基于Virtools的虛擬仿真系統的優化

摘要：由于虛擬仿真系統是實時的三維交互平臺，因此流暢地運行對系統是至關重要的。通過對虛擬仿真優化技術的分析研究，結合虛擬仿真系統的實現，采用LOD技術、設置遮擋屬性、巧妙使用攝像機等多種技術，提出了全方位、多角度優化虛擬仿真系統的解決方案。

關鍵詞：優化；多細節層次；遮擋屬性

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）20-0184-02

目前虛擬仿真技術的應用越來越廣泛，比如虛擬仿真技術在煤礦安全培訓中的應用、虛擬仿真技術在醫學教育領域的應用等。在這些應用中，高品質畫面效果與系統流暢地運行總是兩個相悖的需求。要做到畫面精細美觀，就很難做到數據量很小，數據量龐大又會導致系統運行不流暢。這時候就需要考慮優化的問題，只有對系統進行優化才能很好地調和這兩個矛盾。在實際開發中，不但要在虛擬仿真環節使用優化技術還要對模型進行優化處理。由于篇幅所限，在此主要闡述虛擬仿真環節的優化。

一、LOD技術應用

1.LOD技術綜述。虛擬現實技術作為一種新型的人機交互技術具有沉浸、交互、構想三個基本特性，其中沉浸性是指使用戶投入到計算機生成的虛擬環境中的能力，是虛擬現實系統的核心。為了使用戶在使用虛擬現實系統時擁有沉浸感，必須實現圖形的實時繪制。實時繪制就是要求圖形顯示速度必須跟上視點移動速度，消除遲滯現象。當場景很簡單，例如僅有幾百個多邊形，要實現實時繪制并不困難，但是，為了得到逼真的顯示效果，場景中往往有上萬個多邊形，有時多達幾百萬個多邊形，這就對圖形實時繪制提出了很高的要求[1]。虛擬現實和交互式可視化等交互式圖形應用系統要求圖形生成速度達到實時，而計算機所提供的計算能力往往不能滿足復雜三維場景的實時繪制要求，因而研究人員提出多種圖形生成加速方法，LOD模型則是其中一種主要方法。1976年，Clark提出了細節層次（Levels of Detail，簡稱LOD）模型的概念，認為當物體覆蓋屏幕較小區域時，可以使用該物體描述較粗的模型，并給出了一個用于可見面判定算法的幾何層次模型，以便對復雜場景進行快速繪制。LOD技術在不影響畫面視覺效果的條件下，通過逐次簡化景物的表面細節來減少場景的幾何復雜性，從而提高繪制算法的效率。由于LOD的諸多優點和它很好地解決了虛擬仿真技術中流暢運行和界面精美的矛盾，成為虛擬仿真領域的研究熱門，并且取得了不少的成果。而Virtools中LOD屬性添加就是應用之一。

2.LOD優化系統的實現。首先在3D MAX中，將所建模型轉化為可編輯面片。Virtools中，在Level Manager下的三維物體上右鍵，選擇右鍵菜單命令Add Attributes（添加屬性），彈出Add Attribute Type的設置窗口，選擇該窗口中的LOD Object，然后單擊Add Selected按鈕即可添加LOD屬性。第二步則是設置LOD屬性面板的參數。給物體添加LOD屬性需要設置其參數，參數面板如圖1所示主要包括所選用的算法和LOD模型的選擇標準。通過LOD參數可以設置物體根據所占畫面比例進行面數增減，通俗地說就是越近越精細，越遠越粗糙。在Level Manager（層管理器）下的三維物體上雙擊打開3D Object Setup面板，雙擊Value參數的值，彈出如圖1所示的參數設置窗口。設置當對象在屏幕中的顯示占總面積的80%以上時完整顯示，隨著所占面積的縮小，剔除的面數逐漸增加，直到對象在屏幕中顯示面積為1%時，將剔除面數的98%，僅保留2%，這將極大優化系統。

二、其他優化技術

1.減少渲染數量。虛擬漫游系統的實時渲染，被遮擋的物體也會被渲染，如果將被遮擋物隱藏，當視角發生改變后，物體又不能正常顯示；在Virtools中解決這一問題的方案是給遮擋物增加遮擋屬性，那么被遮擋的物體就不會被渲染，當視角發生改變后，被遮擋的物體也能正常顯示出來。具體操作和增加LOD屬性相似，在添加屬性窗口選擇Optimizations（優化）/Ocdluder（遮擋），然后單擊Add Selected按鈕即可添加遮擋屬性。

2.減少渲染范圍。影響渲染進程的除了場景中對象的復雜程度和數量等因素，視域范圍和深度也會對渲染有所影響。如果漫游的每一幀都顯示和處理所有場景數據是效率很低而且不必要的。將場景進行分塊處理，在漫游中，只渲染攝像機能觀察到的場景分塊，對沒有進入視角的場景分塊不做調用和處理，這樣可以極大地加快系統的渲染效率。其中的優化包括了兩個方面：一方面是在建模階段對場景進行分塊處理，另一方面是在交互設計階段對不同的場景進行調用及攝像機的視野范圍進行設置即視錐體裁剪技術的運用，通過縮小渲染深度，達到減少渲染對象的數量，從而實現系統的優化。視錐體裁剪技術來優化系統的原理如圖2所示，攝像機的視野范圍可以看作是一個四棱錐，為了方便理解作者把立體空間平面化為實線所包圍的區域，渲染的范圍就是實線三角形，將攝像機的Far clip（遠裁切）參數減小，將下邊線推進到虛線的位置，渲染的范圍就縮小了，從而實現了系統的優化。如果能配合霧效，將遠景模糊處理，效果更自然。

虛擬仿真系統的優化途徑有很多，具體的系統開發中一般不會都用。根據系統開發的規模常用的有LOD技術，再結合遮擋屬性設置，如果還要進一步優化則通過減少渲染范圍配合霧效的障眼法來處理了。

參考文獻：

[1]張劍利.基于Web的交互式產品虛擬展示平臺關鍵技術研究[D].江蘇科技大學，2009.

[2]劉林濤.建筑場景虛擬漫游關鍵技術的研究和實現[D].蘇州大學，2008.

[3]劉世堂.曹火松，等.礦區虛擬可視化仿真技術及應用[J].煤炭科技，2010，（2）.

作者簡介：曾敏（1975-），女，四川成都人，碩士，研究方向：計算機應用。