利用OGRE引擎進行數(shù)字城市3D場景開發(fā)

邱晨涵

摘要：利用OGRE圖形引擎（Object-oriented Graphics Rendering Engine）中的場景管理、材質(zhì)系統(tǒng)、骨骼動畫、粒子系統(tǒng)等功能，設計一款場景編輯器，用于高效便捷的開發(fā)制作數(shù)字城市3D場景。

關(guān)鍵詞：OGRE 場景編輯器 數(shù)字城市

一、研究意義

隨著信息時代的深入發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求不斷提高，日常生活中越來越多地應用到數(shù)字城市相關(guān)的應用服務。其中，3D場景是數(shù)字城市視覺體系的重要組成部分。采用免費開源的OGRE引擎制作一款場景編輯器，可以明顯提高開發(fā)3D場景的制作效率，增強產(chǎn)品質(zhì)量。

二、場景編輯功能分析

一個自然環(huán)境包含有許多項元素，可以大體分為四類：地形、地表、附屬元素以及特定交互對象，均是場景輯輯器中要實現(xiàn)的。

基于OGRE引擎的mesh網(wǎng)格，形成一般概念上的地形。在操作上，利用地形筆刷修改地形的海拔高度。并且，可設置地形筆刷的覆蓋范圍、硬度、平滑度、變化比率等參數(shù)。

地形地表由多層紋理構(gòu)成，可分別設置各層紋理的貼圖、UV密度、紋理光照效果、地形霧化效果等參數(shù)，并混合顯示。場景地形切割為若干塊，每一塊的地表可單獨設置紋理帖圖和靜態(tài)陰影渲染。

附屬元素，包括光源、天空盒、霧氣、動態(tài)云、天氣、水體等。其中，光源至少有三種類型：環(huán)境光、方向光、局部點光源，設置光線顏色、角度、位置、作用范圍、漫反射強度、鏡面反射強度等參數(shù)。水體的海拔位置、顏色、表層波紋、水岸波浪以及波紋波浪的速度、UV密度等參數(shù)。

特定交互對象，指場景內(nèi)所有基于場景節(jié)點進行管理的實體對象，包括攝像機、人物角色、物體、光效、音效、腳本觸發(fā)器、標注等?？梢詫@些實體對象進行載入、放置、縮放、保存、定義邏輯類型等行為。

三、場景編輯器結(jié)構(gòu)

編輯器結(jié)構(gòu)由底層、中間層、交互層三部分構(gòu)成。底層為OGRE引擎提供的基本模塊，主要包括：場景節(jié)點、材質(zhì)系統(tǒng)、角色動畫、粒子系統(tǒng)等，對中間層提供支持。中間層是場景開發(fā)的具體業(yè)務模塊。交互層負責用戶與編輯器的直接接觸，主要包含：身份驗證、工作界面、顯示模式。

這種方式編輯器的用戶不用關(guān)心底層如何實現(xiàn)，只需要依照平常對自然環(huán)境、場景的理解，打開編輯器后，進入對應功能界面就能進行場景制作。所見即所得，以實現(xiàn)易用高效的設計需求。

出于安全考慮，進入編輯器時，先進行身份驗證。經(jīng)過驗證后，根據(jù)該用戶的授權(quán)，開放對應界面及功能。用戶身份信息和場景數(shù)據(jù)采用DES算法加密后存放在服務器集中管理的資源目錄下，增強系統(tǒng)健壯性。

編輯器內(nèi)用到的實體對象有很多類型（物體、NPC、光效、行走路徑、邏輯數(shù)據(jù)、標注等），用戶切換到某個對象的工作界面，畫面上就以包圍框方式顯示該類型的所有實體對象。采用該機制，便于檢查者針對性查驗、修改相關(guān)項目對象，滿足易糾錯的設計需求。

這種結(jié)構(gòu)，用戶操作簡單直觀，所見即所得，易學習，易上手。將不同業(yè)務功能、不同類型的實體對象分開處理，開發(fā)者可以逐步添加編輯器功能，不必一次性完成全部編輯器開發(fā)的工作量。在項目管理上，采用身份驗證可有效阻止用戶使用未被授權(quán)的編輯器功能，降低人為錯誤因素，也方便明確劃分不同身份用戶的職責。當然，該結(jié)構(gòu)也存在缺點，即，對服務器的依賴較大，并且需要借助版本管理軟件對編輯器和相關(guān)資源進行版本控制和更新，才能保障身份驗證的有效性。

四、底層與業(yè)務模塊的關(guān)系

OGRE是基于場景節(jié)點的場景圖，對場景內(nèi)各元素進行管理，包括：“創(chuàng)建、放置和變換活動物體（MovableObject）、燈光（Light）以及攝像機（Camera）”，“對環(huán)境光按由近到遠的順序進行組織和排序”，“渲染場景中的靜態(tài)陰影（Static Shadow）”等，通過這些底層模塊來實現(xiàn)場景編輯器里放置、調(diào)整各種實體對象（攝像機、光源、建筑、樹木、人物等）。對應業(yè)務模塊為：攝像機、地形、場景靜態(tài)陰影的渲染、場景物體、光效、NPC、邏輯數(shù)據(jù)等。

材質(zhì)系統(tǒng)（Material），是利用其封裝的表面材質(zhì)屬性、組成Material的紋理層、紋理混合（Blend）方式、光照、霧化等屬性，來實現(xiàn)編輯器設置不同類型、尺寸、形態(tài)的實體對象，在受到太陽光、點光源、霧氣時所表現(xiàn)出來的光線反射效果。比如，一棟建筑物表面的墻磚、木材、鋼鐵、玻璃等不同部件，在陽光照耀下，反射光線的明亮程度就有顯著差異。對應業(yè)務模塊為：地表紋理、環(huán)境光照、場景物體、光效、NPC等。

OGRE常用骨骼動畫來實現(xiàn)具有行為動作的可活動對象（MovableObject）的動畫，可以很好地模擬場景中各種人物、怪獸、NPC等一系列角色的動態(tài)表現(xiàn)，并且有助于美術(shù)人員合理分工，提高工作效率。對于場景編輯器而言，只需要支持載入骨骼動畫相關(guān)的美術(shù)資源并縮放旋轉(zhuǎn)即可。對應業(yè)務模塊為：場景物體（動態(tài)物體）、NPC等。

利用OGRE四邊形粒子的多項屬性（長寬、方向、數(shù)量、材質(zhì)和重量等），模擬現(xiàn)實生活中的雨、雪、噴泉、爆炸等各種光效。配合盒狀粒子發(fā)生器（BoxEmmitter）和點狀粒子發(fā)生器（PointEmmiter），分別控制粒子從單一的點發(fā)射，或是從一個區(qū)域發(fā)射粒子，以及運行軌跡，在視覺上形成變化豐富的光效。對應業(yè)務模塊為：光效、霧、動態(tài)云、天氣、水體等。

五、小結(jié)

圍繞“高效、易用、易糾錯、安全”原則，采用OGRE圖形引擎的場景管理、材質(zhì)系統(tǒng)、骨骼動畫、粒子系統(tǒng)等功能，進行3D場景的開發(fā)設計，適用于三維地圖、樓堂館所三維擬真漫游等項目制作。

參考文獻：

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