虛擬場(chǎng)景漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討
虛擬場(chǎng)景漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討
吳迪
摘要：隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜場(chǎng)景的虛擬漫游已成為可能，利用這一技術(shù)我們可以足不出戶游覽風(fēng)景勝地，可以漫游虛擬博物館欣賞文物，可以游覽虛擬校園欣賞校園景致等等。本文結(jié)合工程實(shí)例，闡述了虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出具體實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；動(dòng)畫漫游；三維建模
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality簡(jiǎn)稱VR)是一項(xiàng)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、人上智能等學(xué)科的綜合技術(shù)，它的日的是用計(jì)算機(jī)來(lái)生成一個(gè)逼真的二維感覺世界.給觀眾以如同真實(shí)世界的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從出現(xiàn)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展已經(jīng)逐步走進(jìn)了人們的日常生活，無(wú)論是在游戲、廣告宣傳還是在建筑設(shè)計(jì)、軍事仿真等領(lǐng)域都顯小出強(qiáng)大魅力。在虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展過(guò)程中人們總結(jié)出一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具有以下三個(gè)特征：沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象力(Imagination)。它們分別表示虛擬環(huán)境模擬的真實(shí)程度，與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互的自然程度和用戶在虛擬環(huán)境中的認(rèn)知能力。因此增強(qiáng)沉浸感，提高交互的方便性以及豐富人們的想象力是進(jìn)行復(fù)雜虛擬場(chǎng)景漫游所應(yīng)遵循的原則。本文將結(jié)合某小區(qū)虛擬漫游系統(tǒng)的構(gòu)建，探討虛擬場(chǎng)景的建立及進(jìn)行漫游的若干技術(shù)問(wèn)題。
一、系統(tǒng)建模與優(yōu)化
1模型的構(gòu)建
虛擬漫游系統(tǒng)是一個(gè)以逼真的視覺、聽覺、觸覺為一體的特定范圍的虛擬環(huán)境，它是一個(gè)真實(shí)的或假象的仿真虛擬空間，用戶借助一定的裝備在虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬漫游，從任意角度對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行觀察，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺，同時(shí)也能對(duì)物體進(jìn)行操作和規(guī)劃，滿足用戶的所需要求。它的工作主要由兩部分組成：漫游引擎的實(shí)現(xiàn)和三維場(chǎng)景的建模。三維場(chǎng)景建模就是構(gòu)建虛擬校園環(huán)境，是漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一。三維模型是整個(gè)漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ),模型的好壞直接影響運(yùn)行的效果和場(chǎng)景的逼真度。本系統(tǒng)采用3DSMAX進(jìn)行建模,用它建立的模型有很強(qiáng)的仿真立體效果。
1）以三亞市海塘灣南區(qū)為虛擬對(duì)象,該小區(qū)建筑物以住宅樓為主。在這些樓群中,有主有次。收集數(shù)據(jù)時(shí),首先要取得小區(qū)的總圖,對(duì)小區(qū)里建筑物的分布有初步的了解,并確定漫游系統(tǒng)所涉及的范圍和需要建模的建筑物。
2）創(chuàng)建幾何模型
根據(jù)對(duì)層次結(jié)構(gòu)的分析,遵循由下到上的原則,逐層逐塊地利用建模軟件 3DS MAX提供的點(diǎn)、線、面、體的創(chuàng)建和修改工具,進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。對(duì)于需要精細(xì)建模的建筑物要用盡量使用精確的幾何形體創(chuàng)建模型細(xì)節(jié),對(duì)于要粗略建模的建筑物要盡量使用面數(shù)較少的幾何體構(gòu)建。
3)紋理映射
為了提高三維模型的逼真度,減少模型的多邊形數(shù)量,采用紋理貼制的方法來(lái)代替用多邊形表示模型的細(xì)節(jié),從而大大降低了模型的多邊形數(shù)量。對(duì)于精確建模的模型,可以用紋理貼圖來(lái)表示極難構(gòu)建而且又不是特別重要的模型,例如建筑屋頂上的橘紅色瓦片,把所有的瓦片都構(gòu)建出來(lái)是不可能的,這時(shí)就可以使用貼圖來(lái)代替如圖1。對(duì)于粗略的模型,要盡可能的使用紋理貼圖來(lái)代替幾何體來(lái)創(chuàng)建模型,例如周邊的住宅樓,就可以忽略樓體形體的細(xì)節(jié),使用一張貼圖代替,建筑物模型效果如圖2。
4) 3D精靈技術(shù)與廣告牌技術(shù)
模擬樹木作為場(chǎng)景中數(shù)目最多的外部景觀,樹木的逼真程度直接影響到整個(gè)場(chǎng)景的真實(shí)感。因此,單株樹木的表示方法也是場(chǎng)景建模中的重要研究?jī)?nèi)容。一般來(lái)說(shuō),按照真實(shí)樹木的形體進(jìn)行詳細(xì)建模是很難實(shí)現(xiàn)的。由于樹的不規(guī)則形狀,很難像建筑物建模那樣用長(zhǎng)方體、圓柱等基本幾何體來(lái)表示一棵樹。因此想通過(guò)精細(xì)建模的方法來(lái)表示大量的樹木是行不通的。利用紋理映射來(lái)實(shí)現(xiàn)樹木的簡(jiǎn)單表示,但也要采取必要的手段來(lái)保證場(chǎng)景中樹木的立體感與真實(shí)性,文中使用 Billboard技術(shù)多邊形面來(lái)模擬樹的方法。Billboard技術(shù)使得當(dāng)視點(diǎn)改變時(shí),此多邊形會(huì)繞指定的軸旋轉(zhuǎn)從而保證實(shí)體始終面向著視點(diǎn)。只要時(shí)刻保持二維紋理樹木圖像的法線矢量指向觀察者,就可以造成一種能夠使觀察者滿意的三維樹木的假象。如圖3所示。
2 LOD的使用及碰撞檢測(cè)
由于LOD技術(shù)在降低場(chǎng)景復(fù)雜度的同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的開銷,所以在小區(qū)漫游系統(tǒng)中只將LOD技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)建的比較精細(xì)的模型上。
為將要應(yīng)用LOD技術(shù)的物體添加LOD屬性:Virtools中的物體可以添加很多屬性,例如,地板屬性、碰撞檢測(cè)屬性等。把要應(yīng)用LOD技術(shù)的物體添加LOD屬性,在添加時(shí)可以將屬性添加到模型中體積較大、面數(shù)較多的物體上去,其他體積較小并且不太重要的物體可以不添加 LOD屬性,這樣可以提高 LOD的效率。
Virtools軟件的最大優(yōu)點(diǎn)就是它提供了許多封裝好的功能模塊和參數(shù)操作, Collision Detection和Prevent Collision都有三個(gè)屬性Geometry Precisi on。這個(gè)屬性供用戶選擇碰撞檢測(cè)的精度,它有三個(gè)選項(xiàng): Automatic, BoudingBox和Faces。選項(xiàng)Automatic,在碰撞檢測(cè)中各物體采用自身的精度；選項(xiàng)BoudingBox；宣布為障礙物的三維對(duì)象統(tǒng)一采用六面體的包圍盒,由于在虛擬漫游中對(duì)物體之間的碰撞檢測(cè)精度要求并不是太高,采用這種精度,既能達(dá)到預(yù)期效果,而且不影響速度,比較適合虛擬漫游系統(tǒng)中的碰撞檢測(cè)；選項(xiàng)Faces,則是在面與面之間進(jìn)行的碰撞檢測(cè),這種精度過(guò)于精細(xì),影響漫游速度,故采用的較少。
二、漫游功能的設(shè)計(jì)
在虛擬場(chǎng)景漫游中,需要提供多種漫游控制功能,方便用戶和虛擬場(chǎng)景之間的交互。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了幾種漫游功能,如圖4所示。
1)Unit:該小區(qū)有多種戶型平面,本功能可讓客戶對(duì)小區(qū)中不同戶型單元平面圖進(jìn)行瀏覽,并可以放大瀏覽,設(shè)置動(dòng)態(tài)放大到一定的倍數(shù),比如利用線性插值模塊可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)放大到兩倍就停止放大。
2)Single:單體住宅樓透視效果；可改變場(chǎng)景,轉(zhuǎn)入到單體住宅樓環(huán)境中。這樣可以提高運(yùn)行速度,詳細(xì)觀看單體建筑的外觀。
3)Indoor:住宅樣板房間室內(nèi)漫游；建立虛擬場(chǎng)景時(shí),不可能對(duì)每棟樓的室內(nèi)建立模型,其原因是工作量太大,電腦的資源有限。因此,建立幾種戶型的樣板房,讓客戶感受不同戶型房間內(nèi)的空間、采光及家具的布置情況等,以幫助客戶確定購(gòu)房方案。
4)Outdoor:小區(qū)外景漫游；室外漫游提供了在虛、左右旋轉(zhuǎn)、仰視、俯視、自動(dòng)漫游、自由漫游等方式。在漫游中使用小地圖功能,小地圖的功能不僅能顯示整個(gè)場(chǎng)景的外觀,還能放映角色在地圖中的大致位置 ,這就需要制作一個(gè)小區(qū)總平面圖,本設(shè)計(jì)中,此圖是由 CAD總平面圖經(jīng)過(guò)光柵后,用Photoshop填充制作而成的,整體效果精確、美觀,紅色矩形小方塊代表虛擬角色,它會(huì)隨著虛擬角色在場(chǎng)景中移動(dòng),實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地改變?cè)诳倛D中的位置。自動(dòng)漫游是讓用戶在設(shè)計(jì)好的路線上觀察建筑物。對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)、設(shè)計(jì)精彩的位置或是寓意深刻的小區(qū)景觀做適當(dāng)停留,加入聲音向客戶說(shuō)明,以吸引客戶注意力。這個(gè)功能只需讓相機(jī)沿著預(yù)設(shè)路徑移動(dòng),不需要人工干涉,從而全面瀏覽場(chǎng)景。
自由漫游可以使用戶隨心所欲地在場(chǎng)景中任何一個(gè)地方走動(dòng),同時(shí)考慮碰撞檢測(cè),避免角色穿墻而入,或是站到一個(gè)不可能的位置。對(duì)自由漫游的過(guò)程,設(shè)計(jì)漫游過(guò)程的錄制功能,對(duì)錄制好的路線,可以回放,這樣能為下次瀏覽節(jié)省時(shí)間。
5)Weather:在系統(tǒng)中適當(dāng)增添在不同天氣情況下小區(qū)的整體景色,如夜景、 雨雪天氣等景觀效果,可以提高漫游系統(tǒng)的趣味性,同時(shí)又能增加虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感。
三、功能的實(shí)現(xiàn)
用virtools軟件的BBs編程來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能,下面給出了部分功能的實(shí)現(xiàn)方法。
1主功能界面
使用了幾個(gè)二維幀作為按鈕,分別對(duì)每個(gè)按鈕添加crate systemfong和pushbutt on行為模塊 ,并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)如返回按鈕的script如圖6。
2平面圖的動(dòng)態(tài)放大
可對(duì)戶型平面圖動(dòng)態(tài)放大,實(shí)現(xiàn)方法是將linearprogre-sion拖拽到映射戶型平面的二維幀上，再加入interpolator和setworld matrix行為模塊,如下圖,并設(shè)置interpolator的參數(shù)。
3小地圖功能的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)中,小鍵盤的上、下、左、右控制角色前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向,并是相機(jī)隨角色移動(dòng),實(shí)時(shí)控制場(chǎng)景的變化。小地圖上的二維幀,紅色矩形的位置點(diǎn)取決與角色所在的坐標(biāo)點(diǎn),然后使其在小地圖的相對(duì)位置上移動(dòng)。
四、結(jié)束語(yǔ)
虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)難度很大的綜合技術(shù)，要達(dá)到逼真的感覺和實(shí)時(shí)的自然交互是非常不容易的。這一方面依賴于硬件性能的提高和像頭盔等外設(shè)的使用，更重要的是依賴于虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建、顯示和交互等技術(shù)的不斷改進(jìn)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自：http://www.jinnzone.com/jisuanjiwangluolw/14508.html
