基于Vega Prime的多通道三維仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

趙必廈， 馮開(kāi)平， 羅立宏

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

廣東工業(yè)大學(xué)數(shù)字媒體技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)在多通道大屏幕展示系統(tǒng)的研究方面取得重大的進(jìn)展，目前已成功研發(fā)出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的21通道（環(huán)幕12通道，虛擬地面9通道）360度環(huán)幕投影系統(tǒng)，并將17通道（環(huán)幕8通道，虛擬地面9通道）270度環(huán)幕投影系統(tǒng)成功應(yīng)用于上海世博會(huì)廣州案例館的水環(huán)境展示，效果良好。

多通道虛擬現(xiàn)實(shí)交互展示系統(tǒng)，也就是270度環(huán)幕投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由三維仿真子系統(tǒng)和多通道視頻播放子系統(tǒng)構(gòu)成，而系統(tǒng)的難點(diǎn)在于架構(gòu)三維仿真子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱三維仿真系統(tǒng)）。

本文是對(duì)在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)的新系統(tǒng)中的子系統(tǒng)——多通道三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的描述。

1 系統(tǒng)概述

按照層次設(shè)計(jì)的思想，系統(tǒng)可以劃分為專業(yè)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和硬件支撐環(huán)境，系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。專業(yè)應(yīng)用層包括系統(tǒng)監(jiān)控模塊（簡(jiǎn)稱監(jiān)控模塊）、系統(tǒng)綜合管理模塊（簡(jiǎn)稱管理模塊）、三維虛擬場(chǎng)景顯示模塊（簡(jiǎn)稱游戲模塊，因?yàn)樵撃K具有交互功能，就像是一個(gè)游戲）、視頻播放模塊（簡(jiǎn)稱視頻模塊）、感應(yīng)模塊、通信模塊；數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制模塊（簡(jiǎn)稱數(shù)控模塊）、日志模塊以及綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（包含配置信息參數(shù)庫(kù)和虛擬模型庫(kù)）；硬件支撐環(huán)境包括高性能PC機(jī)、融合設(shè)備、投影設(shè)備、音響設(shè)備、感應(yīng)設(shè)備和其它設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)現(xiàn)原理及開(kāi)發(fā)流程

2.1 實(shí)現(xiàn)原理

三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。首先使用 3ds Max軟件建模，然后把模型文件導(dǎo)入Creator軟件里編輯后生成模型文件，把模型文件導(dǎo)入LynxPrime工具里邊編輯，生成場(chǎng)景數(shù)據(jù)，借助VegaPrime引擎編碼實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)，渲染場(chǎng)景數(shù)據(jù)，并輸出到顯示設(shè)備中。體驗(yàn)用戶在交互設(shè)備的作用下與仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互，交互數(shù)據(jù)通過(guò)交互設(shè)備與仿真系統(tǒng)共同訪問(wèn)COM控件庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

仿真系統(tǒng)需包含以下幾類(lèi)文件：仿真程序、場(chǎng)景文件、模型文件、路徑文件、聲音文件。如表1所示。

表1 三維仿真系統(tǒng)需包含的文件類(lèi)型

2.2 開(kāi)發(fā)流程

三維仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為如下幾個(gè)過(guò)程：需求分析、數(shù)據(jù)采集、三維建模、構(gòu)建仿真系統(tǒng)、測(cè)試、發(fā)布與維護(hù)。系統(tǒng)構(gòu)建流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)建流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 三維建模

本系統(tǒng)選擇3ds Max與Creator協(xié)同建模的方式來(lái)建立三維模型。

在建模過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列的過(guò)程文件：3ds max的 max模型文件、貼圖和材質(zhì)文件，Creator的flt（OpenFlight File）模型文件。最后使用Vega Prime自帶的轉(zhuǎn)換工具“to_vsb.exe”把flt文件轉(zhuǎn)換成vsb文件輸出的模型文件。由于vsb文件是已經(jīng)編譯好了的二進(jìn)制文件，而flt文件只是基于xml的文檔數(shù)據(jù)，顯然vsb文件加載速度比f(wàn)lt文件加載速度要快。

在建模的過(guò)程中，需要注意以下的問(wèn)題：

1）模型的面數(shù)不能太多，否則影響渲染速度，或者渲染不出來(lái)。

為了控制和解決面數(shù)問(wèn)題，使用低多邊形方法建模，避免使用曲面、放樣等建模方法。結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)盡量用紋理表示，燈光渲染到紋理中。

2）模型的燈光要合理，不能太多，太多會(huì)影響渲染速度，也不能太少，太少會(huì)顯得很暗。

3）為了解決3ds Max文件轉(zhuǎn)化為Creator文件后，所產(chǎn)生的鋸齒邊的問(wèn)題,勾選LynX中的反走樣選項(xiàng)，把顯卡設(shè)置成圖像質(zhì)量?jī)?yōu)先于速度。

3.2 構(gòu)建仿真系統(tǒng)

系統(tǒng)具有8大模塊，分別是監(jiān)控模塊、管理模塊、游戲模塊、視頻模塊、感應(yīng)模塊、通信模塊、數(shù)控模塊、日志模塊，其中監(jiān)控模塊、管理模塊、游戲模塊、視頻模塊、感應(yīng)模塊是獨(dú)立可執(zhí)行文件，其它模塊以構(gòu)件的形式存在。

監(jiān)控模塊包括模塊監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信、應(yīng)急處理、日志查看等功能；管理模塊包括場(chǎng)景管理、場(chǎng)景交互、應(yīng)急處理、日志管理等功能；游戲模塊包括場(chǎng)景渲染、聲音播放、場(chǎng)景交互、同步通信等功能；視頻模塊包括視頻與聲音播放、同步通信等功能；感應(yīng)模塊包括位置感應(yīng)、輸出感應(yīng)位置信息等功能；通信模塊主要基于COM/DCOM技術(shù)以及TCP/IP協(xié)議，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的本地通信與及對(duì)外通信；日志模塊負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)日志，便于維護(hù)與管理；數(shù)控模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制，存取數(shù)據(jù)信息。

3.2.1 本地通信

程序與模塊調(diào)用的關(guān)系如表2所示。表中主要展示了在系統(tǒng)啟動(dòng)、視頻播放、場(chǎng)景播放、退出場(chǎng)景時(shí)8大模塊的進(jìn)程啟動(dòng)的情況。其中，●表示必須啟動(dòng)，○表示需要時(shí)啟動(dòng)，×表示不需要啟動(dòng)。

表2 程序與模塊調(diào)用的關(guān)系

3.2.2 遠(yuǎn)程通信

服務(wù)器與客戶端之間，通過(guò)服務(wù)器的監(jiān)控模塊與客戶端的監(jiān)控模塊相互之間建立 TCP/IP協(xié)議，搭建基于CS模式的機(jī)群，監(jiān)控模塊再把遠(yuǎn)程消息在本地傳輸?shù)较鄳?yīng)的應(yīng)用層模塊，應(yīng)用層的模塊響應(yīng)并處理消息，完成通信。機(jī)群之間的通信模型如圖4所示。

圖4 機(jī)群之間的通信模型

3.3 場(chǎng)景編輯

使用LynX Prime編輯器編輯adf文件（即應(yīng)用配置文件），圖5展示了adf文件的實(shí)例圖。

圖5 LynX Prime編輯器應(yīng)用配置文件示例圖

首先需要編輯視野范圍，也就是Channel類(lèi)的Offsets屬性。Offset屬性有6個(gè)屬性值：X、Y、Z、Heading、Pitch、Roll。如圖 7所示的 Vega右手坐標(biāo)系，x軸正方向指向面對(duì)著的方向，y軸正方向指向左手邊的方向，z軸正方向指向上面的方向。X、Y、Z就是右手坐標(biāo)系的坐標(biāo)值；Heading屬性表示航向角，正值為向左轉(zhuǎn)，負(fù)值為向右轉(zhuǎn)；Pitch屬性表示俯仰角，正值為向上轉(zhuǎn)，負(fù)值為向下轉(zhuǎn)；Roll屬性表示橫滾角，正值為逆時(shí)針轉(zhuǎn)，負(fù)值為順時(shí)針轉(zhuǎn)。

在環(huán)幕設(shè)置中，選擇 Projection（投影）屬性為Symmetric（對(duì)稱投影），設(shè)置FOV（Field Of View）屬性的 Horizontal（水平）值和 vertical（垂直）值，然后分別為每一個(gè)通道設(shè)置不同的Offsets屬性的航向角Heading的值。一般而言，只需要設(shè)置水平視野范圍。也就是只設(shè)置Horizontal值和Heading值。

在地面設(shè)置中，選擇 Projection（投影）屬性為 Orthographic（正投影），把 Offsets屬性的俯仰角Pitch的值設(shè)為-90，表示向下旋轉(zhuǎn)90度，再設(shè)置Projection屬性的Frustum屬性值。Frustum屬性采用二維坐標(biāo)系，原點(diǎn)為左下角，坐標(biāo)走向，如圖6所示。

圖6 Vega右手坐標(biāo)系

4 單機(jī)演示

在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，為了更好地調(diào)試仿真系統(tǒng)，直觀地查看模型以及檢測(cè)系統(tǒng)的整體展示效果，需要在一臺(tái)PC機(jī)上觀看多個(gè)通道的效果。因而，需要把已經(jīng)配置好的只顯示單通道的 adf文件修改成能顯示多個(gè)通道的adf文件。

如圖7所示，首先創(chuàng)建9個(gè)Channel類(lèi)的實(shí)例，然后分別重命名，接著把它們?nèi)客线M(jìn)Window類(lèi)的實(shí)例 myWindow里邊，同時(shí)在Observer類(lèi)的實(shí)例myObserver里的Channels中添加進(jìn)來(lái)。最后修改每一個(gè)通道的視野范圍即可。

圖7 單機(jī)演示9通道的adf文件配置

為了顯示多個(gè)通道，需要對(duì)各個(gè)通道的Channel類(lèi)的 Draw Area屬性進(jìn)行設(shè)置。Draw Area屬性是以左下角為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)系，有效顯示范圍為[0,1]。

表3 各個(gè)通道的Channel類(lèi)的Draw Area屬性的設(shè)置

按照表3設(shè)置各個(gè)通道的Draw Area屬性，得到的9個(gè)通道就是圖8所示的通道。

圖8 單機(jī)顯示多個(gè)通道邏輯示意圖

圖9 展示的是單機(jī)模擬8通道環(huán)幕的效果。

圖9 單機(jī)模擬8通道環(huán)幕效果圖

5 新舊系統(tǒng)對(duì)比

新舊系統(tǒng)的功能和性能的對(duì)比項(xiàng)如表 4所示，通過(guò)對(duì)比，可以較明顯地看出新系統(tǒng)的優(yōu)越性。

6 結(jié)論和展望

本系統(tǒng)的原型是 2010年上海世博會(huì)廣州案例館360度內(nèi)環(huán)幕虛擬體驗(yàn)區(qū)的軟件系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)原型進(jìn)行改良和優(yōu)化，使系統(tǒng)的功能得到進(jìn)一步完善，性能得到進(jìn)一步提高，系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

本文對(duì)于虛擬仿真領(lǐng)域系統(tǒng)的構(gòu)建以及多通道技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

本文的下一步設(shè)想是把 Vega Prime的技術(shù)元素，使用開(kāi)源的OSG（OpenSceneGraph）技術(shù)代替，從而實(shí)現(xiàn)更好的科研價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

表4 新舊系統(tǒng)對(duì)比

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