.3.1 Switch节点驱动

作为城市视景环境重要标志之一，交通灯模型必不可少，本文采用switch节点技术进行信号灯模拟仿真，switch节点技术可将不同体模型放置在同一节点下，并通过函数调用控制节点下模型变换。交通灯模型制作中，将创建完成的红、绿、黄3个体节点放置在同一个switch节点下，设置switch节点，并按顺序对3个颜色体节点编号(如表1)，以便于通过时间间隔控制节点变换，节点设置如图9所示。

表1 颜色编号

图9 switch节点设置

图10 switch节点控制流程图

VC++调用vega API函数获取仿真时间T，通过遍历节点找出特定switch节点，并根据仿真时间与不同信号灯之间的时间间隔确定switch节点中的index值，然后通过判断车辆位置实现车辆是否闯红灯判定，节点控制流程如图10所示，控制switch节点关键代码如下：

vsSwitch *mySwitch; //定义switch节点

tempNode =find_named("switch");//寻找switch节点

mySwitch = (vsSwitch *)tempNode;//将switch节点赋予mySwitch

Time=vpKernel::instance()->getSimulationTime();//获取仿真时间

mySwitch->setActiveMask(0);//实现红灯渲染

mySwitch->setActiveMask(1);//实现绿灯渲染

mySwitch->setActiveMask(2);//实现黄灯渲染

2.3.2 DOF节点驱动

DOF节点可控制其所有子节点按照设置的自由度移动或旋转，赋予模型运动的能力。城市交通场景中，车轮的旋转与转向、雨刮的摇摆、虚拟仪表盘的建立等都适合DOF节点技术创建。

DOF节点的创建，需对目标模型创建局部坐标系O’x’y’z’，其示意如图11所示，DOF节点封装有2个仿射变换矩阵T1、T2。T1矩阵用来描述局部坐标系相对于世界坐标系的位置、平移、缩放等变换，T2矩阵则模型物体相对于局部坐标系的位置、平移、缩放等变换。其矩阵可表示为：

图11 DOF节点示意图

图12 DOF节点设置

与switch节点驱动类似，DOF节点驱动也需对模型节点遍历，并找出特定DOF节点，对节点模型设置运动状态，实现驾驶人与车辆模型间的交互功能。控制DOF节点关键代码如下：

vsDOF *wiperDOF;//定义DOF节点

wiperDOF = (vsDOF*)m_car_obj->find_named("wiper");//寻找节点并将其赋予wiperDOF

Time=vpKernel::instance()->getSimulationTime();//获取仿真时间

wiperDOF ->setRotateH( 2, true);//驱动DOF节点，并设置每一帧旋转角度为2°

wiperDOF ->setRotateH( 0, true);// 设置每一帧旋转角度为0°，DOF节点旋转停止

3 仿真实例及效果

应用上述视景建模与仿真技术，构建城市交通视景仿真系统，硬件配置：CPU为Intel i7-8700 3.2 GHz，内存16 G，硬盘2TB，显卡为GTX 1070；软件配置：操作系统Windows10，Multigen Creator，3D MAX，Vega Prime，Microsoft Visual C++。

视景驱动效果如图13～14所示。采用Multigen Creator与3D MAX联合建模，将多种元素模型有机结合，资源利用合理，可在满足场景逼真度的同时，兼顾视景仿真的实时性。节点动态驱动技术的运用，使场景要素更加丰富，场景更贴近真实，还原度更高，仿真效果良好。

图13 房屋视景仿真效果

图14 交通路口和立交桥视景仿真效果

场景加载与渲染效率方面也有较大提升，模型优化技术应用前后实时性能对比如表2所示。从表中得知，简单场景下，模型封装技术可明显提升场景加载效率，其加载时间为6 s，约为未使用封装技术场景加载时间的1/3，模型优化技术可一定程度上提升场景流畅度，其剔除和渲染时间相较未使用优化技术的场景有约2 ms的缩短；复杂场景下，优化与封装技术的优势进一步扩大，模型封装技术的使用可将场景加载时间缩短为原来的1/6，约为21 s，而在采用模型优化技术后，场景平均帧率维持在37帧/s左右，提升约为30%，平均剔除和渲染时间为8.4 ms和8.2 ms，缩短为原来的1/2。

表2 关键技术应用前后实时性能对比

4 结论

本文提出一种基于VC++与Vega Prime联合仿真的城市交通视景仿真框架，解决了城市视景仿真中实时性差、还原度较低的问题，并就其中关键建模技术、模型优化技术以及节点动态驱动技术作重点研究。Multigen Creator与3D MAX联合建模技术满足场景逼真度的同时，兼顾了仿真实时性需求，模型优化技术的使用大大提升了视景加载及渲染效率，节点动态驱动技术丰富了场景元素，场景还原度更高。示例效果显示，优化技术的应用使视景加载与渲染效率大幅提升，视景仿真系统提供了逼真的图形画质，并以较高的城市交通还原度，实现了高沉浸感的视景仿真效果，为进一步的城市交通流模拟训练、驾驶人应激等研究提供基础。