虛擬校園圖書館漫游系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

呂朝華，顧 容，程祥春

（浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310014）

虛擬校園圖書館漫游系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

呂朝華，顧 容，程祥春

（浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310014）

虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術在教育中的具體應用。本文通過虛擬場景的面片數(shù)、頂點數(shù)、幀速率（FPS）、系統(tǒng)容量四項指標，討論了紋理映射、實例化建模、多細節(jié)層次和基于Lua語言的外部引入技術，并實現(xiàn)了虛擬圖書館的漫游。

虛擬校園；場景優(yōu)化；Quest3D；Lua語言

一、引言

1990年由美國克萊蒙特大學教授凱尼斯·格林（Kenneth Green）發(fā)起并主持的一項大型科研項目“信息化校園計劃”被認為是數(shù)字化校園概念的最早出現(xiàn)。[1]近年來，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展得十分迅速，被廣泛應用到了軍事、醫(yī)學、建筑、教育、娛樂等領域。許多高校建立了虛擬校園仿真系統(tǒng)并放到了互聯(lián)網(wǎng)上，任何人通過互聯(lián)網(wǎng)都可以漫游虛擬校園來體會校園文化。場景建模是虛擬三維校園漫游系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，是虛擬現(xiàn)實技術最重要的表現(xiàn)形式，它是使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式仿真環(huán)境，實現(xiàn)了用戶與該環(huán)境直接進行自然交互。[2]逼真的可視化虛擬場景給視景的實時繪制帶來了巨大的壓力。如何在不影響場景逼真度的情況下提高視景的實時性渲染，是當前研究的一個熱點問題。本文以浙江工業(yè)大學屏峰校區(qū)圖書館為例進行討論。

二、系統(tǒng)的構(gòu)建

1.場景建模

現(xiàn)在很多高校建立了網(wǎng)上的虛擬校園漫游系統(tǒng)，大部分都是進行室外漫游，而進行室內(nèi)建模的虛擬場景很少。室外模型只要制作建筑的外表輪廓，像窗戶、玻璃、門等一些模型可以直接利用貼圖來表示,而室內(nèi)建模則要對各個模型進行制作，這樣就加大了虛擬場景模型的數(shù)據(jù)量。模型的數(shù)據(jù)量越大，系統(tǒng)的渲染速度就會越慢。雖然現(xiàn)在的計算機軟硬件發(fā)展迅速，但仍然不能滿足實時渲染的需求。

使用3DS Max 2009對場景進行建模，大部分模型使用幾何建模方法，也用到了放樣建模，比如：樓梯、扶手。貼圖是利用數(shù)碼相機對圖書館內(nèi)部物體進行拍攝，經(jīng)過Photoshop軟件修改，最后附加到建立的模型上面。在渲染方面，利用了3DS Max 2009自帶的默認掃描線渲染器，因為是室內(nèi)渲染，啟用了高級照明中的光能傳遞命令，而室外渲染則選用光線跟蹤命令。為了達到逼真的室內(nèi)效果，配合光度學燈光中的光域網(wǎng)使場景的光線更加生動。烘焙的主要工作是將場景中模型表面光影存入文件，其文件格式為Targa（tga）。烘焙的基本原則:對于面積較大且平鋪貼圖的模型，使用LightingMap方式烘焙，如鋪磚的地面；對于面積較大但沒有貼圖文件的模型，使用CompleteMap方式烘焙，如墻面；對于有貼圖但沒有平鋪的模型，使用CompleteMap方式烘館；對于植物、面片裝飾物、金屬、玻璃、鏡子、自發(fā)光及細小物等物體，則不需要烘焙。[3]

2.交互設計

使用Quest3D引擎進行交互的設計。Quest3D引擎是由荷蘭Act-3D公司開發(fā)，是一個功能非常強大的三維項目制作軟件，最大的特點就是利用“channel”信道元件進行編程，極大地提高了開發(fā)效率。將3DS Max 2009中的制作的模型分批導入到Quest3D引擎中，利用“WalkthroughCamera”漫游像機信道實現(xiàn)漫游功能。在漫游的過程當中，漫游像機要和周圍的物體進行碰撞檢測。碰撞檢測要進行大量的運算，如果碰撞的物體是簡單的物體可以直接進行檢測，如果是復雜的物體，為了減少系統(tǒng)的負擔可以利用透明的面片和像機進行檢測。

三、虛擬場景的優(yōu)化

虛擬仿真系統(tǒng)中的場景要有一定的逼真度，但同時要滿足視景的實時繪制，所以，虛擬場景的優(yōu)化在大場景的情況下非常重要，在室內(nèi)建模的情況下顯得更加突出。

1.提高真實感

（1）紋理映射

紋理映射（TextureMapping）是一種將二維圖像映射到三維幾何形狀表面的一種技術，是增強真實感的有效手段。使用紋理映射技術可以避免將場景中的每個細節(jié)都使用多邊形來表示，因而可以大大減少場景的多邊形數(shù)目，提高圖形顯示速度，增加系統(tǒng)效率。使用紋理時應該注意不能使用過于復雜的紋理，過于復雜會消耗較多的內(nèi)存，降低顯示速度，過于簡單又會失去真實感，要在二者之間保持平衡。[4]在圖書模型的制作過程中，只對BOX幾何體前方和上方附加貼圖，下方和后方的多余面片刪除，分別對貼圖的UV坐標進行調(diào)整，這樣就可以表現(xiàn)出一本很真實的圖書模型。 Mipmapping技術是特殊的紋理映射，就是將要貼的紋理準備好一組大小各不相同的規(guī)則圖像，根據(jù)幾何面與視點的距離來調(diào)用相應大小的紋理。幾何面與視點的距離較近的時候顯示像素較高的圖像，幾何面與視點的距離較遠的時候顯示像素較低的圖像，加快了視景的實時顯示。Quest3D支持圖像的尺寸要大于8像素，并且最好是2的冪次。利用Photoshop的插件.DDS可以很容易生成帶有層級的貼圖，但同時也因為層級的增加會使圖像的容量增加，增大了系統(tǒng)的運算量。

（2）光照、陰影的生成

在虛擬仿真的環(huán)境中，動態(tài)的光照和陰影會消耗很多內(nèi)存，所以一般都是在三維建模軟件中進行布光，通過烘焙以貼圖的形式來存儲光照、陰影的信息。靜態(tài)的光照和陰影雖然沒有動態(tài)的逼真、豐富，但是也達到了一般應用的要求。

有時為了突出主體，可以對主體人物運用動態(tài)的光照和陰影。在Quest3D引擎中，“SoftwareStencilShadowObject”信道可以支持各種物體的實時陰影，但消耗的內(nèi)存較多；“FastShaderStencilShadowObject”信道效率較高，但不支持非閉合物體，也不支持蒙皮角色。

2.提高實時性

（1）實例化技術

實例化技術是計算機圖形學里為節(jié)省計算機的運行負擔而采用的一種算法。當構(gòu)造多個相同形狀和相同屬性的模型時，如果采用正常的拷貝手段，每增加一個物體模型，多邊形的數(shù)量就增加一倍，而采用實例化技術，可以在增加同類物體數(shù)量時不增加多邊形數(shù)量。[5]應用Quest3D引擎中的“ForLoop”信道將一排書架模型進行實例化。根據(jù)需要，渲染出了十一排書架模型。通過坐標的空間轉(zhuǎn)換將書架模型放到合適的位置。

“ForLoop”信道比較適合物體模型位置有規(guī)律的時候應用，比如系統(tǒng)中書架模型的實例化應用。Quest3D引擎中還有一個信道“NaturePainter”也可以應用于實例化建模并且繪制的方法靈活。一次可以繪制一個物體模型，也可以同時繪制多個物體模型。繪制物體的位置可以是隨機擺放的，也可以是按照制作的需要有順序地擺放。同時，還可以設置物體的可見范圍。在場景中比較適合隨機種植一些花草，樹木之類的景觀模型。進一步來說，可以應用到虛擬場景中的每一個模型物體，例如：房屋、人物等。要注意的是碰撞物體模型的設置，所繪制的模型都必須繪制在相應的碰撞物體模型上。碰撞物體模型的大小會影響到系統(tǒng)的運算速度。所以，一般都用平面作為碰撞物體。

（2）多細節(jié)層次（LOD）

LOD就是在不影響畫面視覺效果的條件下，通過逐次簡化模型表面的細節(jié)來減少場景的幾何復雜性，從而提高視景渲染的速度。通常對每一原始多面體模型建立幾個不同精度的幾何模型，與原模型相比，每個模型均保留了一定層次的細節(jié)。當從近處觀察模型時，系統(tǒng)調(diào)用精細模型；從遠處觀察模型時系統(tǒng)調(diào)用較為粗糙的模型。LOD有不同的算法，按照簡化機制不同的分類可以分為：自適應細分型、采樣型、幾何元素刪除型。

在 Quest3D引擎中， 含有 “Dynamic LOD”、“Static LOD”兩個信道。在本系統(tǒng)中選用了“Static LOD”信道，就是在預處理過程中產(chǎn)生一個物體的幾個離散的不同細節(jié)層次模型，實時繪制時根據(jù)特定的標準選擇合適的細節(jié)層次模型來表示物體。首先，確定了細節(jié)層次的數(shù)目為兩層：一層為沒有貼圖的半透明BOX，一層為書架模型。圖書室中首先顯示的是半透明的BOX，當攝像機與BOX的距離小于一個數(shù)值時，就顯示為書架模型。當攝像機遠離書架時，又會顯示為半透明的BOX。在一定的距離范圍內(nèi)，攝像機附近的物體是書架，遠處的物體是半透明的BOX，加快了視景實時渲染的速度。

但是，在原有場景的基礎上增添了很多個半透明的BOX，場景的面片數(shù)增加了，內(nèi)存消耗增大。所以，采用LOD技術也是要在能實現(xiàn)快速動態(tài)并行加載技術的基礎之上的。[6]這和Mipmapping技術其實是同樣的道理。同時，在不同層次模型的轉(zhuǎn)換間，給視覺也帶來了突變的效果。

“Dynamic LOD”即在動態(tài)LOD算法中生成一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在實時繪制時可以從這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中抽取出所需的細節(jié)層次模型。從這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中可以得到大量不同分辨率的細節(jié)層次模型，分辨率甚至可以是連續(xù)變化的。當攝像機與物體的距離較近時，顯示較多的頂點數(shù)和面片數(shù)，渲染的細節(jié)較多；當攝像機與物體的距離較遠時，顯示物體的頂點數(shù)和三角形的面片數(shù)越來越少，這樣可以加快視景的渲染速度。這種算法比較適合表面比較光滑的模型，比如：遠處的高山等，這種優(yōu)化方式不能夠用在帶有面部動畫的人物角色上。因為帶有面部表情的人物動畫是通過Morph（變形）動畫產(chǎn)生的。這種情況要求面部不同表情的頂點數(shù)和面片數(shù)是相同的。

（3）外部引用技術

外部引用能夠?qū)碗s場景中的各個物體、單元地形等分別調(diào)入場景數(shù)據(jù)庫中。采用外部引用的方式好處在于可以有效降低模型數(shù)據(jù)庫的規(guī)模，節(jié)省內(nèi)存空間和儲存空間，提高系統(tǒng)資源的利用率，同時對場景的組織和管理起到一定的作用。可以將一個大的場景分成幾小塊，然后分別進行調(diào)用。在Quest3D引擎中集成了“Lua Script”信道，Lua語言實現(xiàn)了一個安全的運行環(huán)境、一套自動內(nèi)存管理機制、優(yōu)秀的字符串處理能力和動態(tài)大小數(shù)據(jù)的處理能力。

載入的時候，如果外部的文件是在本機，文件的路徑使用相對路徑就可以，如果要通過互聯(lián)網(wǎng)從服務器上載入場景，就要用絕對路徑。外部載入需要用輔助物體（透明的BOX），可以根據(jù)輔助物體和攝像機的距離判斷物體的載入和移出。對于載入時視覺突變的效果，使用“透明”技巧，實現(xiàn)目標漸隱漸現(xiàn)的效果，也是一種有效的解決方法。[7]表中所示是對以上三種優(yōu)化方法的比較（這些數(shù)據(jù)都是在攝像機運動的時候取得）。

表數(shù)據(jù)分析

采用實例建模的主要目標是節(jié)省內(nèi)存，從這個意義上說內(nèi)存占用少，顯示速度會加快，但同時由于物體的幾何位置要通過幾何變換得到，所以當實例對象增多時，系統(tǒng)的運算量將明顯增大，過多的計算會導致系統(tǒng)運行速度的降低，影響系統(tǒng)實時性。[8]系統(tǒng)增加了20個實例化的書架，數(shù)據(jù)量比較大，降低了系統(tǒng)的運行速度，所以FPS比較低，但生成的系統(tǒng)文件較小；靜態(tài)LOD的面片數(shù)和頂點數(shù)很多，但是場景文件運行的時候，所有的模型都在內(nèi)存中，加快了系統(tǒng)的實時渲染，F(xiàn)PS比較高，而且比較穩(wěn)定，缺點是生成的系統(tǒng)文件較大；外部引用技術場景的頂點、面片數(shù)在實例建模和靜態(tài)LOD的中間，但是FPS的數(shù)值卻有偏差，這是因為所測試的場景太小，發(fā)生載入和移出的次數(shù)頻繁，極大地增加了系統(tǒng)的運算量，影響了視景的實時渲染。所以，在應用外部引用技術的時候一定要注意同時載入和移出的物體模型不要太多，并且，這些物體模型的面片數(shù)和頂點數(shù)越少越好。

四、結(jié)束語

通過虛擬校園圖書館漫游系統(tǒng)的制作，以Quest3D引擎為交互平臺，討論了紋理映射、實例化建模技術、多細節(jié)層次和外部引用技術在虛擬場景優(yōu)化中的應用，并總結(jié)和分析了實例化建模技術、多細節(jié)層次和外部引用技術的優(yōu)點和缺點。

[1]畢曉佳，苗放，葉成名.基于數(shù)字地球平臺的三維虛擬數(shù)字校園建設[J].地理空間信息,2008.

[2]王永梅，舒娛琴，胡偉平.虛擬華師校園網(wǎng)三維模型的構(gòu)建[J].華南師范大學學報（自然科學版）,2007.

[3]曹彤.虛擬博物館的三維場景構(gòu)造及交互漫游實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2007.

[4]桂偉峰,葉海智.基于VRML和JAVA的虛擬實驗研究[D].河南:河南師范大學,2007.

[5]陸暢,孫俊,逢守文.船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)方法[J].系統(tǒng)仿真學報,2007.

[6]潘吉.三維“數(shù)字蘇州”建設與應用前景[J].中國建設信息,2009.

[7]吳宇飛,侯文君.多用戶虛擬北郵校園漫游系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京:北京郵電大學,2006.

[8]翟麗平.基于MultiGen的虛擬現(xiàn)實三維建模技術研究與實現(xiàn)[D].重慶:重慶大學,2005.

（編輯：楊馥紅）

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1673-8454（2011）03-0076-04