淺談輕量化模型在三維虛擬現(xiàn)實中的重要性

張長奎 張雪蕊

摘要：文章圍繞模型輕量化在虛擬現(xiàn)實中應用及輕量化技術(shù)展開論述，通過分析在設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為可虛擬現(xiàn)實利用的模型中存在的問題，結(jié)合模型輕量化技術(shù)原理，闡述當前輕量化技術(shù)的處理方式，應用當前現(xiàn)有各種輕量化技術(shù)進行模型輕量化，實現(xiàn)模型在三維虛擬現(xiàn)實應用中符合要求，滿足項目需要。

關(guān)鍵詞：輕量化 ?虛擬現(xiàn)實 ?三維數(shù)字化

Abstract： This paper focuses on the application of model lightweight in virtual reality and lightweight technology. By analyzing the problems existing in the transformation of design model into model that can be used in virtual reality， combined with the principle of model lightweight technology， this paper expounds the treatment methods of current lightweight technology， and applies various existing lightweight technologies to model lightweight， The implementation model meets the requirements in the application of 3D virtual reality and meets the needs of the project.

Key words： lightweight ? ?virtual reality ? ?3D digitization

引言

黨的十八大提出工業(yè)化與信息化兩化融合的發(fā)展戰(zhàn)略以來，全國上下都在圍繞把我國從制造大國提升為制造強國而努力。為相應國家號召，各行業(yè)都在推行“數(shù)字產(chǎn)品”建設(shè)，推進三維數(shù)字化技術(shù)在項目中的應用，依托現(xiàn)有優(yōu)勢，充分發(fā)揮三維設(shè)計數(shù)字化模型的附加值，利用虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)，以三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)，開展三維設(shè)備虛擬展示系統(tǒng)開發(fā)。通過虛擬現(xiàn)實模擬，輔助進行各類工程模擬和預演，為項目的建造、運行、系統(tǒng)維護提供先進的三維數(shù)字化技術(shù)支持。三維虛擬現(xiàn)實應用中，模型輕量化問題是一個重要的環(huán)節(jié)。三維模型的輕量化技術(shù)得到了國內(nèi)外很多專家學者及相關(guān)軟件供應商的重視并進行了研究。本篇圍繞模型輕量化在虛擬現(xiàn)實中應用及輕量化技術(shù)展開論述。

一、設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為可虛擬現(xiàn)實利用的模型存在的問題

在工程設(shè)計中，來自于工廠三維設(shè)計平臺、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺和設(shè)備三維設(shè)計平臺等不同平臺的三維模型，數(shù)據(jù)格式各不相同，而且專業(yè)平臺上的模型精度非常高，幾何信息量大，各平臺模型在單獨瀏覽時已經(jīng)耗費大量硬件資源。各平臺模型直接結(jié)合，則數(shù)據(jù)量巨大，目前硬件水平尚無法支持。必須通過合理的輕量化手段，簡化模型，使模型面減少到硬件可以支持，不卡頓的狀態(tài)進行虛擬現(xiàn)實應用。其關(guān)鍵技術(shù)是突破當前各三維設(shè)計平臺產(chǎn)生的設(shè)計模型體量大、空間幾何信息冗余、無法實現(xiàn)三維模型輕量化問題，并實現(xiàn)基于快速應用需求的三維模型批量輕量化技術(shù)。

二、輕量化技術(shù)的實現(xiàn)方式

2.1模型輕量化技術(shù)原理

在信息模型中，利用模型面片化、信息云端化、邏輯簡化等技術(shù)手段和算法，實現(xiàn)模型在幾何實體、承載信息、構(gòu)建邏輯等方面的精簡、轉(zhuǎn)換、縮減的過程。

在三維虛擬現(xiàn)實應用的模型中，為了實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸，降低計算機、移動設(shè)備的資源消耗，在滿足信息無損、模型精度顯示效果、使用功能達標等要求的前提下，對模型數(shù)據(jù)進行幾何實體、承載信息、構(gòu)建邏輯等方面精簡，以達到更好運用模型的目的。

對模型輕量化而言，部分點、線和面等元素信息是模型的對外接口，為了有效地實現(xiàn)裝配利用，必須精確地保留這些信息。因此，有選擇地對模型的某些局部特征進行處理是輕量化技術(shù)研究的重點之一，即進行“有特定意義、特定需求形式”的簡化，這是與傳統(tǒng)模型簡化最大的差別。為了實現(xiàn)這一目的，不以三角網(wǎng)格等幾何元素作為處理對象，而是直接對基本體和設(shè)計特征進行篩選和處理，力求最大限度地保留原始模型的外形。

2.2模型輕量化技術(shù)處理方法

輕量化分為3形式進行：

1）小模型的處理

小模型主要是指大場景模型中不影響模型主外形的小模型，如處于大模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及外部的一些輔助結(jié)構(gòu)等，如螺絲，小的掛件等，這類小模型表面數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復雜，對模型的數(shù)據(jù)量有較大的影響。因此，需要在輕量化的過程中將這部分模型去除，以減少輕量化模型的數(shù)據(jù)量。

在小模型刪除算法中，需要通過程序的計算來確定小模型是否需要去除。在執(zhí)行完小模型的刪除后，原大場景模型中結(jié)構(gòu)復雜且不影響原模型主外形的細微小模型將被處理，因此將減少大量的復雜的模型表面，從而減少模型的數(shù)據(jù)量。

2）模型表面特征的處理

在對小模型刪除后，為進一步減少輕量化模型的數(shù)據(jù)量，需要對模型的表面特征進行處理。如抑制模型中的圓、倒角特征，縫合模型表面非裝配的孔、腔等凹陷，減小模型表面的復雜度。

對模型表面特征處理可以應用面片簡化技術(shù)，可以分為2個步驟進行，第一步進行幾何表面層次上的編碼壓縮技術(shù)，也就是進行同一個幾何面內(nèi)的三角形重新劃分網(wǎng)格。可以盡量減少模型在拓撲結(jié)構(gòu)和幾何位置信息描述方式上的冗余度，采用編碼壓縮可以在不改變模型的外形、結(jié)構(gòu)、拓撲關(guān)系的基礎(chǔ)上減少模型的三角形面片數(shù)量。第二步是多個幾何面之間的三角面片簡化。多個幾何面片之間的三角形面片簡化可以采用多細節(jié)層次模型自動生成技術(shù)，使用頂點移動，邊刪除，三角形刪除、面片合并等方法進行網(wǎng)格簡化優(yōu)化模型。

3）模型的抽殼

在對裝配模型進行一系列的簡化后，需要將其生成輕量級的模型，并對模型進行抽殼，提取模型的外殼，略去其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達到減少模型的數(shù)據(jù)量的目的。

將裝配模型轉(zhuǎn)變成輕量級的零件模型，實質(zhì)就是在裝配模型中的各個零部件之間進行布爾運算，使得裝配模型的各零部件成為一個整體模型，進而成為零件模型。進一步提取該輕量級零件模型的表面后，形成原裝配模型的外殼模型。

通過布爾運算方法，對前面若干步驟生成的模型進行整體三維布爾運算操作，然后實現(xiàn)對實體模型的抽殼，從而得到原始復雜裝配模型的輕量化外殼文件。

鑒于抽殼不改變模型的可視形狀，在減少模型數(shù)據(jù)的同時會產(chǎn)生單一殼模型，因此抽殼被設(shè)置為一個可選的過程。

三、結(jié)束語

三維虛擬現(xiàn)實應用中其中主要瓶頸是模型輕量化問題。通過輕量化處理，實現(xiàn)各種三維數(shù)據(jù)格式的輕量化過程批量處理，模型幾何信息精簡達到85%以上，且可完整保留模型的基本幾何外形和有利用價值的參數(shù)，減少計算機運算工作量，降低運行所需要的設(shè)備基本配置要求，提高三維虛擬現(xiàn)實中應用顯示效率，實現(xiàn)穩(wěn)定、流暢的畫面顯示效果。

參考文獻

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[1] 趙瑛峰，何鐵寧 交互式自適應模型簡化與轉(zhuǎn)換技術(shù)研究 計算機應用技術(shù)，2005，12：22-1432.

作者簡介：

張長奎（1983-），男，漢族，河南南陽人，本科，工程師，研究方向：核電站反應堆布置、三維技術(shù)研發(fā)、三維虛擬仿真。

張雪蕊（1991-），女，漢族，河南鄭州人，本科，助理工程師，研究方向：核電站反應堆布置、三維技術(shù)研發(fā)、三維虛擬仿真;