礦山虛擬環境三維模型系統優化方法研究

顧海霞

摘要：該文介紹了虛擬現實三維模型系統實時性優化的重要性，探討了虛擬場景中三維模型系統實時性優化的方法，以礦山虛擬環境三維模型系統的優化為例，對優化前后系統運行性能進行了比較，說明系統優化后能夠顯著提高系統運行的實時性。

關鍵詞：虛擬礦山系統；三維模型；優化

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）28-0223-02

Abstract： Model system optimization plays an important role in developing VR system. This paper focuses on several aspects of optimizing virtual coal washery system. The running performance of the optimized system is compared with that of the original one， and the result indicates that optimizing the model system enhances the real-time performance of the runtime system.

Key words： virtual mining system；3D model；optimization

1 引言

實時性是虛擬現實系統的一個重要特性，根據不同的應用，實時性要求也不同。本文從虛擬環境中三維模型系統開發技術的角度來考慮，結合虛擬礦山三維模型系統的優化，研究虛擬環境中三維模型系統優化的幾項技術[1]。

2 模型系統優化的必要性

虛擬環境的建模比較復雜，礦山虛擬環境三維模型系統在建模時，主要關注模型模擬效果的逼真度，這樣會產生大量的冗余多邊形，并占用較多的紋理內存等，影響了系統的交互性和實時性。

另一方面，提高虛擬現實運行系統的實時性，能夠降低計算機用于繪制和場景剔除等方面的計算開銷，為在虛擬系統中開發其他應用模塊提供計算能力[2]。

因此，優化虛擬環境三維模型系統，對于解決模型的復雜性問題和提高系統的運行實時性，具有重要意義[2]。本文以虛擬礦山三維模型系統的優化為例，分析了虛擬環境三維模型系統實時性能優化的兩項關鍵技術：三維模型結構優化和紋理數據優化。

3三維模型結構的優化

計算機硬件系統配置確定后，系統在某一時刻的單幀中所能繪制的多邊形數目是有限的。在構建礦山虛擬環境時，要建立有許多結構復雜的模型，有些模型數據庫中多邊形數目太多，系統將無法計算及完成幀處理。

所以，為了提高運行系統的實時性，需要對模型進行簡化處理，減少數據庫的多邊形數目[3]。

3.1 多細節層次的使用

細節層次是減少運行系統中多邊形數目，提高系統繪制性能的有效手段[4]。虛擬礦山中有廠房和機器設備等復雜結構的模型須用細節層次來表達。多細節層次用多邊形數目不同的一組模型對同一對象進行表達，當視點和細節層次中心的距離達到預定值時，系統只顯示對應的細節層次模型，最高程度的細節層次只有當視點距對象足夠近時才顯示[2]。

因此，使用多細節層次表達復雜結構對象，能夠減少運行系統中需要繪制的多邊形數目[4]。

3.2 用紋理代替多邊形

使用紋理映射能夠在不增加多邊形數目的前提下，提高場景表達的逼真程度。用紋理映射表達模型的結構細節，比用細節層次占用系統資源少得多，所以用紋理代替多邊形有助于提高運行系統的實時性，用細節層次模型配合一些細節程度的紋理映射，代替多邊形模型，能夠使系統的繪制負載有效降低[2]。

圖1（a）是全用多邊形構建的路燈模型，共用了幾百個多邊形；圖1（b）是用多邊形和紋理構建的路燈模型，只用2個多邊形；圖2為這兩個路燈模型的單幀繪制時間曲線。發現用紋理映射代替多邊形，較好地體現了模擬真實性，它們的單幀繪制時間相近，但紋理映射大大地節省了多邊形數量，表明該技術非常適用于空間跨度小、細節特征比較密集且不需交互的對象[5]。

3.3 冗余多邊形的刪除

為了減少系統中的多邊形數量可以刪除數據庫中的冗余多邊形，例如，模型內部細節結構的多邊形，多邊形的背面和平面上的模型的底面，或是在特定的漫游方式下永不可見的多邊形[6]。

4 紋理數據的優化

虛擬礦山系統中紋理數據量很大，紋理數據的優化顯得尤其重要。多數情況下，紋理優化是綜合考慮硬件的計算能力和所期望的實時性的折中方案。

4.1 確定紋理大小

為了充分利用內存，應創建大小合適的紋理圖像，從而保證虛真效果和系統運行的實時性。映射紋理的細節、多邊形等越多，則需要的內存空間就越多。根據實際情況，須合理確定紋理大小，本文定紋理大小的規則如表1所示。

4.2 節省紋理存儲空間

（1） 內部數據格式的壓縮

通過壓縮紋理文件的內部格式分辨率，對紋理數據格式進行優化處理，可進一步節省紋理內存，減少紋理數據所占據的存儲空間。例如，對于512× 512大小的紋理，它占據的內存空間為：

512× 512 ×3 b = 787KB

壓縮該文件的紋理文件內部格式分辨率，將24位的紋理數據壓縮成16位，紋理數據占用的內存相應減少了33%。

本文將虛擬礦山中大多數紋理文件的內部格式設置為TX_RGB_5；為增強顯示效果，如通告欄上紋理等，將紋理數據內部格式設定為TX_RGB_12。

（2） 子紋理技術的應用

子紋理技術是將紋理圖像的局部映射到多邊形表面上[4]，使用子紋理技術可以減少所存儲的紋理數量，節省內存。虛擬礦山中部分差別較小的紋理細節用子紋理技術實現，如虛擬礦山中廠房表面紋理等。

5 實例

圖3為虛擬礦山中的一些虛擬場景。礦山虛擬環境三維模型系統在建模時并對模型和紋理進行優化，優化后運行系統剔除階段的穩定性得到明顯提高，同時繪制性能也有明顯改善，如圖4所示。

6 結論

本文主要討論了礦山虛擬環境模型系統實時性能優化的幾項技術，并在模型結構和紋理數據這兩個方面，對虛擬礦山三維模型系統進行了優化。優化后系統運行的實時性得到顯著提高，說明了三維模型系統優化對實時性具有重要作用。

參考文獻：

[1] 王衛辰.虛擬選煤廠三維可視化系統及其優化[D].中國礦業大學，2005.

[2] 王衛辰.虛擬選煤廠三維模型系統的實時性優化[J].計算機仿真，2007.

[3] 彭群生，鮑虎軍，金小剛.計算機真實感圖形的算法基礎[M].科學出版社，1999：221-245.

[4] 王衛辰.虛擬校園三維仿真系統的開發及優化[J]. 徐州師范大學學報：自然科學版，2007.

[5] 王蕾蕾.基于MultiGen/Vega飛行事故分析三維再現系統的研究[D]. 南京航空航天大學，2008.

[6] 明慧.基于Virtools虛擬校園漫游系統設計及實現[J]. 軟件導刊，2011（7）.