幾何建模技術(shù)在虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要應(yīng)用。以華北電力大學(xué)保定二校區(qū)為虛擬仿真環(huán)境 ，使用 3DMAX建模工具對校 園中的各種模型進行建模，使用多種基于幾何建模的場景優(yōu)化措施，并基于GoogleEaCh衛(wèi)星截圖進行場景的精確布局設(shè)計。結(jié)合 Virtools虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，設(shè)計 了虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程，并在微機平臺上實現(xiàn)了一個場景復(fù)雜的校 園實時漫游系統(tǒng)。該校 園漫游系統(tǒng)不但為用戶提供了友好的Web界 面，而且設(shè)計并實現(xiàn)了基于導(dǎo)航圖控制的人機交互機制，便于綜合使用多種漫游方式快速漫游校 園的場景。

　　虛擬校園漫游系統(tǒng)作為校園數(shù)字化工程的一部分，是指利用高性能計算機軟硬件去創(chuàng)建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與者構(gòu)思的信息環(huán)境。借助這樣一個基于真實空間或假象空間的實時仿真虛擬空間，不僅可以全面展示校園建筑物的外觀、周邊環(huán)境，還可以以任意視角觀察建筑物的內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施，使參觀者足不出戶就可以進入虛擬的校園，盡情領(lǐng)略校園的美好風(fēng)光。虛擬現(xiàn)實技術(shù)則是在計算機圖形學(xué)、仿真、人一機接口、多媒體以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。用戶以6個自由度在這個仿真的環(huán)境里進行對話，以自然的方式進行交互操作。利用計算機生成的模擬環(huán)境，通過傳感設(shè)備和計算機接口，給用戶親臨其境的感受。高逼真虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容，除了滿足沉浸感，還必須滿足交互性或?qū)崟r性。虛擬校園漫游系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在特定領(lǐng)域的發(fā)展 和應(yīng) 用，也 是是虛擬現(xiàn)實技術(shù) 的綜 合應(yīng) 用，其研 究成果 同樣可用于公共建 筑項目(如車 站、機場、橋梁 、港 口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設(shè)計方案、城市交通布局設(shè)計方案、建筑物室內(nèi)設(shè)計、布置和裝飾效果的先期演示、驗證。目前已有的虛擬漫游系統(tǒng)根據(jù)其處理基元的類型可以分為 3種：基于多邊形的實時漫游系統(tǒng)，基于圖像的實時漫游系統(tǒng)以及混合類型的實時漫游系統(tǒng)。

　　基于圖像的實時漫游系統(tǒng)無需使用幾何模型的多邊形描述場景，而只需場景對象的數(shù)字圖像。這種方法雖然具有建模時間短，繪制效果逼真的優(yōu)點，但是存在圖像匹配困難，存儲數(shù)據(jù)量大，立體感不強的缺點。對于碰撞檢測等交互式行為仿真，用這類 算法處理 極為困難 ?；谌皥D技術(shù) 的漫游系統(tǒng)就屬于這一類，而目前國內(nèi)一些大學(xué)開發(fā)的校園漫游系統(tǒng)一般采用這種全景圖技術(shù)，可以實現(xiàn)對場景的固定視點的任意視角的漫游 ，但從一 個視點到另一個 視點的移動會產(chǎn)生跳躍，且交互性差，QuickTime是這類漫游系統(tǒng)的代表。

　　基于多邊形的實時漫游系統(tǒng)也稱為基于幾何渲染的漫游系統(tǒng)。這類漫游系統(tǒng)一般具有很好的交互性，既可以在導(dǎo)航器的指導(dǎo)下漫游，也可以根據(jù)用戶的意愿自由漫游。但是一個高逼真的基于多邊形的虛擬校園漫游場景通常包含上千萬甚至更多的多邊形，大規(guī)模虛擬校園場景復(fù)雜度的增加勢必影響場景繪制的實 時性 。

　　混合漫游系統(tǒng)既使用圖像也使用多邊形來參與繪制，試圖融合前兩者的優(yōu)點，但是目前該技術(shù)不是很成熟，基于圖像的漫游系統(tǒng)固有的缺陷仍然存在。因此，本系統(tǒng)選擇采用基于多邊形建模的方法構(gòu)建虛擬校園漫游系統(tǒng)。

　　1 基于多邊形的虛擬漫游關(guān)鍵技術(shù)

　　目前從技術(shù)角度來說，建筑物虛擬漫游的最大難點在于建模和實時繪制。雖然隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，個人計算機的處理能力有了極大提升，甚至已經(jīng)超過了以往專業(yè)圖形工作站的水平。尤其是CPU和 GPU(graphics processing units)的迅猛發(fā)展，使得在微機上開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)具備了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，但是由于室外建筑漫游所看到的景象距人們很近，因此需要繪制得非常逼真并且建模時需要構(gòu)造得非常精細(xì)，這往往消耗計算機大量的時間和空間資源。同樣，對于構(gòu)造出來的如此復(fù)雜的模型，在對其進行繪制時，由于GPU性能的制約也往往很難達到實時效果。因此，圍繞解決大規(guī)模室內(nèi)外漫游場景繪制的質(zhì)量與實時性的矛盾也就必然成為開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)一個基于多邊形的校園室外漫游，需要考慮使用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：可見性裁減技術(shù)，LOD(1evel ofdetail)技術(shù)。

　　1．1 可見性裁減技術(shù)

　　可見性裁減處理從某個視點來說場景中可見部分的確定問題，即只將潛在的可見部分送入繪制管道，從而提高場景實時繪制的性能。如圖 1所示，根據(jù)場景中不可見面片的種類，可以將可見性裁減分為視見體裁減和遮擋剔除。視見體裁減主要裁減位于視見體外部的多邊形，簡單場景的視見體裁減可以基于 OpenGL等圖形繪制軟件包在基本圖元一級進行裁減，而對復(fù)雜場景的視見體裁減一般根據(jù)預(yù)處理階段構(gòu)造的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對場景空間數(shù)據(jù)進行合理組織，可以在場景對象一級進行裁減，因此使用 CPU進行視見體裁減的時間開銷更低。遮擋剔除是對于當(dāng)前視點剔除掉位于視見體內(nèi)且被其前面的遮 擋物(Occluder)遮擋住的對象。另外，可以將裁減那些背向視點的多邊形的背面裁減理解為一種最簡單的遮擋剔除。綜合國內(nèi)外在這方面的研究情況，可見性裁減算法主要分為預(yù)處理與實時處理，保守型與近似型，點與區(qū)域型，圖像空間與物體空間，還有單獨遮擋物與遮擋物融合5種類型 。

　1．2 LOD技術(shù)

　　LOD繪制技術(shù)是指對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，根據(jù)視點與物體的距離或物體的重要性等因素決定刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜度，加快圖形的繪制速度。因此這里采用LOD 技術(shù)充分利用了人眼的視覺特性，在模型的精細(xì)程度與繪制的速度方面取一個折衷，既要保證一定的繪制質(zhì)量，以滿足良好的視覺效果，又不造成用戶漫游的不適感。地形這一特殊的復(fù)雜模型一般采用多分辨率建模技術(shù)繪制。所謂多分辯繪制算法可以認(rèn)為是LOD技術(shù)的延伸，即算法實時地根據(jù)視點的變化而簡化地形繪制的一種方法。由于校園地形較為平坦，地貌特征并不復(fù)雜。基于以上情況，如圖2所示，本系統(tǒng)參照衛(wèi)星地圖構(gòu)建了華北電力大學(xué)保定二校區(qū)地形的平面模型，用它來替代地形模型。

　　2 虛擬漫游系統(tǒng)流程設(shè)計與開發(fā)

　　在虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)過程中，對現(xiàn)有的建筑及其它場景采用實地拍攝，實地觀察，使用幾何建模的方法來進行場景搭建。工作流程如圖3所示。

　　2．1 Virtools開發(fā)工具

　　本系統(tǒng)構(gòu)建使用的V~tools是一套集創(chuàng)作應(yīng)用程序、交互引擎和渲染引擎和發(fā)布模塊于一身的3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了提供給用戶方便易用的拖拉模塊式構(gòu)建方法，還為程序員提供了編程SDK、腳本編程語言以及對圖形編程語言ceTx的支持，以便于程序員開發(fā)更適合實際需求的高效解決方案 。