基于虛擬現實的虛擬仿真建模及渲染技術

梁振剛 郝雪達

摘 ?要：虛擬現實技術能夠創造出逼真的虛擬環境，為能夠更加快速地建立模型，該文結合相關工具和Unity3D平臺開發仿真建模及渲染技術。通過工具收集真實地形的數據，然后進行相關的數據處理并生成數據集合。通過使用Unity3D中地形工具進行數據讀取和快速制作三維場景模型，為提高模型的渲染逼真度使用高清渲染管線對場景模型進行光照等渲染處理。通過對該技術的研究，該技術能夠使三維場景的逼真度提高及渲染程度非常好，模型細節也能觀察，同時該技術也能被運用到毀傷評估仿真、虛擬訓練等方面。

關鍵詞：虛擬現實；虛擬仿真建模；渲染；逼真度；三維模型

中圖分類號：TM743 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0037-04

Abstract： Virtual reality technology can create a realistic virtual environment， in order to build a model more quickly， this paper combines related tools and Unity3D platform to develop simulation modeling and rendering technology. Collect the data of the real terrain through the tool， then process the related data and generate the data set. In order to improve the rendering fidelity of the model， High Definition Render Pipeline is used to render the scene model by using the terrain tool in Unity3D to read the data and make the 3D scene model quickly. Through the research of this technology， this technology can improve the fidelity of 3D scene and render very well， and the details of the model can also be observed. At the same time， this technology can also be used in damage assessment simulation， virtual training and so on.

Keywords： virtual reality; virtual simulation modeling; rendering; fidelity; 3D model

隨著科技的發展，虛擬仿真技術被廣泛的運用[1]。對于虛擬仿真而言，場景的逼真程度決定了沉浸式體驗的好壞，逼真度高的場景能夠使使用者具有更好的沉浸式體驗。王子暢[2]通過虛擬現實技術，讓船員可以體驗各種復雜的船舶操作場景，建立船舶推進系統的數學模型，基于MultiGen Creator軟件進行了船舶駕駛仿真系統的開發。王大虎等[3]基于Unity3D平臺開發三維可視化電機實驗教學系統，實現了實驗室設備的3D交互功能，有效激發學生的學習興趣，幫助學生提高認知水平。歐陽會東[4]進行了數字化車間虛擬現實可視化技術的研究，實現了一些可視化技術的突破。大部分學者研究都是某一領域的系統開發，并沒有對建模和渲染技術進行研究。因此，本文基于虛擬現實和Unity3D平臺研究虛擬仿真建模與渲染技術，通過工具獲得地形模型的數據，使用Unity3D進行數據處理并建立未進行渲染的三維環境模型，以及進行環境模型的逼真渲染技術研究。

1 ?建模技術研究

1.1 ?場景構建

一般虛擬現實場景都是通過三維場景構建工具建立后直接導入，三維場景構建工具優缺點見表1[5]。

根據表1中三維場景構建技術的優缺點，本文綜合了工具的使用和在Unity3D平臺進行腳本開發和地形建立并最后進行模型的渲染。具體流程如圖1所示。

首先將RenderDoc軟件工具與谷歌地圖進行鏈接，使其能夠獲取谷歌地圖中實時渲染程序應用接口（Application Programming Interface，API）的調用，API調用谷歌地圖中的地圖數據進行實時渲染，該工具進行數據截取，獲取相關地物信息和地勢信息，并且可以對數據進行整理。圖2為某城市谷歌地圖。然后使用RenderDoc軟件工具進行數據清洗、噪點處理和配準處理，提高截取數據的準確性和一致性。

然后將采取的數據文件導入Unity3D中，并使用腳本進行數據轉換，將數據轉換為符合地形工具建模的格式數據。然后采用Unity3D中地形工具直接制作環境模型。Unity3D中的地形工具可以創建一個大型的、可編輯的地形。通過利用地形高度圖編輯器（Raise or Lower Terrain）工具可以創建連綿不絕的山丘和山谷[6]。獲取的數據畢竟稍有瑕疵，所以對模型進行平滑處理和細節處理，并且通過相關工具進行模型貼圖編輯。通過地形材質（Paint Texture）工具將地形紋理添加到地形。圖3為通過地形工具建立的基礎模型。

2 ?三維模型渲染技術

本文采用Unity3D中高清渲染管線（High Definition Render Pipeline， HDRP）和網格細節級別（LOD）技術進行模型渲染。HDRP利用基礎物理燈光 （Physically-Based lighting）技術，線性照明（linear lighting），高動態范圍光照（HDR lighting）和一個可配置的混合的聚類延遲光照（Tile/Cluster deferred/Forward lighting）架構，并且提供創建游戲、技術演示的例子（Demos）、動畫等所需的工具，以達到較高的圖形標準。需要對模型的細節部分進行貼圖處理，將貼圖通過材質球賦予到模型表面，并通過適當調整光源和自身光反射參數，使模型更具真實感。雖然已經進行了地形紋理的添加但是通過地形工具創建出來的三維模型并沒有非常高的逼真度，還需要使用HDRP進行光照等的渲染處理[7]。HDRP是一個用于創建高質量視覺效果的渲染管線，它可以為游戲、虛擬現實和增強現實應用程序提供更真實的圖形效果[8]。采用采樣深度紋理，歸一化的設備空間（NDC）中頂點坐標z分量值域是[-1，1]，而顏色R、G、B、A分量值域都是[0，1]，因此需要進行以下映射，其中z為NDC空間中頂點坐標z值，c為映射的深度紋理的R通道值。

c=0.5×z+0.5 。 ?（1）

通過頂點映射過程，可以得出以下方程組關系，

式中：z1為觀察空間中頂點坐標z值，z2、w2分別為裁剪空間中頂點坐標z值和w值，z3為歸一化的設備空間（NDC）中頂點坐標z值，z4為紋理空間中頂點坐標z值，depth為觀察空間中頂點的深度值，Near、Far分別為近裁剪平面和遠裁剪平面離相機的距離由空間和變換中透視投影得到，齊次除法（或透視除法）（z3值域為[-1，1]），公式3是歸一化處理（z4值域為[0，1]），公式3中depth是將深度值取正（觀察空間中頂點坐標都是負值，取反后使得深度值為正）。

通過使用深度紋理、后期處理效果和光照陰影實現更高質量的視覺效果，使模型的逼真程度更高[9]。通過該方法建立的渲染效果如圖4所示。

對于Unity3D中大型的環境模型還需要進行動態渲染繪制的處理。地形渲染LOD算法是目前來說進行大規模地形實時渲染效率比較高的算法[10]。一般大型模型中都需要進行大量的碰撞檢測計算，傳統的LOD使用的都是四叉樹和循環優化目標跟蹤模型（Recurrently Optimizing Tracking Model）算法[11]。本文運用著名研究員Hoppe所提出的邊折疊遞進網格算法的三角形網格折疊LOD簡化算法來進行虛擬戰場環境的動態渲染[12-13]。通過在攝像機遠離某些場景時，對場景的網格進行重組合并，將網格進行簡單化融合，使計算機進行實時渲染時的壓力減小。具體優化過程如圖5所示。圖5中，V表示三角形頂點，A表示3個頂點根據順時針確定的三角面元面積。通過該算法將場景模型網格數量在攝像機遠離的過程中降低，為碰撞計算節省大量的計算空間。

3 ?結論

基于虛擬現實下使用Unity3D開發平臺研究虛擬仿真建模及渲染技術，通過使用地形工具實現了場景的三維可視化展示，并使用HDRP通過精細化貼圖、使用深度紋理和調整光照等方法對模型進行渲染，使模型的逼真度提高并且通過使用LOD技術進行動態渲染釋放了大量的計算空間。該技術能夠為毀傷評估仿真和虛擬訓練提高逼真度高的三維場景，同時也加強了細節的渲染，并且在展示細節時通過使用LOD技術減少了實時渲染的壓力，使場景在運行時更加流暢，增強了使用者的虛擬現實體驗感和虛擬沉浸體驗。同時逼真的渲染能夠更加真實地表現更多的細節，讓使用人員有更好的沉浸感。該技術開發可以被運用到多個場景中，也可以被廣泛運行到基礎虛擬仿真漫游，具有較強的實用性和參考價值。

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