虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中建筑場(chǎng)景的模型優(yōu)化策略

伍樂(lè)生

?

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中建筑場(chǎng)景的模型優(yōu)化策略

伍樂(lè)生

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 漳州 363000）

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要在與用戶交互中實(shí)時(shí)繪制場(chǎng)景，場(chǎng)景模型的復(fù)雜度和交互實(shí)時(shí)性之間的矛盾是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的主要問(wèn)題，如何在保證效果的前提下減少模型數(shù)據(jù)量是虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中一個(gè)比較突出的問(wèn)題，文章對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中建筑場(chǎng)景的模型優(yōu)化策略進(jìn)行了研究，總結(jié)了建筑場(chǎng)景模型優(yōu)化的方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)；模型優(yōu)化；交互性；實(shí)時(shí)性

1 引 言

“虛擬現(xiàn)實(shí)”譯自英文“Virtual Reality”，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為“VR”技術(shù)，是20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念可以簡(jiǎn)單概括為：“借助計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的技術(shù)手段建立虛擬的媒體空間，用來(lái)模擬表現(xiàn)真實(shí)或設(shè)想的環(huán)境，使用者可以通過(guò)傳感交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境進(jìn)行“交互”，實(shí)現(xiàn)虛擬漫游、改變視點(diǎn)等自主行為，再加上逼真的多媒體感受，使得使用者可以“沉浸”到虛擬環(huán)境中，獲得身臨其境的感受。”這種技術(shù)打破了傳統(tǒng)方法感知現(xiàn)實(shí)環(huán)境受空間、時(shí)間的限制，極大地拓展了人們感知客觀世界的認(rèn)識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了人們跨越時(shí)空對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知的追求，其“實(shí)時(shí)交互”的特點(diǎn)打破了傳統(tǒng)表現(xiàn)形式的局限，有力推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

2 應(yīng)用于建筑展示的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的虛擬構(gòu)建和智能漫游。通過(guò)虛擬建筑模型，建筑設(shè)計(jì)師可以預(yù)先驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)意可行性和論證技術(shù)合理性，另外，通過(guò)虛擬建筑模型，可以向來(lái)訪者預(yù)先展示建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間分布,另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以用于建筑施工過(guò)程模擬、歷史性建筑模擬、防災(zāi)模擬等，虛擬現(xiàn)實(shí)就建筑視覺(jué)模擬的可行性而言，具有非常重要的意義及廣泛的應(yīng)用。

目前在建筑環(huán)境的計(jì)算機(jī)輔助表現(xiàn)上常見(jiàn)的表現(xiàn)形式有：效果圖、三維動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)，三者對(duì)比如表1所示。

建筑表現(xiàn)中效果圖采用靜態(tài)圖片的表現(xiàn)形式，與傳統(tǒng)的手繪、照片等靜態(tài)圖像表現(xiàn)手法如出一轍，能表達(dá)基礎(chǔ)的三維信息，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步制作更加快捷，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。建筑動(dòng)畫(huà)的“動(dòng)態(tài)”表現(xiàn)形式更加生動(dòng)地表達(dá)了更加豐富的三維信息，但由于觀察路線和角度被固定的動(dòng)畫(huà)路線所限定，觀察處于被動(dòng)狀態(tài)，觀察的自主性受到限制，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給用戶提供了一種主動(dòng)觀察的方式，可以如同現(xiàn)實(shí)世界一樣自由觀察，能達(dá)到如同親臨現(xiàn)場(chǎng)的感受，使得觀察者能夠最全面地感受到場(chǎng)景的三維信息，將成為建筑場(chǎng)景展示的新趨勢(shì)。

表1 建筑環(huán)境表現(xiàn)形式對(duì)比

3 虛擬建筑場(chǎng)景的建模技術(shù)

虛擬場(chǎng)景的在計(jì)算機(jī)里的構(gòu)建通常又簡(jiǎn)稱為“建模”，如何又快又真實(shí)地在計(jì)算機(jī)里構(gòu)建出虛擬場(chǎng)景是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)討論主題，構(gòu)建模型有兩種主要思路，一種是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在三維坐標(biāo)體系中用多邊形構(gòu)建三維幾何模型，稱為“基于幾何模型”的建模技術(shù)，另一種建模方式是“基于圖像”的建模技術(shù)，使用真實(shí)場(chǎng)景中的圖像作為輸入，依據(jù)這些圖像提取三維信息采用一定的算法來(lái)構(gòu)建三維場(chǎng)景，兩種建模技術(shù)由于原理的不同使得它們具有各自的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在不同的缺點(diǎn)，將二者進(jìn)行對(duì)比如表2所示。

表2 兩種基本建模技術(shù)對(duì)比

從上述對(duì)比可以看出，兩種場(chǎng)景模型的構(gòu)建技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，一個(gè)較好的策略是結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，混合建模的思路由此而生。“基于幾何模型及圖像”的混合建模技術(shù)希望能揉合二者的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短、取長(zhǎng)補(bǔ)短，其基本思想是先利用“基于圖像”的建模技術(shù)構(gòu)造虛擬場(chǎng)景的環(huán)境來(lái)獲得逼真的視覺(jué)效果，同時(shí)對(duì)虛擬環(huán)境中用戶要與之交互的對(duì)象利用“基于幾何模型”的建模技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)體構(gòu)建，這種混合建模的方法既能避免復(fù)雜場(chǎng)景幾何模型的大量計(jì)算，也增加了場(chǎng)景的真實(shí)感，有效地提高了“實(shí)時(shí)性”，另一方面，需要具體展示的對(duì)象的“交互性”也得到了有效的保證。

盡管“基于幾何模型及圖像”的混合建模技術(shù)的思路揉合了兩種建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中仍然遇到種種技術(shù)上的困難，如：兩種不同建模技術(shù)建出來(lái)的模型如何融合、交互時(shí)場(chǎng)景的變換及無(wú)縫連接等問(wèn)題有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景繪制的主要問(wèn)題

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求能在交互式的幀頻率下實(shí)時(shí)繪制場(chǎng)景，場(chǎng)景模型的復(fù)雜度和交互實(shí)時(shí)性之間的矛盾是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的主要問(wèn)題，當(dāng)然這種矛盾的存在的另一個(gè)客觀原因也在于虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用發(fā)展的另一個(gè)重要制約因素，暨現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)帶寬成為瓶頸限制了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸規(guī)模。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)繪制不斷隨用戶交互操作而變換的場(chǎng)景，其數(shù)據(jù)量比傳統(tǒng)的靜幀圖片展示要大得多，盡管目前網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不斷提升，小型場(chǎng)景的在線實(shí)時(shí)交互還能較為順暢，而復(fù)雜場(chǎng)景交互時(shí)實(shí)時(shí)繪制的數(shù)據(jù)量非常龐大，以現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度還不能很流暢地進(jìn)行傳播。因此，在保證效果的前提下如何減少數(shù)據(jù)量的大小成為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，筆者通過(guò)研究和實(shí)踐總結(jié)了一些模型優(yōu)化策略。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中建筑場(chǎng)景的模型優(yōu)化策略

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中場(chǎng)景模型的多邊形數(shù)據(jù)量直接影響虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，制作場(chǎng)景在建模時(shí)應(yīng)充分對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化以減少模型的數(shù)據(jù)量，如果到了運(yùn)行后才發(fā)現(xiàn)模型問(wèn)題時(shí)需要返回到3ds max里對(duì)模型進(jìn)行重新編輯，然后再次烘培，最后在重新導(dǎo)入到場(chǎng)景中，這將帶來(lái)了諸多浪費(fèi)和損失，因此，建模時(shí)要科學(xué)組織模型的結(jié)構(gòu)、減少模型的冗余度，適時(shí)靈活地采取一些專門的優(yōu)化技術(shù)以減少模型文件大小，從而提供模型的繪制速度，以保證虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順暢的的實(shí)時(shí)交互。

5.1 初始建模應(yīng)創(chuàng)建簡(jiǎn)模

把效果圖的模型拿過(guò)來(lái)直接用是不推薦的，效果圖的模型一般精細(xì)程度都比較高，一幅照片級(jí)的效果圖往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能渲染出來(lái)，其模型的數(shù)據(jù)量一般都較大，而虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)需求要求能達(dá)到較好的實(shí)時(shí)性，這就要求模型的數(shù)據(jù)量盡可能小，因此，在視覺(jué)效果可以接納的前提下減少模型的復(fù)雜程度直接影響了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的順暢程度，應(yīng)遵循游戲場(chǎng)景的建模方式創(chuàng)建簡(jiǎn)模，如：圓柱邊數(shù)一般要控制在10以內(nèi)，使用曲線擠出時(shí)要注意控制線的段數(shù)。必要時(shí)候可以使用折線形式來(lái)代替曲線。如圖1所示。

圖1 盡可能減少邊（段）數(shù)

現(xiàn)實(shí)存在的室外場(chǎng)景可以使用google衛(wèi)星地圖作為建模參考，在google衛(wèi)星地圖中找到目標(biāo)建筑物后保存為圖片，將圖片導(dǎo)入3ds max中使用二維樣條線勾勒出輪廓，然后擠出建筑物的高度，圖2~圖4為一個(gè)校園虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的實(shí)例。

圖2 google衛(wèi)星地圖

圖3 依據(jù)衛(wèi)星地圖圖像構(gòu)建建筑物

圖4 室外虛擬場(chǎng)景建模實(shí)例

5.2 及時(shí)刪除模型中起不到作用的面和點(diǎn)

在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中只需要表現(xiàn)視點(diǎn)可見(jiàn)的模型表面，而視點(diǎn)看不見(jiàn)的面對(duì)場(chǎng)景來(lái)說(shuō)是多余的，建模時(shí)將這些面及時(shí)予以刪除能有效降低模型數(shù)據(jù)量，例如：對(duì)于不進(jìn)入建筑內(nèi)部的虛擬環(huán)境來(lái)說(shuō)，模型背面、內(nèi)部以及坐落在地面上的建筑底面、模型落搭時(shí)相對(duì)被包裹的小的面以及其他被遮擋的部分，對(duì)模型結(jié)構(gòu)與貼圖坐標(biāo)起不到作用的點(diǎn)和面也要?jiǎng)h除以節(jié)省數(shù)據(jù)量，如圖5~圖9所示，將物體轉(zhuǎn)換成Mesh或Poly，然后切換到Polygon（面）或Point（點(diǎn)）級(jí)別下，將該模型中起不到作用的面和點(diǎn)選擇出來(lái)進(jìn)行刪除。

圖5 位于模型底部的面可刪除

圖6 模型中多余的面和點(diǎn)應(yīng)及時(shí)刪除

圖7 模型中重合的面可刪除

圖8 模型間重疊面可刪除

圖9 相交的面可刪除

5.3 修正模型中面的對(duì)齊關(guān)系

如果模型出現(xiàn)兩面（點(diǎn)）之間出現(xiàn)縫隙、錯(cuò)位或兩面重疊的情況，會(huì)造成場(chǎng)景漫游時(shí)發(fā)現(xiàn)閃面或破面的情況，創(chuàng)建模型時(shí)，利用捕捉使模型的點(diǎn)與點(diǎn)之間相互對(duì)齊，不要出現(xiàn)面之間有縫隙或錯(cuò)位導(dǎo)致面出現(xiàn)交叉的情況（如圖10所示），模型搭建后要檢查、修正模型中面的對(duì)齊關(guān)系。

圖10 模型的面或點(diǎn)應(yīng)精確對(duì)齊

5.4 使用貼圖方法表現(xiàn)復(fù)雜模型

建筑場(chǎng)景中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜的花草樹(shù)木以及一些長(zhǎng)條形鏤空物體，如樓梯、窗框、鐵藝大門及欄桿等，在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中最好不要將這些造型復(fù)雜的物體做成模型，這種細(xì)長(zhǎng)條的物體如果用建模方法表現(xiàn)其細(xì)節(jié)的話在實(shí)時(shí)渲染時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，而且將會(huì)極大地增加模型的數(shù)據(jù)量，如圖11所示。

圖11 細(xì)長(zhǎng)條物體或鏤空物體不宜用模型表現(xiàn)細(xì)節(jié)

圖12 用Alpha通道描述鏤空

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)條物體或鏤空物體可以利用貼圖的方式來(lái)表現(xiàn)，這需要?jiǎng)?chuàng)建一張位圖賦予透明貼圖以制造鏤空效果，使用Photoshop給貼圖創(chuàng)建一個(gè)Alpha通道，透明部分在通道中表示為黑色；不透明部分通道中表示為白色；Alpha通道不允許有灰色。如圖12所示。

鐵藝大門、欄桿等鏤空物體由于只用一個(gè)面加貼圖的方式來(lái)表現(xiàn)，而模型烘焙時(shí)不支持雙面，因此欄桿模型不能賦予雙面材質(zhì)，場(chǎng)景中視點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)欄桿時(shí)可以在3ds max中原地復(fù)制一個(gè)物體并反轉(zhuǎn)法線作為欄桿的另一個(gè)面。如果視點(diǎn)高于面的邊界將會(huì)看到面的邊緣薄片形狀，影響真實(shí)感，這種情形下可以在欄桿上方加一個(gè)有寬度的矩形以形成視覺(jué)上的厚度，如圖所示。

圖13 寬度方向處理后避免看到面邊緣

圖14 用交叉面片物體貼鏤空貼圖來(lái)表現(xiàn)樹(shù)木

在制作室外場(chǎng)景時(shí)，難免會(huì)遇到大量的綠化問(wèn)題，如果用多邊形建模來(lái)構(gòu)建花草樹(shù)木的話，模型的數(shù)據(jù)量將急劇增加，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的交互運(yùn)行，此時(shí)可以采用交叉的面片物體貼鏤空貼圖的方法來(lái)表現(xiàn)。如圖14所示。

5.5 用合并、塌陷等方法減少模型個(gè)數(shù)

場(chǎng)景中相同材質(zhì)的模型應(yīng)盡量合并以減少模型數(shù)量，這對(duì)于降低整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量有很大的幫助，方法是將模型轉(zhuǎn)換成Edit Mesh，然后采用Attach或Collapse等方法進(jìn)行合并，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，合并后模型個(gè)數(shù)的減少有效地加快了場(chǎng)景的運(yùn)行速度。

合并時(shí)也要注意合并后模型面數(shù)不宜過(guò)大，建議不超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，但如果模型的相隔距離較遠(yuǎn)而且面數(shù)過(guò)多時(shí)也不建議對(duì)它們進(jìn)行合并，這種情形下的合并無(wú)益于運(yùn)行速度的提升，有時(shí)反而會(huì)使得情況變?cè)恪?/p>

5.6 使用實(shí)例物體減少內(nèi)存占用

在創(chuàng)建建筑環(huán)境場(chǎng)景時(shí)，會(huì)用到許多相同或類似的幾何體，如一些路燈、樹(shù)木、垃圾箱等，如果對(duì)它們逐個(gè)創(chuàng)建然后存儲(chǔ)，在渲染時(shí)無(wú)疑會(huì)占用計(jì)算機(jī)大量的內(nèi)存和硬盤(pán)空間并減慢處理時(shí)間，從而影響實(shí)時(shí)顯示速度。將這些相同物體實(shí)例化可以極大地節(jié)約內(nèi)存空間，從而可以在增加同類物體數(shù)量的同時(shí)不增加運(yùn)行開(kāi)銷，不增加多邊形數(shù)量，而且數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)實(shí)例可按需要進(jìn)行比例縮放后應(yīng)用，使用時(shí)內(nèi)存僅調(diào)用一次，大大加快了顯示速度，在編輯相同物體時(shí)實(shí)例技術(shù)也顯示其極大的優(yōu)越性，修改或編輯其中的一個(gè)對(duì)象時(shí)，如修改其形狀、材質(zhì)紋理時(shí)與之相關(guān)聯(lián)的其他對(duì)象都將同時(shí)發(fā)生改變。

5.7 模型分布適當(dāng)均勻

模型分布的均勻性在一定程度上也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行速度產(chǎn)生影響，運(yùn)行到分布密度大的區(qū)域時(shí)，模型的繪制量也大，運(yùn)行到分布密度小的區(qū)域時(shí)，模型的繪制量又變小，在一定的硬件條件下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行時(shí)快時(shí)慢的現(xiàn)象，因此，場(chǎng)景規(guī)劃時(shí)也應(yīng)適當(dāng)考慮模型分布的均勻性，如圖15所示。

圖15 盡可能使模型分布較為均勻

圖16 控制相鄰面的距離

圖17 面與面距離太遠(yuǎn)

5.8 控制相鄰面的距離

對(duì)于表面需要靠得很近或疊在一起的兩個(gè)物體的模型（如大廈立面懸掛的廣告牌等），面與面的距離不宜貼得太近，應(yīng)保持一定的距離，否則容易出現(xiàn)兩個(gè)面交替出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象。建議模型相鄰面間的間距小于當(dāng)前場(chǎng)景最大尺度的萬(wàn)分之五，在圖16的大廈立面懸掛的廣告牌中，廣告牌與大廈的的立面距離至少要達(dá)到3 cm，同時(shí)在側(cè)面不能看到特別明顯的兩個(gè)面間的距離，當(dāng)然距離太遠(yuǎn)也同樣不合適，如圖17所示。

6 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的三維復(fù)雜環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)的模型優(yōu)化，本文對(duì)建筑場(chǎng)景的模型優(yōu)化的策略進(jìn)行研究分析，探索了有效精簡(jiǎn)模型的方法，從而較好地解決了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景構(gòu)建中在保證效果的前提下減少數(shù)據(jù)量的瓶頸問(wèn)題。

[1] 任海軍，文俊浩，徐玲.一種三維數(shù)字城市的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（3）：101-104.

[2] 高云瓊，徐建剛.一種城市三維建模的集成處理方法[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2002，7（3）：282-286.

The Mode Optimization Strategies of Building Scene in Virtual Reality Technology

WU Le-sheng

(Department of Architural Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000，China)

The virtual reality system always renders scene in real-time during interacting with the users .The main problem of the running of virtual reality system is the contradiction between the complexity and real-time interaction of the scene mode. Under the premise of ensuring the effect, how to reduce the data volume of the mode is a more prominent problem in virtual reality design. This article studies on the mode optimization strategies of building scene in virtual reality design and summarize the mode optimization methods.

virtual reality; mode optimization; interaction; real-time

TU205

A

1673-1417（2014）01-0001-07

2014－01－06

福建省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（JB10238）

伍樂(lè)生（1972－），男，福建長(zhǎng)樂(lè)人，副教授，工學(xué)碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：季平）