基于碰撞檢測(cè)的交互式三維場(chǎng)景漫游系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

曹丹丹，朱彩英，劉曉春

（蘇州市數(shù)字城市工程研究中心，江蘇蘇州 215021）

一、引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最基本的功能之一就是虛擬環(huán)境的漫游功能。為了獲取構(gòu)思中的環(huán)境信息，并在一個(gè)虛擬的環(huán)境中獲取知識(shí)、形成概念，可使用高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件構(gòu)造一個(gè)虛擬環(huán)境漫游器，它使參與者具有身臨其境的沉浸感，并具有良好的人機(jī)交互能力。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，單一的漫游方式無(wú)法滿足千變?nèi)f化的三維虛擬場(chǎng)景，并且不同漫游系統(tǒng)對(duì)漫游方式的要求也不相同，如對(duì)飛機(jī)或汽車的模擬。因此，為了適應(yīng)不同三維場(chǎng)景及實(shí)現(xiàn)不同的漫游方式，本文研究了多種漫游器，可根據(jù)三維場(chǎng)景和漫游要求對(duì)它們進(jìn)行切換，完成了對(duì)虛擬三維場(chǎng)景的交互漫游。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬環(huán)境漫游具有身臨其境的沉浸感和良好的人機(jī)交互能力，可使參與者在虛擬環(huán)境中獲取有用信息［1］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的變革產(chǎn)生了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，因此近年來(lái)，針對(duì)虛擬環(huán)境漫游的研究非?；钴S。ATC（Advanced Technology Center）、Atlandia Design、UNC、Paradigm Inc等機(jī)構(gòu)在理論和實(shí)踐上都進(jìn)行了研究并取得了較好的成果。

較早進(jìn)行幾何式建筑漫游研究的是UC Berkeley建筑漫游工作室。1996年，他們對(duì)Berkeley大學(xué)新計(jì)算機(jī)信息大樓進(jìn)行了實(shí)時(shí)漫游，檢查了建筑設(shè)計(jì)中存在的缺陷并進(jìn)行了及時(shí)修正［2］。

在國(guó)內(nèi)，也存在著一些從事虛擬環(huán)境漫游的機(jī)構(gòu)，如杭州大學(xué)工業(yè)心理學(xué)研究室。1996年，他們使用腳踏車作為交互工具對(duì)虛擬故宮進(jìn)行漫游，參與者原地不動(dòng)卻實(shí)現(xiàn)了在故宮里騎行；華西師范大學(xué)將本校作為虛擬對(duì)象，使用WTK和MFC工具，開(kāi)發(fā)了一個(gè)桌面式虛擬實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)［3］；虛擬北郵校園漫游系統(tǒng)應(yīng)用Java及VRML實(shí)現(xiàn)了多用戶漫游，構(gòu)建的三維交互環(huán)境允許多人漫游，各個(gè)用戶之間還實(shí)現(xiàn)了相互感知及交互功能［4］；哈爾濱工程大學(xué)校園環(huán)境虛擬漫游系統(tǒng)是在Unix環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的具有一定人機(jī)交互能力的室內(nèi)外結(jié)合的社區(qū)漫游系統(tǒng)［5］；地學(xué)虛擬博物館漫游系統(tǒng)是基于VRML實(shí)現(xiàn)的，它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向人們展示了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地學(xué)博物館的地理信息和概貌［6］。四川科技館中的“虛擬世界”、“汽車模型駕駛”，北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的“數(shù)字朝陽(yáng)”、“數(shù)字奧運(yùn)博物館”，浙江大學(xué)設(shè)計(jì)的“虛擬紫禁城”也都是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成的高品質(zhì)模擬產(chǎn)品［7］。

三、技術(shù)路線

本文技術(shù)路線如圖1所示。交互漫游是指用戶可通過(guò)輸入設(shè)備鼠標(biāo)和鍵盤［8］，控制漫游時(shí)的速度、方向、視角等。本文針對(duì)不同的場(chǎng)景和要求設(shè)計(jì)了幾種漫游器，每個(gè)漫游器都包括鍵盤漫游和路徑漫游兩部分，并構(gòu)建了藍(lán)天白云的天空模型以增強(qiáng)虛擬三維場(chǎng)景的真實(shí)感。漫游器中加入了碰撞檢測(cè)功能避免觀察者飛入地下或穿墻而過(guò)等不真實(shí)情況的發(fā)生。路徑漫游時(shí)，利用鍵盤獲取控制點(diǎn)，并由控制點(diǎn)進(jìn)行貝塞爾曲線插值來(lái)獲取漫游路徑。

圖1 交互漫游技術(shù)路線

四、交互漫游功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行漫游操作時(shí)，視點(diǎn)類似于人眼，有著攝像機(jī)的功能。漫游過(guò)程本質(zhì)上是在不斷移動(dòng)視點(diǎn)或改變視線方向而產(chǎn)生三維動(dòng)畫(huà)的過(guò)程［9］。其中，視線的方向由觀察點(diǎn)與視點(diǎn)的位置確定，如圖2所示，觀察點(diǎn)與視點(diǎn)形成的向量為視線方向向量，因此系統(tǒng)不斷改變視點(diǎn)和觀察點(diǎn)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)漫游操作［10］。

圖2 漫游參數(shù)

1.鍵盤漫游

（1）漫游器設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)了3種不同的漫游器，針對(duì)不同場(chǎng)景、不同漫游方式可選擇漫游器，如一般漫游可使用基于軌跡球原理的漫游器；當(dāng)處在大規(guī)模的地形場(chǎng)景中時(shí)，可使用地形漫游器；若想模擬真實(shí)的交通工具，如汽車、飛機(jī)等，此時(shí)需要考慮駕駛現(xiàn)實(shí)的情景，可使用駕駛漫游器。這些漫游器采用實(shí)時(shí)修正場(chǎng)景相機(jī)觀察矩陣（即觀察者的觀察位置和姿態(tài)）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑的漫游。

在進(jìn)行漫游器設(shè)計(jì)時(shí)，主要關(guān)注了視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的正確性和適宜性，即怎樣平滑并準(zhǔn)確地把觀察者移動(dòng)到指定位置和姿態(tài)。漫游操作主要由3個(gè)參數(shù)控制，分別是視點(diǎn)、觀察點(diǎn)和向上方向。如圖2所示，視點(diǎn)相當(dāng)于人眼，視點(diǎn)位置表示觀察者的位置，觀察點(diǎn)為眼睛看到的物體位置，而向上方向?yàn)轭^的朝向，它決定了是倒著、橫著或其他方式觀察物體。漫游器的交互主要通過(guò)鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)或鍵盤來(lái)完成對(duì)這些參數(shù)的修改。

常用的漫游器為軌跡球漫游器，其交互是通過(guò)鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)和軌跡球的定位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文基于軌跡球原理實(shí)現(xiàn)了漫游器的旋轉(zhuǎn)功能，如圖3所示。鼠標(biāo)左鍵實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，鼠標(biāo)中鍵實(shí)現(xiàn)平移，而鼠標(biāo)移動(dòng)方向?yàn)槠揭品较?，鼠?biāo)的滾輪和右鍵實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景縮放功能。它是在模型周圍環(huán)繞觀察模型，因此適合漫游小場(chǎng)景或模擬太空漫游。

圖3 使用軌跡球來(lái)實(shí)現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)的控制

當(dāng)觀察者對(duì)大規(guī)模的地形場(chǎng)景進(jìn)行漫游時(shí)，在現(xiàn)實(shí)情況中，不會(huì)出現(xiàn)頭朝下的情況。此時(shí)，可使用地形漫游器進(jìn)行漫游。在地形漫游器中，當(dāng)向上方向轉(zhuǎn)換角度的絕對(duì)值大于90°時(shí)，向上方向不發(fā)生任何改變，以保證觀察者是正向觀察物體。它還加入了相交測(cè)試的功能，將觀察點(diǎn)的位置始終定位在視線射線與模型的交點(diǎn)上，增強(qiáng)了漫游操作的逼真感。

當(dāng)需要模擬汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)，上文所述兩種漫游器不合適，可使用驅(qū)動(dòng)漫游器實(shí)現(xiàn)該功能。駕駛漫游器中沒(méi)有場(chǎng)景縮放、平移功能，并拉近了視點(diǎn)與觀察點(diǎn)之間的距離，跟現(xiàn)實(shí)中駕車相似，鼠標(biāo)左右移動(dòng)代替了鼠標(biāo)左鍵的旋轉(zhuǎn)功能，鼠標(biāo)移動(dòng)的Y值設(shè)定前進(jìn)的速度。

為了能夠根據(jù)不同場(chǎng)景或不同要求來(lái)選擇漫游器，使用按鍵切換操作器實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種漫游器的切換，并且保持場(chǎng)景的狀態(tài)不變。

（2）鍵盤命令

鍵盤漫游命令包括:左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、上升、下降、仰視、俯視、左移、右移、移動(dòng)加速、移動(dòng)減速、旋轉(zhuǎn)加速、旋轉(zhuǎn)減速、放大、縮小。

OpenGL中函數(shù)gluLookAt（）是一個(gè)快速的視點(diǎn)轉(zhuǎn)換變換函數(shù)，它使用視點(diǎn)、觀察點(diǎn)位置及上方向來(lái)表達(dá)相機(jī)的位置和姿態(tài)，并且使用glTranslate（）、glRotate（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)。

假設(shè)系統(tǒng)使用的坐標(biāo)中，Z值表示場(chǎng)景的高度。左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)是視線繞著Z軸逆、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度；仰視、俯視是增加、減小視線與XY平面的夾角；前進(jìn)、后退則是將視點(diǎn)沿著平行于XY平面的方向移動(dòng)；左移、右移按照當(dāng)前視點(diǎn)的左右方向水平移動(dòng)一定的距離；上升、下降，則增、減視點(diǎn)位置的高度值（Z軸坐標(biāo)值），視線方向不變；放大、縮小，是減小、增加視點(diǎn)與觀察點(diǎn)之間的距離，視線方向保持不變；移動(dòng)加減速、旋轉(zhuǎn)加減速則是相應(yīng)地增加或減小速度、旋轉(zhuǎn)角度值。

（3）實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)

虛擬環(huán)境自身的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性不斷要求使用碰撞檢測(cè)技術(shù)［11］，當(dāng)觀察者漫游時(shí)，觀察者不能嵌入物體中，也不能穿過(guò)物體［12］，因此本文在多個(gè)漫游器中加入了碰撞檢測(cè)功能。

本文利用直線段對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行檢測(cè)。首先，利用層次包圍體將多數(shù)不相交的物體進(jìn)行初步排除；然后，對(duì)那些可能相交的物體作進(jìn)一步的檢測(cè)。在進(jìn)一步檢測(cè)過(guò)程中，首先遍歷場(chǎng)景的層次樹(shù)，用線段測(cè)試與層次樹(shù)節(jié)點(diǎn)相交情況，一直遍歷到層次葉子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而精確檢測(cè)與葉子節(jié)點(diǎn)所包圍的多邊形面片的相交。將多邊形轉(zhuǎn)化成三角形，并與線段進(jìn)行相交測(cè)試。精確求交點(diǎn)算法的基本思路是:首先判斷線段是否跨越三角形其中的兩條邊，若跨越了，則繼續(xù)判斷線段的兩個(gè)點(diǎn)是否在三角形所在面的同側(cè)；否則，確定不相交，檢測(cè)兩個(gè)點(diǎn)是否在三角形面的同側(cè)時(shí)，若不在同側(cè)，則線段和三角形相交，否則不相交。

進(jìn)行漫游時(shí)，觀察者的位置不斷變化，需要不斷地進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)。為此，本文提出一種新的檢測(cè)線段確定方法:在還未發(fā)生碰撞檢測(cè)的情況下，根據(jù)用戶操作，獲取視點(diǎn)下一幀的位置，并將該位置作為檢測(cè)線段的起點(diǎn)，選取當(dāng)前幀的位置作為檢測(cè)線段的終點(diǎn)。若沒(méi)有碰撞，則移動(dòng)視點(diǎn)，并更新檢測(cè)線段，否則視點(diǎn)不發(fā)生改變。

2.路徑漫游

路徑漫游是播放預(yù)先設(shè)置好的漫游路徑來(lái)漫游三維場(chǎng)景。漫游路徑是由控制點(diǎn)按一定的插值方式確定的一條三維空間曲線［13］，常見(jiàn)的有貝塞爾曲線、B樣條曲線及非均勻有理B樣條曲線。本文使用兩條貝塞爾曲線來(lái)獲取路徑曲線，貝塞爾曲線的4個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)由鍵盤事件確定。

貝塞爾曲線依據(jù)4個(gè)位置任意的點(diǎn)坐標(biāo)P0、P1、P2、P3繪制出一條光滑曲線，曲線的參數(shù)形式為

在路徑不平滑的情況下，當(dāng)播放時(shí)，在轉(zhuǎn)角處視線會(huì)按轉(zhuǎn)角的大小發(fā)生突然偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角處相鄰兩幀不連續(xù)的現(xiàn)象，使觀察者明顯感覺(jué)到畫(huà)面的抖動(dòng)。使用貝塞爾插值方法可以獲取一條平滑路徑曲線，從而消除轉(zhuǎn)角抖動(dòng)問(wèn)題，路徑曲線如圖4所示。

圖4 路徑漫游的路徑曲線

鍵盤和路徑漫游方式的切換使用鍵盤來(lái)控制，并且在進(jìn)行路徑播放時(shí)加入了鍵盤事件，用鍵盤控制播放的開(kāi)始、暫停和重新開(kāi)始。

3.天空建模

為三維場(chǎng)景添加藍(lán)天白云能夠?yàn)槿S虛擬場(chǎng)景增加逼真感。本文利用天空盒方法構(gòu)建了一個(gè)天空模型［14］，如圖5所示。天空盒使用一個(gè)矩形方盒作為天空的遠(yuǎn)景貼圖的載體，并將該矩形方盒繪制為一個(gè)球形。用于天空盒的背景圖片中，頂上圖片的四邊必須和前、后、左、右圖的上邊相連，而底圖必須和前、后、左、右圖的下邊相連，并且前、后、左、右4幅圖片必須首尾相連。

圖5 球形天空盒構(gòu)建的天空模型

五、試驗(yàn)效果分析

本文采用OpenGL實(shí)現(xiàn)了基于碰撞檢測(cè)的交互漫游操作，并應(yīng)用于近海三維場(chǎng)景中。使用天空盒構(gòu)建天空模型后的三維虛擬近海場(chǎng)景如圖6所示。

圖6 近海領(lǐng)域虛擬場(chǎng)景

默認(rèn)狀態(tài)下使用了軌跡球漫游器進(jìn)行鍵盤漫游，數(shù)字鍵2切換成地形漫游器，數(shù)字鍵1切換回軌跡球漫游，數(shù)字鍵3為駕駛漫游器來(lái)模擬駕駛汽車，數(shù)字鍵4則切換成路徑漫游。在進(jìn)行鍵盤漫游時(shí)，鍵盤的方向鍵上下左右分別實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左移和右移的功能，Home鍵上升，End鍵下降，PageUp加速，PageDown減速，A鍵向左旋轉(zhuǎn)，D鍵向右旋轉(zhuǎn)，W鍵俯視，S鍵仰視，P鍵加角速度，L鍵減角速度，G鍵獲取路徑漫游的控制點(diǎn)。路徑漫游時(shí)，R鍵控制著漫游的重新開(kāi)始，H鍵暫停，J鍵繼續(xù)。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)虛擬交互漫游中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為了適應(yīng)不同場(chǎng)景、不同方式的漫游，設(shè)計(jì)了多種不同的漫游器，并加入了碰撞檢測(cè)技術(shù)，以增強(qiáng)漫游的真實(shí)感，可使用切換操作器對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)切換；使用鍵盤選取路徑的控制點(diǎn)，使用貝塞爾插值得到平滑的漫游路徑，使路徑漫游消除了轉(zhuǎn)角處的抖動(dòng)；采用球形的天空盒構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)的天空，增加了場(chǎng)景的逼真感。系統(tǒng)可通過(guò)鍵盤或設(shè)置漫游路徑的方式對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互式漫游，漫游時(shí)，畫(huà)面流暢，可滿足人們需求。

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