中華傅山園三維虛擬漫游系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉 杰， 孔令德， 楊慧炯

（太原工業(yè)學(xué)院， 山西太原 030008）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一個新的研究領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)是一門集成了人與信息的科學(xué)，其核心是由計算機(jī)生成的三維交互式虛擬環(huán)境。虛擬漫游是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一個重要方向，是對虛擬三維場景的

實(shí)時漫游。虛擬漫游系統(tǒng)包括一個逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境。它是一個真實(shí)空間或假想空間的實(shí)時仿真虛擬空間，用戶借助必要的裝備以自然的方式在該虛擬空間中漫游，從任意角度對環(huán)境中的虛擬對象進(jìn)行觀察，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺，同時也可以對其中的物體進(jìn)行規(guī)劃和操作。

“中華傅山園虛擬漫游系統(tǒng)”打破了傳統(tǒng)的文字、圖片等靜態(tài)表現(xiàn)方式，將中華傅山園風(fēng)貌以三維立體模型動態(tài)呈現(xiàn)在瀏覽者面前，瀏覽者在互聯(lián)網(wǎng)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可“參觀”園內(nèi)景觀和各種設(shè)施，獲得身臨其境的感覺；用虛擬的境界來展示中華傅山園的風(fēng)貌，讓更多的人通過網(wǎng)絡(luò)來了解中華傅山園，吸引更多的游客來草坪區(qū)旅游。中華傅山園三維虛擬漫游系統(tǒng)同時為今后的規(guī)劃管理提供了直觀的表現(xiàn)形式。

中華傅山園全景漫游系統(tǒng)主要包括傅山園中的牌樓、山門、林蔭道、狀元橋、戲臺、傅山生平館、大殿、膳食院、醫(yī)藥院、書法院、佛教院、儒教院、道教院、無功墻等景觀的建模，以及大規(guī)模地形地表、粒子系統(tǒng)、碰撞檢測等方面的技術(shù)的研究。

1 總體設(shè)計

中華傅山園漫游系統(tǒng)采用Unity3D這一款作為系統(tǒng)開發(fā)3D引擎。整個系統(tǒng)的漫游以第一人稱視角進(jìn)行，給觀賞者更強(qiáng)的帶入感。整個景區(qū),展廳,人物, 植被,等所能見到的物件都需要用到 3DMAX 來進(jìn)行模型的制作。為了能夠讓景區(qū)運(yùn)行流暢和方便后面程序的編輯制作,在模型面數(shù)上控制較為精簡,配合真實(shí)的紋理材質(zhì)貼圖,能達(dá)到更好的仿真效果。主要建筑將參考真實(shí)傅山園的照片來制作模型。分為主建筑群和附體建筑群。內(nèi)設(shè)建筑在有需要出現(xiàn)的地方進(jìn)行細(xì)致建模。燈光采取 UDK 里的燈光系統(tǒng),主要以白天的自然天光為主，顏色為淡藍(lán)的冷色調(diào)作為照亮整個場景的總燈光，能使整個場景光源統(tǒng)一，陰影統(tǒng)一。遠(yuǎn)處山體植被和建筑不會作為近景顯示的則不進(jìn)行實(shí)體 3D 建模，而是采取 plan 面片建模配合二維貼圖形式表現(xiàn)，天空和地面則采取球狀包裹模型，天空貼圖則采取包裹式的無縫貼圖來制作，為的是在后面制作動畫時能讓遠(yuǎn)處的云彩有流動感，不僅生動而且還大大節(jié)省資源。植被花草的制作采取模型堆加 plan面片，透明貼圖鏤空來表現(xiàn)葉子的造型配合真實(shí)的植被貼圖實(shí)現(xiàn)。特效方面主要表現(xiàn)用戶點(diǎn)擊觸動開關(guān)命令時出現(xiàn)，可以運(yùn)用 UNITY3D 程序來生成實(shí)現(xiàn)，一些特殊的效果可以在 3DMAX 里完成。

本系統(tǒng)的具體需求通過UML（United Model Language,統(tǒng)一建模語言）對系統(tǒng)功能和模型進(jìn)行分析和設(shè)計，選用Rational Rose平臺實(shí)現(xiàn)，建立系統(tǒng)用例如圖1所示。

為了構(gòu)建一個身臨其境的虛擬環(huán)境，視景仿真系統(tǒng)必須能逼真的模擬虛擬環(huán)境中所有對象在現(xiàn)實(shí)世界中的幾何、物理、行為等諸多自然特性。因此，這就要求在虛擬環(huán)境的三維建模過程中，對對象進(jìn)行幾何建模、物理建模和行為建模等。

圖1 系統(tǒng)用例圖

（1）幾何建模

對象的幾何建模是生成高質(zhì)量視景圖像的先決條件，它是用來描述對象內(nèi)部固有幾何性質(zhì)的抽象模型。目前，幾何建模技術(shù)發(fā)展比較成熟，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了很多三維建模工具供用戶選擇?；趲缀瓮庑魏图y理映射的幾何建模方式是常用的開發(fā)手段。

（2） 物理建模

虛擬對象物理建模包括定義對象的質(zhì)量、重量、慣性、光照、光滑或粗糙、硬度和彈塑性等，這些特性與對象的幾何特性和行為特性結(jié)合起來，可以更加真實(shí)地反映對象，形成更逼真的虛擬模型。

（3）行為建模

虛擬對象的行為建模體現(xiàn)了對象的自主性特性，也就是說對象的運(yùn)動、活動、變化，以及與周圍環(huán)境和其他動態(tài)實(shí)體之間的動態(tài)關(guān)系，逼真的、自然的表現(xiàn)。

其中主要景點(diǎn)模型包括：地形模型的建立、大殿的建模、牌樓的建模、山門的建模、戲臺的建模、狀元橋的建模等（見圖3）。

圖2 系統(tǒng)模型圖

圖3 模型場景圖

2 紋理影射技術(shù)

紋理映射是把二維的圖像位圖上的像素值映射到三維實(shí)體模型的對應(yīng)頂點(diǎn)上，以增強(qiáng)實(shí)體模型的真實(shí)感。它本質(zhì)上是一個二維紋理平面到三維景物表面的一個映射。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，映射可以用下式描述：

(u,v)=F(x,y,z)

其中(u,v)、(x,y,z)分別是紋理空間和物體空間中的點(diǎn)。

例如：將一紋理映射到一高為 h，半徑為 r的圓柱面可用下面的參數(shù)形式表達(dá)：

x=rcosθ，y=rsinθ，z=h·Ф

其中 0≤θ≤2π，0≤Ф≤ 1。

通過下列線性變換將紋理空間[0，1]×[0，1]與參數(shù)空間[0， 2π]×[0，1]等同起來：u=θ/ 2π，v=Ф。

如此就得到了從物體空間到紋理空間的紋理表達(dá)式。

3 虛擬漫游場景的構(gòu)建

圖形學(xué)里，復(fù)雜的物體可以用三角網(wǎng)格來繪制。為了精確描述一個物體，往往需要使用成千上萬個三角形。本系統(tǒng)中解決問題使用LOD技術(shù)，它是基于我們在觀察物體周圍的環(huán)境時物體離我們越遠(yuǎn)越模糊、越近越清晰的常識。一般來說，LOD 方法就是按照距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近而用不同的細(xì)節(jié)模型來進(jìn)行描述，如果模型離視點(diǎn)比較遠(yuǎn)，我們就用比較粗糙一點(diǎn)的 LOD 模型來進(jìn)行繪制，而如果模型離視點(diǎn)比較近，我們就用比較精細(xì) LOD 模型來進(jìn)行繪制。

在設(shè)計地表和天空網(wǎng)格的渲染都是通過一個遞歸的過程來實(shí)現(xiàn)的。通過遍歷整個四叉樹，當(dāng)?shù)竭_(dá)四叉樹的葉子的時候，即一個節(jié)點(diǎn)不再被分割的時候，就把這個節(jié)點(diǎn)繪制出來。本文采用多線程設(shè)計模式，將其一分為二，兩個線程完全并行執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、動態(tài)的連續(xù)層次細(xì)節(jié)地形的渲染。線程一的功能是:根據(jù)實(shí)時渲染需求和五點(diǎn)定位Loo四叉樹結(jié)構(gòu)信息，生成或修改(第一次是生成，之后是修改)頂點(diǎn)緩沖區(qū)中的圖元信息并保存以待渲染。一般而言，相機(jī)不會經(jīng)常出現(xiàn)突然跳躍的現(xiàn)象，所以每次在頂點(diǎn)緩沖區(qū)中需要修改的信息相對整體信息而言并不是很多，這極大地加快了處理速度。線程二的功能是:一次性渲染地表頂點(diǎn)緩沖區(qū)中的圖元而不是一個一個節(jié)點(diǎn)地逐一渲染。

4 三維場景驅(qū)動

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計，驅(qū)動程序需要實(shí)現(xiàn)漫游、交互操作、碰撞檢測等功能，場景驅(qū)動程序以Unity 3d為平臺，C#為支持語言對場景驅(qū)動進(jìn)行設(shè)計。

5 碰撞檢測

碰撞檢測一般用包圍盒技術(shù)，它是指定義在一個包圍組節(jié)點(diǎn)模型外的不可見框架結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)中，主要是用來檢測漫游是否超出邊界，避免穿墻而過情況的發(fā)生，另外的一個應(yīng)用是在視景系統(tǒng)中作為剔除視窗體外場景數(shù)據(jù)的參考模型。在剔除數(shù)據(jù)階段，通過檢測組節(jié)點(diǎn)的包圍盒是否與當(dāng)前視窗體發(fā)生交叉來確定是否需要遍歷該組節(jié)點(diǎn)以下的節(jié)點(diǎn)，來大大減少場景中繪制的多邊形數(shù)。

6 動畫觸發(fā)

本系統(tǒng)中在手動漫游中，需要進(jìn)入大殿推門進(jìn)入時將會觸發(fā)該動畫，此處采用DOF即Degrees Of Freedom 的縮寫，也稱為自由度技術(shù)在一些視景仿真系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時互動，比如門或窗戶的打開和閉合、閥門的開關(guān)等，例如，DOF 能夠指定一扇門的旋轉(zhuǎn)角度或者是一扇窗戶打開的水平或直線距離，這樣門或窗戶就可以只停留在一定的框架內(nèi)從而以符合邏輯的方式運(yùn)動。

7 總結(jié)

本文嘗試在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上來討論三維漫游演示系統(tǒng)的構(gòu)建方法。 中華傅山園漫游系統(tǒng)已經(jīng)交付使用，目前運(yùn)行情況良好。當(dāng)然本系統(tǒng)還有很多地方可以進(jìn)一步完善：

（1）在三維漫游系統(tǒng)中對物體陰影的實(shí)現(xiàn)。

（2）系統(tǒng)中對自然景觀的動態(tài)模擬還比較簡單，還須進(jìn)一步優(yōu)化自然景觀的模擬算法，同時引入物理特性，以便取得更真實(shí)的模擬效果。

[1]李湘德,彭斌.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展綜述[J].技術(shù)與創(chuàng)新管理,2004,25(6):10-14.

[2]鄭堅.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的視景仿真研究[J].微機(jī)發(fā)展,2003,13(9):18-20.

[3]吳信才.地理信息系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002:1-165.

[4]孫家廣,楊長貴.計算機(jī)圖形學(xué)[M].北京.清華大學(xué)出版社,1995.

[5]彭群生,鮑虎軍.計算機(jī)真實(shí)感圖形的算法基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,1999:221-226.

[6]J.Bowen Loftin.AerosPace applications of virtual environment technology[J].Computer GraPies,2000,30(4):33-35.