2022年大数据量虚拟景观的三维模型优化与漫游 .pdf

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1、第 21 卷第 6 期系统仿真学报?Vol. 21 No. 6 2009 年 3月Journal of System Simulation Mar., 2009 ? 1654 ?大数据量虚拟景观的三维模型优化与漫游罗陆锋1,2，邹湘军1，刘天湖1，孙爽2，王红军1（1.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室(华南农业大学 )，广州 5106421；2.天津市高速切削与精密加工重点实验室（天津工程师范学院），天津 300222) 摘要： 由于大面积虚拟景观的三维模型数据过于庞大，从选择建模工具、降低模型的冗余度和复杂度、降低模型文件大小三个方面对建模过程中三维模型的优化方法进行了研究。给出了

2、虚拟景观漫游系统的体系结构，从三维模型数据转换、漫游路径和视角设计、漫游系统集成等方面阐述漫游系统的实现过程，给出了数据压缩和转换算法。最后在 Visual C+ 软件平台上实现了大数据量的虚拟校园漫游系统，该系统具有很好实时交互性和可扩展性。关键词： 虚拟景观；大数据量；三维模型优化；数据转换；漫游中图分类号： TP391.9文献标识码： A文章编号： 1004-731X (2009) 06-1654-043D Model Optimization and Navigation of Large-Scale Virtual Landscape LUO Lu-feng1,2, ZOU Xian

3、g-jun1, LIU Tian-hu1, SUN Shuang2, WANG Hong-jun1(1. Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment (South China Agricultural University), Ministry of Education, China, Guangzhou 510642, China; 2. Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting & Precision Machining (TUTE), Tian

4、jin 300222, China) Abstract: As the data of 3D model in large-scale virtual landscape was too huge, the optimization methods of 3D model were researched from three aspects- selection of modeling tools, reduction in redundancy and complexity of model and compression of model file . Then, a framework

5、of large-scale virtual landscapes navigation system was proposed, and the realization process of navigation system was expounded through the data conversion of 3D model, the design of navigation path and the integration of navigation system . At the same time, the data compression and conversion alg

6、orithm was put forward . Finally, a large-scale virtual campus navigation system was achieved in Visual C+6.0 software platform. The system has a very well real-time interactivity and scalability. Key words: virtual landscape; large-scale; 3D model optimization; data conversion; navigation 引言虚拟现实技术是

7、一种利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境， 并通过使用传感设备与之交互的新技术，广泛应用于模拟仿真、视景仿真、三维可视化、虚拟产品设计与虚拟农业机器人作业环境、虚拟战争环境、 虚拟城市漫游等技术领域。虚拟环境建模是虚拟现实技术一项重要的研究领域，是整个虚拟现实系统建立的基础。为了创建一个能使人感受到身临其境、逼真的环境, 就需要创建尽可能逼真的模型和虚拟场景。但是 , 如果模型和场景过于精细, 数据量过于庞大, 就会给虚拟现实应用系统带来灾难1, 尤其是比较复杂的场景，比如虚拟名胜景观。所以在虚拟现实系统的建模中, 应该要在保证模型质量情况下做到模型数据量尽可能小, 以提高虚拟现实应用系统的运

8、行效率。大数据量虚拟景观漫游主要采用以摄像镜头的平移、旋转、推拉、摇动、变焦、及组合变换对场景和物体进行不同收稿日期： 2007-08-21 修回日期： 2007-12-27 基金项目：国家自然科学基金 (50775079) ，广东省自然基金 (07006692, 07300720,05006661), 广东省科技攻关(2007B010200068),天津市教育科学“十一五” 重点规划课题 (ZGC020),教育部博士点基金 (200805640009) 作者介绍：罗陆锋 (1982-), 男, 湖南新化人 , 硕士, 研究方向为虚拟现实技术、制造过程仿真； 通信作者： 邹湘军 (1957-)

9、, 女, 湖南省衡阳人 , 博导, 教授 , 研究方向为智能设计与制造、虚拟现实与仿真、农业机器人行为仿真与控制等。方位的展示2。基本要素包括：虚拟摄像机设置、运动速度控制、以及虚拟观察者各种动作的模拟（步行、旋转及其他动作）等等，本文所研究的虚拟漫游系统采用目前最先进的虚拟现实软件为基础进行二次开发，最终生成一个逼真的视听觉一体的虚拟景观。1 三维模型的优化方法大数据量虚拟景观涉及了大量地形不一的地面、各式各样的树木花草、房屋等一系列的不规则模型，数据量大、渲染速度低等问题自然就成为开发虚拟景观模型的瓶颈。所以，在建立模型的过程中要养成良好的工作习惯，树立起模型优化意识，要科学组织模型的结构

10、、减少模型的冗余度。同时，还要科学选择建模工具，尽量在不影响逼真性的前提下压缩模型数据。1.1 合理选择建模工具根据虚拟景观的实际情况合理选择建模工具对整个建模过程来说具有极其重要的意义。目前在几个常用的视景仿真建模工具里面以MultiGen Creator 和 3DSMAX 最具有代表性。 MultiGen Creator系列产品是世界上领先的实时三维数据库生成系统，它可以用来对战场仿真、娱乐、城市仿真和计算可视化等领域的视景数据库进行产生、编辑和查看，具有自动化的大型地形和三维人文景观产生器、道路产生器等强大功能。所以，用MultiGen Creator 来建虚拟景观的地名师资料总结 -

11、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 21 卷第 6 期Vol. 21 No. 6 2009 年 3月罗陆锋，等： 大数据量虚拟景观的三维模型优化与漫游Mar., 20091655形和道路较为理想。3DSMAX是目前世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，它几乎可以做出任何需要的模型。在大数据量虚拟景观的建模过程中，可以用3DSMAX来构建形状比较复杂的模型，例如房屋、亭、奇形怪状的石头、人、动物等一系列模型，再把3DSMAX

12、建立的模型导入 MultiGen Creator 中生成场景层次数据库，这样能方便的构建出高质量的虚拟景观。1.2 减少模型冗余度和复杂度在建模 过 程中 ， 将3DS MAX建 立 的 模 型 导 入 到MultiGen Creator 时，MultiGen Creator 会将模型中原有的非三角形面片转化成三角形面片，因而会增加多边形的数量，采用近平面合并算法可以将一些相邻的三角面片合并成一个大的多边形，这样能有效地简化模型，降低多边形数量。使用编辑菜单下的Combine Faces 命令， MultiGen Creator可自动将处于同一平面的相邻三角形合并，减少的三角面片数可以达到 5

13、0%以上1。描述实体模型表面的数据经常存在冗余现象，这里的冗余多边形主要是指在实体外部观察模型时不可视的部分。所以在建立模型数据库的时候删除模型背面、内部或被遮挡的多边形可以减少系统的绘制时间。比如次要房屋只需要绘制出房屋的外部，房屋的底面、内墙面等不需要渲染出来，因此可以在模型中直接删除。由于场景浏览时它们处于不可见的位置，去除它们并不影响实体的视觉效果，而消除这些冗余多边形则可以在很大程度上降低整个场景的复杂度。采用细节层次LOD （Level of Detail ）模型对同一场景或场景中的物体使用不同细节的描述方法，在绘制时， 如果一个物体离视点比较远，或者这个物体比较小，就可以用较粗的

14、 LOD 模型绘制，反之，如果物体离视点较近，或者物体比较大，就用较精细的LOD 模型来绘制。 LOD 模型通常通过网格简化算法来生成，目前最经典的网格简化算法是Schroeder 提出的三角形网格简化算法，该方法的基本思想是：先对三角形网格中的顶点进行分类，用距离误差分别计算顶点的重要性， 删除不重要的顶点，并对删除顶点后留下的空洞进行三角化3。在高度场数据中，一个点的重要性可以定义为：( , )()( , )H x yaSx y-其中 H(x,y)为原有模型中的 (x,y)点处的高度值， (aS)(x,y)为近似模型中 (x,y)点处的高度值。这种局部误差越小，所产生的近似模型质量越高。全

15、局误差度量为：,( , )()( , )x yH x yaS x y-全局误差度量是所有点上近似误差的总和。在所有删除的顶点必须有尽量小的全局误差。1.3 减少模型文件大小模型文件的大小在一定程度上反映了模型的复杂程度，通过采用纹理映射、 纹理压缩和实例等技术可以直接减小模型文件的大小， 提高模型在系统中存储、 加载和绘制的速度，提高虚拟漫游系统的实时交互性。纹理映射技术是在对应位置的多边形表面上“ 贴制 ” 纹理图片， 用来替代详细的模型细节。这样处理可以减少模型的多边形数目和复杂程度，提高图像绘制输出时的显示速度。只要视点不过于靠近实体，纹理映射并不会降低场景的逼真程度。从对比效果上看，采

16、用这种方法是非常可取的。纹理压缩是指在不影响场景逼真性的前提下对纹理图片进行必要的压缩处理，减少图片文件的大小，从而达到减少模型文件的大小。 通过减小纹理图片几何尺寸的大小来实现纹理压缩， 但要做到纹理的图片长度和宽度像素值均要为2 的整数次幂，否则模型在实时漫游中纹理可能发生扭曲变形。结合 3D 建模软件合理选择纹理图片的格式，对于只有灰度变化的纹理应尽量采用合理的数据格式以节省空间，jpg 等格式也可以减少纹理文件的大小。实例技术是对模型数据库中某个对象的引用，可以通过平移、旋转和放缩等变换， 在不同位置上创建该对象的多个实例。和复制不同的是，他们只是指向原对象的一个指针，所以模型文件的尺

17、寸并没有增加4,5。对于在场景中重复多次出现的模型或具有对称性结构特征的模型可以运用实例技术，如同一种树栽在不同位置、同样的亭子建在不同的山腰等6，虚拟环境如图1 所示。图 1 虚拟环境1.4 分形算法应用在虚拟景观的模型设计时可以用分形算法进行模型构建，实现场景自然景观模型的优化。基于分形几何学理论的分形算法是目前最有前途的大数据场景建模技术之一。分形布朗模型来模拟:包括切变位移法、逆傅立叶变换法、重线性细分法、随机中点迭代法(Random Midpoint Displacement) 等。植物模型构建算法有：L-系统、迭代函数系统(Iterated Function System, IFS

18、)、 受 限 扩 散 凝 聚 (DiffusionLimited Aggregation, DLA) 模型和粒子系统， L-系统可快捷地生成植物图形，且数据量小。2 漫游系统的体系结构设计漫游系统主要分两部分：通过三维场景建模的一些优化约简方法， 实现三维场景建模和漫游引擎的实现。实现在场名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 21 卷第 6 期Vol. 21 No. 62009年 3 月系统仿真学报 Mar., 2

19、0091656景中的灵活漫游则还需要利用其他一些软件和编程来实现6,7。本文所设计的漫游系统采用的是以EON 平台为基础，借助 VBScript 和 JavaScript语言进行视点跟踪和视角切换以及自主漫游等摄像头行为动作的开发。然后以 Visual C+6.0为开发平台，调用Eonx4.0.1 控件进行系统集成开发，最终生成一个具有可视化操作界面的虚拟漫游系统8。漫游系统的体系结构如图2 所示：图 2 漫游系统体系结构3 系统实现3.1 模型数据的转换3D 数据（通常把 3D 图形和模型称为3D 数据）常用多边形网格来描述。顶点和面的集合是一个3D 网格。点在3维空间的位置（或位姿）可由笛

20、卡尔坐标系来表示，面则是由一系列按规定顺序的点组成。基于多边形网格的可视化的三维信息获取和各种3D 模型格式的转换处理简略原理5，三维实体（模型）的瞬间的位姿为：( , , )ijkijkPf x y z x y z dxdydz=式中用 f (x, y, z)描述实体的（ x,y,z）坐标函数。通过坐标旋转，设旋转后的矩阵为R，推理可以得到仿射图（推理过程详见文献 5） ，用( )v表示：-1( )()vS F R v g=? ? ? -S ：多边形的面积；v：代表面积内的点；F（x,y,z） ：隐式方程表示任意多边形曲面，光线反射不变性，矩阵用F 来表示；g：多边形的重心。利用上述原理，将

21、3D 数据原始文件格式转换为适用于EON 的格式。各种文件格式都有不同的载入程序，3D Studio及 LightWave 文件都是利用外挂的转换程式来载入、并插入到模拟树状结构中的。载入分两个步骤： 第一步是载入并转换文件到内部资料库中，第二步是由外挂转换程式在资料库中建立 EON 的层次关系， 建立 EON 模拟树状结构， 所有的几何结构将被转换为多边形网格，所有的材质将被转换为EON 使用的格式，这些物件将被放在父系框架节点下，形成框架及网格功能节点的树状层次关系。3.2 漫游路径和视角的设计漫游路径一般分为自主漫游和固定路径的自动漫游，自主漫游可以用walk 节点来实现， 通过设定 w

22、alk 节点的前进速度和转角的转速来控制摄像头的运动状态，从而达到自主漫游。固定路径的自动漫游可以通过在虚拟场景中设定一组固定的XYZHPR 坐标，让摄像头沿这这组离散的点拟合而成的轨迹运动就实现了固定路径漫游。视角漫游是为了快速浏览具有标志性的名胜景观而专门设定的一些观察视点，通过单击鼠标或按下预设定的键就能快速切换到指定的景点。漫游路径和视点切换等开发采用的是节点路由驱动机制（如图 3 所示） ，通过传感器、 script 节点、开关节点等一系列节点来实现人与虚拟场景的实时交互，真正让人感受到身临其境的感觉。(a) 节点路由机制（b）漫游路径的节点路由图 3 节点路由机制与漫游路径3.3

23、漫游系统集成在虚拟现实平台中实现漫游路径和视点切换等摄像头动作开发后， 设定好 InEvent 和 OutEvent 节点来进行信号传递。利用 Visual C+6.0作为软件集成开发平台，首先建立一个单文档的MFC 程式，然后通过调用Creat()函数创建一个 EON 对象，将 EON 开发的 edz 文件载入进来，实现VC界面与 edz 文件间的相互通信。 最终开发出具有可视化操作界面的虚拟景观漫游系统。virtual BOOL Create （LPCTSTR lpszClassName，/关联类的类名，长指针类型LPCTSTR lpszWindowName，/父窗口名 CWnd* pPa

24、rentWnd ，/指向父类的指针节点节点节点名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 21 卷第 6 期Vol. 21 No. 6 2009 年 3月罗陆锋，等： 大数据量虚拟景观的三维模型优化与漫游Mar., 20091657 CCreateContext* pContext = NULL return CreateControl(GetClsid(), lpszWindowName, dwStyle, rect,

25、 pParentWnd, nID); 4 实例验证以华南农业大学校园为模型，借助EON 虚拟现实开发软件，在 Visual C+ 上实现了该虚拟校园漫游。如图 4 所示，使用者可以对场景进行全方位浏览，也可以按预定路径自动漫游，还可选择不同视角进行观察。该系统设计与开发方法具有很好的应用价值。图 4 虚拟华南农业大学校园5 结论为了实现大数据量的三维复杂环境的虚拟景观的仿真，本文从合理选择建模工具、降低模型的冗余度和复杂度、减小模型文件大小三个方面对建模过程中三维模型的优化方法进行了详细研究。构建了漫游系统的体系结构，从三维模型数据转换、 漫游路径和视角设计、漫游系统集成等方面对漫游系统的实现

26、进行了研究，给出了数据压缩和转换算法，实现了大数据量的虚拟校园漫游系统，该系统具有很好的实时交互性和可扩展性。参考文献 : 1 潘修强 . 基于 MultiGenCreator 和 3DSMAX 的虚拟漫游系统建模方法 J. 福建电脑 , 2006, 12: 17-18. 2 朱丽 . 建筑虚拟漫游系统技术研究D. 西安 : 西北工业大学, 2002. 3 石教英 . 虚拟现实基础及实用算法M. 北京 : 科学出版社 , 2002. 4 王晓东 , 毕开波 . 基于 Creator 的飞行视景三维模型数据库优化技术J. 系统仿真学报 , 2007, 19(12): 2716-2719. (WA

27、NG Xiao-dong, BI Kai-bo. Technology of Optimization of 3D Model Databasefor Flight Visualization Based on Creator J. Journal of System Simulation (S1004-731X), 2007, 19(12): 2716-2719.) 5 邹湘军 . 虚拟环境下基于知识融合的机械产品建模与设计研究D. 广州 : 广东工业大学 , 2005. 6 袁红亮 . 虚拟环境真实感表现方法的研究及应用D. 广州 : 广东工业大学 , 2005. 7 王岚 , 刘怡, 梁

28、忠先 . 虚拟现实EON Studio应用教程 M. 天津: 南开大学出版社 , 2007. 8 Xiangjun ZOU, Bangjun GU, Jian SUN, et al. Web-based Product Development and Simulation with Virtual Reality J. Journal of Computational Information Systems (S0887-4417), 2006, 2(2): 161-166. (上接第 1653页)其中，fP ：平滑终点；sP ：平滑起点；smT：平滑时间； h ：平滑的时间步长。将各自由度x

29、 、 y、 z和、代入(15)式，可得各自由度线性平滑算法的计算公式。5 结论本文提出的不规则数据处理方法可以为武器试验、多武器平台对抗仿真等应用提供数据预处理方法支持，已在某指挥所态势推演和指控业务仿真中得到应用。但在实际应用中，要根据具体情况选用算法的阶数和DR 参量。既要根据实际的问题来定， 仿真实体和数据采集方式的不同都会影响DR 算法的取值，同时也要对传输次数和门限值进行折衷考虑，在大幅度地降低了传输次数的同时，又使得由DR 的推算值与实际值误差相对较小。参考文献：1 赵沁平 , 沈旭昆 , 夏春和 , 王兆其 . DVENET ：一个分布式虚拟环境J. 计算机研究与发展 , 198

30、8, 35(12): 1064-1068. 2 陶化成 . DR算法门限值的确定J. 系统仿真学报, 2002, 14(3): 288-289. 3 张金涛 . 基于 HLA 的视景仿真网络数据量处理技术的应用J. 计算机仿真 , 2005, 22(9): 103 - 105. 4 周绥平 , 陈宗基 . 分布交互仿真的时空一致性J. 系统仿真学报 , 1996, 8(3): 6-11. 5 Bu-Sung Lee, Wentong Cai, Stephen J, Turner L Chen. Adaptive Dead Reckoning Algorithms for Distributed interactive Simulation J. Simulation (S1473-804x), 2000, 1(l/2): 21-34. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -