基于Multigen Creator/Vega Prime的圖書館漫游系統初探

孫建偉 劉漠 岳陽 張小雷 葉楊

摘要：虛擬現實技術應用日益廣泛，它是一種門集思維科學和計算機技術的跨學科技術。系統研究了基于虛擬現實技術的圖書館漫游系統的關鍵技術。以天津天獅學院圖書館為例，利用Multigen Creator進行實景建模，完成虛擬場景的構造過程，采用VC++6.0開發平臺結合Vega Prime1.2開發漫游系統進行系統的仿真驅動，結合多種圖像處理技術、紋理映射技術和碰撞檢測技術實現了圖書館場景的虛擬漫游，為后續學院漫游系統的開發奠定基礎。

Abstract： The? applications of virtual reality technology is increasingly widespread， and it is an interdisciplinary technology which is combined with computer technology and scientific thinking.This system introduces the library Roaming System based on virtual reality technology，which using the library of Tianjin Tianshi College as an example.The system applies Multigen Creator to responsible for modeling of virtual scene;and develops roaming system by? combining VC ++6.0 platform and Vega Prime1.2 to simulation and driven it;Finally realizing virtual library roaming scene by using of a variety of image processing techniques， texture mapping and collision detection technology，it can provide the foundation for the following development of the college roaming system.

關鍵詞：虛擬現實;MultigenCreator;Vega Prime;圖書館;漫游系統

Key words： virtual reality;Multigen Creator;Vega Prime;library;roaming system

中圖分類號：TP311.5;G250? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0266-03

0? 引言

虛擬漫游系統是基于現實生活的真實存在或者仿真某種對象（構想）的虛擬空間。它是集成了聽覺、視覺及觸覺為一體的具有一定范圍的虛擬環境，體驗者可根據任意選定的路線進行虛擬環境的漫游，另外，針對于環境中的虛擬對象可進行任意角度的三維觀察，并且可以進行一定程度的動作規劃和操作，讓用戶可以有身臨其境的感覺，并且滿足的其特定的功能要求。我國一些城市和高校已經采用虛擬現實技術建立了虛擬漫游系統，國內主要應用3D建模，本系統采用Multigen Creator進行建模，其界面操作簡單且易于學習。由于虛擬漫游系統的開發過程涉及到多種素材、模型和技術，尤其是建模時間要求較長，所以，本系統以天津天獅學院圖書館為例進行漫游系統的部分開發嘗試，探索開發模式、框架和技術路線，為后續學院的漫游系統開發奠定了基礎。

1? 主要的研究內容

任何一個虛擬漫游的系統主要涉及漫游引擎和場景對象的建模兩個部分。系統構建的過程綜合運用多種技術，主要包括素材的采集和處理，模型的構建和定位，程序驅動實現系統漫游。

1.1 原始素材的處理

各種數據和圖片是系統開發的基礎，圖片包括CAD圖紙、各個建筑物的數據和不同的紋理照片。因為通過Multigen Creator設計和開發的模型僅接收RGBA或者RGB格式的圖片類型，為了避免模型紋理在漫游時發生變形，圖片的大小均設置為2的整數次冪。將這些素材應用Photoshop按照相應的格式進行處理，用于生成地形框架和建筑物不同部位的紋理。

1.2 系統建模

本系統采用Multigen Creator進行建模，包括地形模型、建筑模型、環境模型、裝飾物模型，并依據系統漫游要求引入LOD技術優化模型，采用紋理映射技術完成紋理貼圖并導出.Flt模型文件。

1.3 系統漫游和碰撞檢測

結合導入的模型文件進行系統功能和界面的開發。采用漫游引擎技術和碰撞檢測技術等研究手動漫游、自動漫游、導航查詢、建筑信息查詢等相應功能。

系統的主要開發流程如圖1所示。

2? 系統建模及模型優化

MultiGen Creator是主要用于模擬仿真的建模軟件，具有精簡直觀的可視化開發環境和非常強大的交互開發能力。MC（MultiGen Creator）中景觀的描述數據庫格式為OpenFlight，可以通知圖像的生成器實時并且精確可靠的進行三維景觀的渲染。將得到的CAD圖紙進行整理，分層導出平面圖、建筑輪廓圖、道路圖、植被分布圖等，并將其導入Multigen Creator做出基本地形，之后進行模型的構建，建模過程需要考慮以下幾方面。

①分析場景中的對象，在創建立體模型時通常需要針對場景進行對象分類，根據涉及的真實場景，劃分出了公共資源區、教學區、活動區及其他（地面樹木等小物品）。

②建模時避免產生模型碎片，降低精細度。建立系統模型數據庫的時候，通過去除模型對象被遮蓋的內側、背部等部分的多邊形，可以有效的減少系統模型的大小以及繪制的時間;使用雙面渲染功能來減少多邊形;在保證模型質量的前提下，盡量將模型的Interpolation選項中的steps屬性值控制在3以下就可以滿足模型精度的要求，因為steps的值若是過高可能會增加后期模型的片面的數量;MC（Multigen Creator）可以通過將位于同一水平面相鄰的三角行進行合并來減少模型中三角形的面片數量。

③使用紋理貼圖。通過使用紋理從視覺上豐富和提高細節模型。通過前期收集的照片處理為特定的格式后，可以使用3點、4點、放射、球面和環境貼圖等方式進行貼圖。

圖書館部分模型如圖2所示。

④多細節的層級（LOD）模型優化。多細節的層級模型（LOD）技術，即根據視點的遠近采用不同的精細度模型調用。即場景用戶的觀察點離對象越近時，就調用細節程度高的模型體，而當其觀測點離對象較遠的時候，可調用較低層級的細節版本的模型。在確定系統多邊形預算不超的情況下，通過LOD可以有效提高漫游系統的的繪制效率和系統的運行效果。對于特定的漫游系統，針對主要的建筑可建立不同的細節度模型，通過不同的觀察點和距離調用不同的模型，可以提升漫游系統的測試和運行效率。

分析系統中主要建摸區域包括地形、建筑物、景觀對象等，不同的模型對象對于建摸過程中的要求和注意事項不盡相同。在建立特定建筑物的模型之前應該先作好定位，通過CAD將地形圖進行處理后導入到MC（Multigen Creator）中，做好地形建模，依據校區的地形和建筑物的位置將地形分為不同的區域，同時設置各個區域中的景物以及相關的特征值，比如在構建道路的時候可以將真實的道路名進行標注，這樣在后期漫游時可以從中獲取有效的路徑信息，方便后期導航路徑的生成;針對具體的建筑物建?？筛鶕蜗到y的要求創建不同的模型，依據不同模型的特點選擇適當的建模方法，比如，若要創建規則的二維幾何面可以采用多邊形的方法，相反的要建立比較復雜的曲面幾何物體可應用NURBS或面片法實現，另外，對于室外建筑可以采用面的紋理拼貼方法進行簡單建模，而對漫游時室內的物體應采用復雜幾何體完成;系統中花草、運動器械及樹木等景觀對象根據漫游時的逼真度的要求可以采用分級建模，但不局限于LOD，比如較近的樹木采用多邊形進行模擬，而略遠處的對象應用簡單的十字相叉面來實現，系統在漫游時根據視點實時的調用相應對象的簡單模型替換復雜的模型并刪掉視點看不見的面片以提升系統的效果。

⑤多細節層級模型的生成。LOD技術可以通過建筑物精細度的整體控制，亦可以針對相同對象的不同位置應用不同的細節模型進行控制。LOD模型等級較低的模型常用于表示物體距離視點較遠或物體較小的時候，而比較精細的模型通常用于描述物體較大或者物體距離比較近的時候。對系統中運動的對象可用相似的方法進行處理，對運動中的物體或運動較快的物體用較粗糙的模型，靜止的物體則用比較細致的模型進行繪制。系統中模型的精細度包括盒裝、面片、十字、三角及復雜三維模型等幾種樣式，根據視點和漫游的路線采用和繪制不同級別的模型。

3? 系統漫游的相關技術

3.1 360度全景

360度全景是虛擬環境的一種表現方式，用戶可以有進入場景的真實感受。360度全景（全景圖）是利用專業相機拍攝出來的基于魚眼技術的照片，觀察者從每個角度觀察，都能夠獲取直觀的立體感。全景圖模型一般有立方體、圓柱體和球體三種。虛擬的全景圖生成流程圖如圖3所示。

3.2 交互漫游

用戶在漫游系統中可以任意的變更漫游的視角、方向及速度等參數，控制系統的輸入設備常見的有鼠標和鍵盤。通過鼠標可以進行左右、旋轉及仰俯等方向和視角的控制操作，而鍵盤可控制前進、后退及速度的快慢。

①鼠標和鍵盤的捕獲。系統通過鼠標及鍵盤來捕獲用戶的相應操作。系統的鍵盤的控制動作由按鍵或者按鍵組合實現，依據用戶的按鍵控制場景的變換，鼠標在系統中提供定點功能，如查詢場景中的特定物體的信息，OpenGL中提供了鍵盤和鼠標捕獲函數，可由系統程序進行調取應用。

②系統的漫游控制。系統選取A、F、D、F、S、W、E、Q等按鍵，實現旋轉、向左、向右、向后、向前、向下、向上等功能，當體驗者的操作不同時，場景中的對象即要根據要求進行場景的重繪。常用的方法有改變場景中物體的坐標和視點變換兩種，其中，若坐標變化則會導致場景中全部對象的坐標進行變換并重新繪制，但是多次進行變換則會發生誤差的積累現象，有可能導致場景畸變。本系統采用改變用戶的視點來重新進行場景的繪制。

用戶在進行系統漫游時，站著的方向應該一直向上。通過獲取鍵盤及鼠標操作并調用功能函數實現場景重新繪制。通過相關的鍵盤操作或鼠標的位移量（預先定義變量和調整移動的速度）可以計算出參考點與視點的差值，隨后通過調用gluLookAt（）自動繪制相應的特定場景。OpenGL提供的視點變換的函數gluLookAt（）封裝了一整套選擇和平移命令，由參考點、眼睛的位置及向上矢量導出場景矩陣，將觀察點設定在原點，而目標點則映射到Z軸（負）。使用投影矩陣將向上的矢量映射到Y坐標軸，而場景中的模型映射到可視區的中心位置。

③碰撞檢測。通過判斷場景中幾種典型物體的形狀，系統采用了5種碰撞檢測。包括點和矩形、矩形與矩形、點和圓、圓和圓、圓形和三角形。碰撞檢測針對于平緩的山坡斜面和樓梯的豎面等情況是可以檢測到的，導致漫游者無法前進。但是生活中這種類型的面片不會阻止人的，因此檢測到這種面的時候，系統應做出正確的判斷和適當的處理，讓漫游能繼續前行，解決的方法是給這類實體設置一個相同的屬性和值，若檢測時與這些實體發生碰撞時，則應對其進行特殊的處理。

4? 系統驗證

將建模的相關理論和虛擬漫游等技術應用在天津天獅學院的圖書館漫游系統中，經驗證系統能夠滿足用戶對虛擬場景的游覽需要，并具有較強的交互性和較好的沉浸感。系統建模時，應用多種方法進行了模型的優化，確保了模型逼真度，保證了系統運行效率;對漫游采用了碰撞檢測，有效的解決了穿墻而過的問題。為后期學院的漫游系統的開發奠定了基礎。

參考文獻：

[1]劉曉播，張琴舜，張和林.一個基于MultigenCreator/Vega的虛擬場景漫游系統[J]. 計算機應用，2002，12：85-86.

[2]胡建平，董春華，等.虛擬現實技術在三維地學模擬研究中的應用計算機工程與設計[J].計算機工程與設計，2009（30）：13-15.

[3]孫海峰，孫秀玲.虛擬校園環境的構造及漫游系統的實現[J].長春工程學院學報，2008，9（4）：71-73.

[4]鄭亮.基于Creator和CAD的三維數字小區建模[J].四川測繪，2004，27（2）：55-73.

[5]洪光，李洪儒，牟建國.基于Creator的三維模型的簡化研究[J].計算機仿真，2004，1：57-58，115.

[6]潘修強.虛擬古村落漫游系統環境中的模型構建[J].計算機與信息技術，2007（Z1）：21-23.

[7]羅景馨.與三維場景漫游相關的部分技術研究[D].中南大學，2009.

作者簡介：孫建偉（1987-），男，內蒙古通遼人，助理館員，學士學位，研究方向為圖書館學。