高鐵虛擬現(xiàn)實(shí)三維仿真場(chǎng)景優(yōu)化方法的研究

張威　榮佳

摘要：通過仿真高速鐵路車站和電務(wù)設(shè)備的建模實(shí)例，提出了在鐵路局域網(wǎng)等類似低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過運(yùn)用模型優(yōu)化、模型與圖型的混用、燈光的設(shè)置、紋理貼圖的使用、視角控制等方面的技術(shù)建立復(fù)雜實(shí)際設(shè)備時(shí)的具體思路和方法，并探討了在大場(chǎng)景環(huán)境中采用的表現(xiàn)手法。為虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的搭建過程提供了清晰有效的建模思路及優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維模型；場(chǎng)景優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）24-0174-03

1概述

隨著鐵道信號(hào)仿真模擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)的大面積普及和應(yīng)用，構(gòu)建覆蓋全路的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，必須依托鐵路內(nèi)部已有的廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，應(yīng)用P2P技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?，F(xiàn)存的最大問題是使用三維場(chǎng)景表現(xiàn)事物，數(shù)據(jù)體積較大，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸對(duì)帶寬要求高，因此必須解決鐵路局域網(wǎng)帶寬低、接入方式多、不穩(wěn)定等問題，同時(shí)考慮低端客戶機(jī)在顯示三維場(chǎng)景時(shí)的執(zhí)行能力。在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)的前提下有兩種解決方法，一是使用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用多線程，預(yù)先加載數(shù)據(jù)、多點(diǎn)吸取數(shù)據(jù)的辦法提高數(shù)據(jù)傳輸效率。二是優(yōu)化三維場(chǎng)景中的模型數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下縮小數(shù)據(jù)體積。第一種方法僅可解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，而第二種方法既可以減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，又可減低客戶機(jī)的硬件配置要求。本文以建立高鐵車站和電務(wù)相關(guān)設(shè)備為例，重點(diǎn)研究第二種，即三維場(chǎng)景的建立和優(yōu)化方法。

2高鐵車站及設(shè)備建模優(yōu)化方法的研究

2.1明確數(shù)據(jù)組織需求

分析項(xiàng)目需求，明確設(shè)備需要檢修的位置，零部件，電壓電流測(cè)試方法，端子等情況，計(jì)劃建模數(shù)據(jù)類型與程度，總結(jié)分析結(jié)果，提出模型面數(shù)最優(yōu)化的建模方案。高鐵車站作為最大的環(huán)境場(chǎng)景來說，不但要求具備天空、線路、站臺(tái)、房屋、列車等主要模型元素，還需對(duì)一些應(yīng)該具備交互功能的設(shè)備建立起三維數(shù)據(jù)的可視化模型，還要能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如道岔、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道變壓器箱盒等。

2.2建立空間位置的場(chǎng)景坐標(biāo)系

三維模型在場(chǎng)景中一定是參照某一坐標(biāo)系放置的，在虛擬高鐵車站大場(chǎng)景中以鋼軌為基準(zhǔn)建立整個(gè)場(chǎng)景的世界坐標(biāo)系，確定鋼軌位置以及列車上、下行運(yùn)行方向后，確定站臺(tái)、房屋位置，每一個(gè)物體都定義其局部坐標(biāo)系，分別在局部坐標(biāo)系中完成物體的創(chuàng)建后，將模型置入完整的場(chǎng)景中，進(jìn)一步確定各個(gè)模型之間的相互位置。定義正確的坐標(biāo)系在構(gòu)造場(chǎng)景和后續(xù)定義模型動(dòng)作屬性的過程中可以為表示模型和設(shè)計(jì)動(dòng)作提供位置參照基礎(chǔ)。

2.3選擇模型尺度

虛擬高鐵車站所包含的模型種類、數(shù)量與場(chǎng)景精度均與采用的尺度息息相關(guān)。尺度一般是指觀察研究的物體或過程的空間分辨度和時(shí)間單位。尺度的變化會(huì)影響信息被觀察、表達(dá)、分析和傳輸?shù)脑敿?xì)程度[1]。

根據(jù)場(chǎng)景表現(xiàn)的需要，按照高鐵車站可控視角劃分為三個(gè)級(jí)別的尺度，

1） 設(shè)備內(nèi)部尺度：應(yīng)用于具體某一設(shè)備的內(nèi)部動(dòng)作原理、設(shè)備檢修調(diào)整、設(shè)備故障處理等場(chǎng)景，表現(xiàn)齒輪、螺絲、接線端子等微觀設(shè)備元器件。

2） 設(shè)備集中區(qū)尺度：應(yīng)用于某個(gè)區(qū)域內(nèi)多臺(tái)設(shè)備聯(lián)合工作時(shí)的外部動(dòng)作原理、設(shè)備檢修調(diào)整、設(shè)備故障處理等場(chǎng)景，表現(xiàn)設(shè)備外殼、鋼軌道床以及各設(shè)備之間的連接關(guān)系。

3） 車站全景尺度：應(yīng)用于全景漫游場(chǎng)景以及切換其他視角尺度時(shí)的過渡場(chǎng)景，表現(xiàn)地表、列車、站臺(tái)、房屋等物體。

2.4構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)及組合連接關(guān)系

通常大型虛擬場(chǎng)景采用的都是有層次的模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分層定義之后，便可以開始對(duì)場(chǎng)景實(shí)施組織管理，將需要建立的模型根據(jù)類型、用途、位置分別建模，確立建模目標(biāo)和建模流程，從而有效縮短建模時(shí)間。

元器件之間通過組合關(guān)系建?？梢詷?gòu)成各種組合連接關(guān)系。這些關(guān)系可以使模型的某些部件實(shí)現(xiàn)共同移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、形變等動(dòng)作、同時(shí)為后續(xù)定義模型的物理屬性以及運(yùn)動(dòng)屬性提供了基礎(chǔ)支持。常見的組合關(guān)系主要包括齒輪咬合之間的嚙合面連接、設(shè)備間使用彈簧連接等關(guān)系。

2.5消除冗余多邊形

在初步建立好的模型中都存在可有可無的幾何元素，不但會(huì)增加面數(shù)，而且在旋轉(zhuǎn)觀察模型或執(zhí)行動(dòng)作時(shí)會(huì)出現(xiàn)畫面閃爍的現(xiàn)象。在建模過程中存在冗余面幾乎不可避免，冗余元素主要包括點(diǎn)、線、面以及體等，通常均是不可見的。消除冗余的、不可見的多邊形，可以減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高場(chǎng)景實(shí)時(shí)運(yùn)行的速度[2]。

三角形是圖形圖像顯示系統(tǒng)中使用最廣泛的圖形描繪元素，研究如何消除冗余多邊形的方法其實(shí)就是研究消除不必要三角形的方法。在構(gòu)建虛高鐵車站的過程中主要使用以下兩種方法：

2.5.1 基于聚類操作的三角形網(wǎng)格優(yōu)化

計(jì)算思路是依據(jù)模型的外觀將模型使用的空間劃分成數(shù)個(gè)立方體單元，通過對(duì)立方體單元中各個(gè)頂點(diǎn)位置中典型的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，用典型的點(diǎn)代表屬于相同立方體單元中的其他頂點(diǎn)，最后移去不需要的三角形，如圖1所示。

2.5.2 基于刪除操作的三角形網(wǎng)格優(yōu)化

如圖2所示為頂點(diǎn)刪除網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法，圖3為三角形刪除網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法。在此類算法中，被刪除的元素為點(diǎn)、邊和面三類。算法建立在分析頂點(diǎn)，邊以及面片的重要程度的基礎(chǔ)上，將其中不重要的元素刪除，對(duì)遺留下的空間重新進(jìn)行三角形化來填補(bǔ)[3]。

通常場(chǎng)景中的可視角度是有限制的，某些器件始終位于不可見位置，將它們刪除或隱藏對(duì)場(chǎng)景完全沒有影響，卻能極大提高場(chǎng)景加載和運(yùn)行的速度。以高速鐵路無碴軌道道岔為例，在制作線路時(shí)，鋼軌只有軌面可見，因此，可以將鋼軌軌底和道床部分的模型面刪掉以減低模型面數(shù)，如圖4所示。其余現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均按此方法進(jìn)行了優(yōu)化。

通過消除冗余多變形可以大量降低模型面數(shù)，減小模型文件體積。道床場(chǎng)景的初始面數(shù)為44872面，經(jīng)優(yōu)化后，降低為32429面，減少了28%，對(duì)應(yīng)的模型文件體積由初始的3.58M縮小為2.91M，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

2.6 使用紋理技術(shù)優(yōu)化

在構(gòu)建車站場(chǎng)景模型的過程中，紋理的地位非常重要，極具真實(shí)感的紋理最能反映現(xiàn)實(shí)世界。紋理制作包括建筑物紋理、地表紋理、鋼軌紋理、路基紋理、各類設(shè)備紋理等等。

采用現(xiàn)場(chǎng)照片作為紋理貼圖“貼在”模型表面是提高場(chǎng)景真實(shí)程度行之有效的方法，不但可以替代物體表面復(fù)雜的多邊形，還可以在場(chǎng)景中較遠(yuǎn)或不重要的位置代替相關(guān)模型。通過紋理映射優(yōu)化，場(chǎng)景的讀取速度和運(yùn)行實(shí)時(shí)渲染速度比單純使用模型的場(chǎng)景要提高很多，而且進(jìn)一步提高了場(chǎng)景真實(shí)程度。建筑物以及轉(zhuǎn)轍機(jī)在車站全景尺度下完全可以使用只有六面的長(zhǎng)方形基本體，配以設(shè)備貼圖的方法來顯示，取得良好的視覺效果

2.7 使用實(shí)例化技術(shù)優(yōu)化

當(dāng)同一三維場(chǎng)景中存在所處空間位置不同，但基本幾何特征相同的兩個(gè)及以上三維模型時(shí)，可以只建立其中任意一個(gè)模型，然后在任何需要該模型的位置定義一個(gè)指向其原始模型的指針，這樣就通知系統(tǒng)在運(yùn)行該場(chǎng)景時(shí)在該位置映射一個(gè)原始模型。實(shí)例化技術(shù)就好比一個(gè)幾何體根據(jù)條件變化可以擁有多個(gè)影子，而實(shí)際物體只有一個(gè)，眾多影子是實(shí)際物體執(zhí)行平移，旋轉(zhuǎn)，縮放操作后得出的[4]。

2.8 使用LOD技術(shù)優(yōu)化

根據(jù)模型在場(chǎng)景中所處的距離遠(yuǎn)近和重要程度來決定渲染模型所需的資源分配量，即對(duì)于不同的模型或模型的不同細(xì)節(jié)采用分層次的顯示表現(xiàn)形式。當(dāng)某一模型距離在遠(yuǎn)端、模型體積較小或在場(chǎng)景中不是主要表現(xiàn)對(duì)象時(shí)，采用低精度模型予以表現(xiàn)，反之則使用高精度的模型進(jìn)行表現(xiàn)[4]。一個(gè)模型在某一場(chǎng)景中是重點(diǎn)表現(xiàn)級(jí)別的模型，在另一個(gè)場(chǎng)景中則無關(guān)緊要。因此針對(duì)同一模型需要滿足不同場(chǎng)景調(diào)用的需要，必須建立不同精度的模型，然后根據(jù)場(chǎng)景需求選擇使用高、中、低三種模型級(jí)別。如圖5所示，為ZD（J）9型轉(zhuǎn)轍機(jī)在三種不同場(chǎng)景尺度下抽象模型、粗糙模型以及精細(xì)模型所表現(xiàn)出的不同效果以及各自的實(shí)際面數(shù)。

2.9 使用外部引用技術(shù)優(yōu)化

外部引用技術(shù)的基本思想是將一些在構(gòu)建場(chǎng)景時(shí)沒有創(chuàng)建的模型或其他格式文件加入到當(dāng)前實(shí)時(shí)運(yùn)行的場(chǎng)景中來，并讓其定位于事先設(shè)計(jì)好的位置，執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)。此技術(shù)的好處顯而易見，例如在車站尺度場(chǎng)景中需要臨時(shí)表現(xiàn)某個(gè)設(shè)備集中區(qū)尺度場(chǎng)景或設(shè)備內(nèi)部尺度場(chǎng)景時(shí)，可以臨時(shí)引用所需的場(chǎng)景文件，執(zhí)行場(chǎng)景任務(wù)，在完成交互任務(wù)后只需停止引用文件，則場(chǎng)景恢復(fù)到引用前的狀態(tài)。這樣就避免了重復(fù)建模，同時(shí)外部文件只有在引用執(zhí)行時(shí)才占用消耗系統(tǒng)資源，停止引用后立即釋放占用的資源。

3 結(jié)論

高鐵車站的設(shè)備都是由多個(gè)復(fù)雜元器件組合而成，可分為機(jī)械類、電氣類以及兩者的混合類型。因此必須對(duì)設(shè)備的外形以及內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)有清晰的了解，將復(fù)雜形體分解為簡(jiǎn)單形體的組合，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下的迅速傳輸，必須在模型真實(shí)感和模型數(shù)據(jù)體積之間尋找平衡點(diǎn)。也就是說在滿足使用者視覺效果感受的前提下，綜合運(yùn)用各種優(yōu)化方法，最大限度的優(yōu)化模型。

參考文獻(xiàn)：

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