虛擬場景中密集高精度模型優(yōu)化方法研究

項敏敏

(銅陵學院，安徽銅陵 244061)

隨著虛擬現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)出現(xiàn)在各大領(lǐng)域中用于物品展示。與傳統(tǒng)的方式如圖片展示、視頻展示相比，交互式虛擬展示提供給用戶更大的自由度和更好的體驗[1]。雖然虛擬展示具有方便、對時間和空間不受限制等優(yōu)勢，但是也隨之帶來很多問題，比如為了追求虛擬場景高質(zhì)量的真實度，使得虛擬場景的文件信息過大，導致即使在高性能的計算機上，用戶對場景的瀏覽也可能會出現(xiàn)卡頓和模型閃爍等一系列問題[2-3]，同時在網(wǎng)絡(luò)端下載大數(shù)據(jù)量的虛擬展示場景文件時間很長，用戶瀏覽時不順暢。因此在追求較高的場景真實度的前提下，研究如何提高虛擬展示場景加載速度、增強實時瀏覽時的流暢性具有重要的意義。

1 建模優(yōu)化

X3D中的造型具有幾何尺寸和外觀，它主要提供了4種原始幾何造型：Sphere、Box、cylinder和Cone，任何復雜的物體都可以由這4種原始幾何造型構(gòu)成[4]。但利用幾何節(jié)點無法構(gòu)建特殊模型，并且X3D-EDIT并不是可視化編輯軟件，建模過程過于繁瑣，所以需要使用3DS MAX高級建模軟件構(gòu)建模型之后導出為VRML格式，再通過X3D-EDIT軟件轉(zhuǎn)換為X3D格式來完成。圖1所示為模型構(gòu)建。

為了加快文件在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速度，方便瀏覽者對虛擬環(huán)境的瀏覽和交互，除了將模型的方位進行調(diào)整之外，還必須盡可能優(yōu)化模型的視覺效果，減小其文件體積。采用壓縮和優(yōu)化的方式,針對場景中模型制作和后期的渲染場景優(yōu)化大致可以分為三類。第一，文件壓縮，利用VRML的主流編輯平臺VRMLPad進行壓縮,通常可以使文件的體積壓縮為原來的1/3以下。第二，源碼優(yōu)化，也是通過VRMLPad編輯器,除了對源代碼進行優(yōu)化,還可以利用其它插件工具Comments.rar對源代碼進行優(yōu)化，這樣文件體積一般會被再次壓縮10%左右。第三，圖形優(yōu)化，主要通過使用紋理文件貼在形體上的方式，達到100∶1的壓縮率，并且壓縮后的圖形效果不失真。通過上述優(yōu)化后再通過X3D-EDIT編輯工具把vrml文件轉(zhuǎn)換為X3D文件即可。圖2所示為優(yōu)化前后源碼對比。

圖1 模型構(gòu)建

圖2 優(yōu)化前后對比

2 編程優(yōu)化

2.1 USE節(jié)點

在同一文件中，可以使用USE來引用原始節(jié)點任意次，語法：USE“*”。在場景的建構(gòu)過程中，某個模型可能被重復使用很多次，利用USE節(jié)點只需在文檔中定義一次該模型節(jié)點就可以多次使用，這樣就避免出現(xiàn)大量重復的代碼，其關(guān)鍵代碼如下所示：

2.2 LOD節(jié)點

X3D提供LOD節(jié)點，用來描述同一個造型不同細節(jié)層次的組織關(guān)系。一般近處造型的細節(jié)要多于遠處造型的細節(jié)，所以可以利用一定的范圍設(shè)定，在不同的觀察距離上，讓虛擬空間呈現(xiàn)出不同的細節(jié)，這樣不僅加快客戶端渲染場景的速度，同時也增加虛擬世界的真實感[5]。

使用上述兩種方式對模型進行優(yōu)化,在很大程度上減少了虛擬場景對系統(tǒng)內(nèi)存的占用量，釋放了系統(tǒng)資源，其基本原理如圖3所示。

圖3 代碼優(yōu)化原理

3 場景加載

通過上述兩種方法優(yōu)化之后描述模型的代碼基本接近最優(yōu)，目前虛擬場景的構(gòu)建一般都是直接把場景內(nèi)模型全部一次加載，但是當出現(xiàn)密集高精度模型的時候，使用一次加載的方式不僅加載時間長而且加載完成之后會嚴重影響場景的流暢度，所以對于場景內(nèi)的密集高精度模型需要進行特殊處理。

X3D使用文本的方式描述模型，對單個高精度模型文件的加載速度很快，在場景內(nèi)使用Inline節(jié)點來控制高精度模型的加載時間會在很大程度上提高場景的流暢度，表1所示為兩種方式的控制方式對比。

表1 控制方式對比

(1)一次加載。不通過任何控制器控制場景內(nèi)的模型加載，直接把場景內(nèi)模型一次解析到內(nèi)存里，并使用瀏覽器插件進行搭建渲染[6]。這種方式不僅需要很長時間下載模型文本信息，并且在渲染過程中受到設(shè)備限制,會嚴重拖慢整個場景的渲染。當出現(xiàn)密集高精度模型時，會大量占用系統(tǒng)內(nèi)存，造成虛擬場景卡頓，嚴重時還會造成內(nèi)存溢出及死機的現(xiàn)象。

(2)Inline節(jié)點控制加載。使用Inline節(jié)點控制場景內(nèi)模型的加載時間，在密集高精度模型存在的情況下，先不加載這些模型，而是使用一個整合了所有高精度模型的貼圖模型進行代替，在用戶需要詳細觀察某個高精度模型時再控制Inline節(jié)點進行加載。關(guān)鍵代碼如下：

rotation=‘0 1 0 -2.074’>

如上述代碼所示。命名為ns2的模型的Load屬性為false，表示當前不加載該模型，而當用戶點擊ns2模型的菜單按鈕時，javascript內(nèi)的cdns02被激活，模型的load屬性被置為true，該模型立即加載到場景內(nèi)供用戶瀏覽。圖4所示為兩種方法的性能參數(shù)對比。

圖4 性能對比

如圖4所示，當場景內(nèi)一次加入過多的高精度模型時，不僅需要大量的加載時間，而且內(nèi)存占用量也會相應(yīng)增加。并且由于系統(tǒng)內(nèi)存被占用太多，導致場景運行所需內(nèi)存不足，嚴重影響了場景的流暢性，增加了場景內(nèi)事件的響應(yīng)時間。使用控制器來控制模型加載，場景響應(yīng)速度較快，一個高精度模型從讀取模型信息到渲染結(jié)束，所需時間不超過2秒，完全可以滿足用戶的瀏覽需求。

4 結(jié)語

在使用X3D建立虛擬仿真場景時，必須要權(quán)衡虛擬現(xiàn)實場景的逼真性與載入和瀏覽速度，既不能為達到完美的虛擬仿真效果而造成瀏覽的困難，也不能為追求流暢性而過度優(yōu)化造成效果的粗糙或嚴重失真。只有這樣，才能使X3D的虛擬仿真給用戶帶來最佳瀏覽體驗。