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几何建模技术在虚拟校园漫游系统开发中的应用




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虚拟漫游系统的开发是虚拟现实技术的一个重要应用。以华北电力大学保定二校区为虚拟仿真环境 ,使用 3DMAX建模工具对校 园中的各种模型进行建模,使用多种基于几何建模的场景优化措施,并基于GoogleEaCh卫星截图进行场景的精确布局设计。结合 Virtools虚拟现实开发平台,设计 了虚拟校园漫游系统的开发流程,并在微机平台上实现了一个场景复杂的校 园实时漫游系统。该校 园漫游系统不但为用户提供了友好的Web界 面,而且设计并实现了基于导航图控制的人机交互机制,便于综合使用多种漫游方式快速漫游校 园的场景。

  虚拟校园漫游系统作为校园数字化工程的一部分,是指利用高性能计算机软硬件去创建具有良好交互能力、能使参与者具有沉浸感、有助于启发参与者构思的信息环境。借助这样一个基于真实空间或假象空间的实时仿真虚拟空间,不仅可以全面展示校园建筑物的外观、周边环境,还可以以任意视角观察建筑物的内部布局结构和内部设施,使参观者足不出户就可以进入虚拟的校园,尽情领略校园的美好风光。虚拟现实技术则是在计算机图形学、仿真、人一机接口、多媒体以及传感技术的基础上发展起来的一门交叉学科。用户以6个自由度在这个仿真的环境里进行对话,以自然的方式进行交互操作。利用计算机生成的模拟环境,通过传感设备和计算机接口,给用户亲临其境的感受。高逼真虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,除了满足沉浸感,还必须满足交互性或实时性。虚拟校园漫游系统作为虚拟现实技术在特定领域的发展 和应 用,也 是是虚拟现实技术 的综 合应 用,其研 究成果 同样可用于公共建 筑项目(如车 站、机场、桥梁 、港 口、大坝、核电站等大型工程)、城市规划设计方案、城市交通布局设计方案、建筑物室内设计、布置和装饰效果的先期演示、验证。目前已有的虚拟漫游系统根据其处理基元的类型可以分为 3种:基于多边形的实时漫游系统,基于图像的实时漫游系统以及混合类型的实时漫游系统。

  基于图像的实时漫游系统无需使用几何模型的多边形描述场景,而只需场景对象的数字图像。这种方法虽然具有建模时间短,绘制效果逼真的优点,但是存在图像匹配困难,存储数据量大,立体感不强的缺点。对于碰撞检测等交互式行为仿真,用这类 算法处理 极为困难 。基于全景图技术 的漫游系统就属于这一类,而目前国内一些大学开发的校园漫游系统一般采用这种全景图技术,可以实现对场景的固定视点的任意视角的漫游 ,但从一 个视点到另一个 视点的移动会产生跳跃,且交互性差,QuickTime是这类漫游系统的代表。

  基于多边形的实时漫游系统也称为基于几何渲染的漫游系统。这类漫游系统一般具有很好的交互性,既可以在导航器的指导下漫游,也可以根据用户的意愿自由漫游。但是一个高逼真的基于多边形的虚拟校园漫游场景通常包含上千万甚至更多的多边形,大规模虚拟校园场景复杂度的增加势必影响场景绘制的实 时性 。

  混合漫游系统既使用图像也使用多边形来参与绘制,试图融合前两者的优点,但是目前该技术不是很成熟,基于图像的漫游系统固有的缺陷仍然存在。因此,本系统选择采用基于多边形建模的方法构建虚拟校园漫游系统。

  1 基于多边形的虚拟漫游关键技术

  目前从技术角度来说,建筑物虚拟漫游的最大难点在于建模和实时绘制。虽然随着计算机技术的发展,个人计算机的处理能力有了极大提升,甚至已经超过了以往专业图形工作站的水平。尤其是CPU和 GPU(graphics processing units)的迅猛发展,使得在微机上开发虚拟漫游系统具备了一定的物质基础,但是由于室外建筑漫游所看到的景象距人们很近,因此需要绘制得非常逼真并且建模时需要构造得非常精细,这往往消耗计算机大量的时间和空间资源。同样,对于构造出来的如此复杂的模型,在对其进行绘制时,由于GPU性能的制约也往往很难达到实时效果。因此,围绕解决大规模室内外漫游场景绘制的质量与实时性的矛盾也就必然成为开发虚拟漫游系统要解决的关键问题。本系统主要实现一个基于多边形的校园室外漫游,需要考虑使用的关键技术主要包括:可见性裁减技术,LOD(1evel ofdetail)技术。

  1.1 可见性裁减技术

  可见性裁减处理从某个视点来说场景中可见部分的确定问题,即只将潜在的可见部分送入绘制管道,从而提高场景实时绘制的性能。如图 1所示,根据场景中不可见面片的种类,可以将可见性裁减分为视见体裁减和遮挡剔除。视见体裁减主要裁减位于视见体外部的多边形,简单场景的视见体裁减可以基于 OpenGL等图形绘制软件包在基本图元一级进行裁减,而对复杂场景的视见体裁减一般根据预处理阶段构造的层次数据结构对场景空间数据进行合理组织,可以在场景对象一级进行裁减,因此使用 CPU进行视见体裁减的时间开销更低。遮挡剔除是对于当前视点剔除掉位于视见体内且被其前面的遮 挡物(Occluder)遮挡住的对象。另外,可以将裁减那些背向视点的多边形的背面裁减理解为一种最简单的遮挡剔除。综合国内外在这方面的研究情况,可见性裁减算法主要分为预处理与实时处理,保守型与近似型,点与区域型,图像空间与物体空间,还有单独遮挡物与遮挡物融合5种类型 。

  

 1.2 LOD技术

  LOD绘制技术是指对网格面片表示的模型,在一定误差的精度范围内,根据视点与物体的距离或物体的重要性等因素决定删除点、边、面,从而简化所绘制场景的复杂度,加快图形的绘制速度。因此这里采用LOD 技术充分利用了人眼的视觉特性,在模型的精细程度与绘制的速度方面取一个折衷,既要保证一定的绘制质量,以满足良好的视觉效果,又不造成用户漫游的不适感。地形这一特殊的复杂模型一般采用多分辨率建模技术绘制。所谓多分辩绘制算法可以认为是LOD技术的延伸,即算法实时地根据视点的变化而简化地形绘制的一种方法。由于校园地形较为平坦,地貌特征并不复杂。基于以上情况,如图2所示,本系统参照卫星地图构建了华北电力大学保定二校区地形的平面模型,用它来替代地形模型。

  

  2 虚拟漫游系统流程设计与开发

  在虚拟校园漫游系统开发过程中,对现有的建筑及其它场景采用实地拍摄,实地观察,使用几何建模的方法来进行场景搭建。工作流程如图3所示。

  

  2.1 Virtools开发工具

  本系统构建使用的V~tools是一套集创作应用程序、交互引擎和渲染引擎和发布模块于一身的3D虚拟现实开发系统。该系统除了提供给用户方便易用的拖拉模块式构建方法,还为程序员提供了编程SDK、脚本编程语言以及对图形编程语言ceTx的支持,以便于程序员开发更适合实际需求的高效解决方案 。

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