基于BG＋Array的相機操作實現(xiàn)方法

涂瑤瑤，徐承志，梅 超

（湖北工業(yè)大學計算機學院，湖北 武漢430068）

Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件，其提供了500多個Building Blocks（BB）行為交互模塊可供使用，特點是方便操作，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛［1］。可以讓沒有任何編程基礎(chǔ)的開發(fā)者在一個可視化圖形開發(fā)界面中拖放BB，使得各種格式的資源整合在一起，如3D模型、2D圖形、音頻或者視頻等［2］，從而制作出各種用途的3D互動多媒體產(chǎn)品，例如虛擬裝配、仿真訓練、網(wǎng)上游戲等諸多3D軟件。正是由于該軟件的簡易性，對開發(fā)者的編程素養(yǎng)要求不高，可能導致開發(fā)者陷入代碼贅余的問題中。這些贅余的代碼，既增加了開發(fā)人員的負擔，又不便于系統(tǒng)后期維護。而對這些贅余代碼進行封裝和管理能大大提高團隊開發(fā)效率。

本文作者參與國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目——“基于虛擬校園的軟件生態(tài)系統(tǒng)研究”，項目開發(fā)過程中出現(xiàn)大量重復操作，例如上百次對相機進行操作［3］，其中包括相機的旋轉(zhuǎn)、平移、拉伸等。根據(jù)項目開發(fā)經(jīng)驗，筆者利用BG＋Array解決了項目中virtools腳本重復代碼過多，不易維護的問題。

1 Virtools中的邏輯結(jié)構(gòu)

1.1 Virtools BB

Behavior Building Blocks（BB）是用來執(zhí)行特定動作的可視化功能模塊［4］，BB的輸入分為流程輸入bIn（Behavior Input）和參數(shù)輸入pIn（Parameter Input），輸出分為流程輸出bOut（Behavior Output）和參數(shù)輸出pOut（Parameter Output）（圖1）。

圖1 BB的輸入輸出

根據(jù)運行方式的不同，BB有三種類型:

1）On/Off 一旦On被觸發(fā)，BB就持續(xù)執(zhí)行，直到Off被觸發(fā)才會停止運作（圖2a）。

圖2 BB的運行方式

2）In/Out 一旦In被觸發(fā)就執(zhí)行BB的功能，完成后會觸發(fā)Out并停止運作（圖2b）。

3）Loop In/Loop Out 一旦In被觸發(fā)BB就開始運作，隨即在Loop Out和Loop In間執(zhí)行外部回圈，直到完成BB設(shè)定的某個條件才會觸發(fā)Out并停止運作。而對BB的停止條件設(shè)定可在BB參數(shù)的設(shè)置中完成，如圖2中的（c）。

Virtools可以利用拖放BB的方式，使用Link－Delay［5］線將BB連接起來，賦予在適當?shù)腛bject（對象）或者Character（虛擬角色）上，以類似流程圖的方式，決定BB行為交互模塊的前后處理順序，從而實現(xiàn)可視化的交互腳本設(shè)計。腳本圖類似于傳統(tǒng)的代碼程序，特別是程序的三個基本結(jié)構(gòu)可以完全用腳本圖來實現(xiàn)。

如圖3所示，程序先執(zhí)行”Rotate”BB，后執(zhí)行”Translate”BB。

圖3 順序結(jié)構(gòu)

如圖4所示，程序先執(zhí)行”Test”BB，Test BB判斷為真則執(zhí)行Rotate BB，為假則執(zhí)行Translate BB。

圖4 選擇結(jié)構(gòu)

如圖5所示，程序先執(zhí)行”Counter”BB，Counter BB有三個輸入?yún)?shù)，第一個是程序循環(huán)的次數(shù)，第二個是變量的初始值，第三個是變量的遞增（減）值，若循環(huán)次數(shù)不滿足設(shè)定值，則執(zhí)行Rotate BB，循環(huán)次數(shù)加1，變量加上遞增（減）值，否則執(zhí)行Translate BB。

圖5 循環(huán)結(jié)構(gòu)

1.2 Virtools BG（Behavior Graph）

將多種BB組合封裝起來，就可以形成一個具有某項功能的行為模組，即BG（Behavior Graph）。BG是Virtools里面的一大特色，利用BG可以將一個或多個BB（也可以是BG）進行二次封裝，或多次封裝。如果將BB比作傳統(tǒng)程序里面的函數(shù)，那么BG就相當于是傳統(tǒng)程序里面函數(shù)的嵌套調(diào)用。BG與BB對外接口形式是一樣的，輸入?yún)?shù)分為bIn，pIn，輸出參數(shù)分為bOut，pOut。BB和BG可以相互嵌套使用（圖6）。

圖6 BG的嵌套使用

1.3 Virtools Array

Array即陣列，可用于建立數(shù)據(jù)、事件變量的集中存放管理等等，由Column（列）與Row（行）組成［6］，Array里面每列就是一個字段，每行存儲的數(shù)據(jù)就是一個記錄，Array還可以與數(shù)據(jù)庫里面的表進行數(shù)據(jù)交換，在訪問一些簡單的輕量數(shù)據(jù)時，使用Array十分方便，Array的結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 Array的構(gòu)造

2 代碼封裝技術(shù)的實現(xiàn)

鑒于BG和Array在Virtools中有上述這些性質(zhì)，可以使用BG＋Array這種組合在Virtools的程序開發(fā)中實現(xiàn)功能重復的代碼整合。即使用BG將行為邏輯進行二次封裝，使用Array存取動畫中不同的行為參數(shù)，通過參數(shù)解析和動作驅(qū)動模塊遍歷Array中的行為參數(shù)，就可能產(chǎn)生多組操作相同但效果不同的動畫。BG＋Array組合的功能等效圖見圖8。

圖8 BG＋Array功能等效圖

2.1 實現(xiàn)步驟

2.1.1 設(shè)計動作模板，并封裝成BG 對一組動畫進行動作分類，同類的動作就是程序重復執(zhí)行的功能模塊，即動作模板，這些動作模板通過接收不同的行為參數(shù)，產(chǎn)生不同的效果，將這些動作模板封裝成BG。

2.1.2 構(gòu)建BG中的接口 BG中的接口，就是上一步中驅(qū)動模板的行為參數(shù)，將這些行為參數(shù)的標記拖放到BG的邊界，構(gòu)成BG的輸入?yún)?shù)接口。

2.1.3 建立參數(shù)陣列 創(chuàng)建一個Array，并在Array中創(chuàng)建與BG輸入?yún)?shù)類型一致的字段，再根據(jù)具體的要求，在參數(shù)陣列中保存相應(yīng)的參數(shù)值。

2.1.4 遍歷Array 建立循環(huán)結(jié)構(gòu)，遍歷Array里面存儲的記錄，并將記錄中的參數(shù)解析出來依次傳遞給動作驅(qū)動模板。

至此，通過BG＋Array的組合實現(xiàn)相同代碼調(diào)用不同參數(shù)來完成一連串的不同動作的功能就實現(xiàn)了。

下面通過一個例子來說明如何在Virtools里面具體運用BG＋Array的組合。在“虛擬校園”項目里面經(jīng)常要針對某棟建筑進行頻繁的鏡頭變換操作，這些鏡頭變換大致可以歸納為移動相機、旋轉(zhuǎn)相機、拉伸相機操作，以上三種操作即為相機操作的三大類，可以按照上面提到的步驟構(gòu)造出一個BG＋Array的組合。

2.2 鏡頭變換的設(shè)計及功能實現(xiàn)

2.2.1 構(gòu)建動作模板，并封裝成BG 攝像機操作的三個主要動作模板分別為:旋轉(zhuǎn)相機、移動相機以及拉伸相機。

構(gòu)造的BG如圖9至圖11所示，其中”Bezier Progression”BB的作用是在一定的時間內(nèi)讓一個變量按照指定的貝塞爾函數(shù)［7］進行變化，圖9中Multiplication BB接收 Bezier Progression BB傳進的值，并乘以指定的一個角度，將得到的值賦給Rotate Around BB，Rotate Around BB按照這個值進行相機旋轉(zhuǎn)，所以這一組BB的作用就是在一定的時間內(nèi)（由Bezier Progression BB決定）將相機旋轉(zhuǎn)一定的角度（由Multiplication BB決定）。

圖9 旋轉(zhuǎn)相機

圖10 中 Multiplication BB 接 收 Bezier Pro-gression BB傳進的值，并乘以一個指定的向量，將得到的值賦給 Translate BB，Translate BB按照這個值來操作相機進行移動。

圖10 移動相機

圖11 中 Multiplication BB 接 收 Bezier Progression BB傳進的值，并乘以一個指定的向量，將得到的值賦給Set FOV BB，Set FOV BB按照這個值對相機進行拉伸動作。

圖11 拉伸相機

2.2.2 構(gòu)建BG接口 提取行為參數(shù)后的BG如圖12所示。

圖12 提取行為參數(shù)后的BG

將BG中的行為參數(shù)提取出來，并拖放到BG的邊界，由于BG可以相互嵌套使用，所以內(nèi)層BG也可以像BB一樣，將內(nèi)層BG的運行參數(shù)的標記拖放到外層BG的邊界，作為外層BG的輸入?yún)?shù)。當一個BG中包含幾個小的BG時，即一個大的功能模塊中包含幾個小的功能模塊，可以考慮使用”Binary Switch”BB（二進制開關(guān)）來控制是否啟動這幾個小的功能模塊。

圖12中第一個Binary Switch控制Camera Rotate（相機旋轉(zhuǎn)），如果Binary Switch接收到的參數(shù)為True，則程序會從True出口（圖12中Binary Switch連接Camera Rotate的出口）出發(fā)，并運行Camera Rotate這個BG，否則程序會從False出口（圖12中Binary Switch連接第二個Binary Switch的出口）出發(fā)，并直接運行第二個Binary Switch。同理第二個Binary Switch控制Camera Move（相機移動），第三個Binary Switch控制Camera FOV（相機拉伸），這些Binary Switch只有在接收到輸入?yún)?shù)為True時才會執(zhí)行其對應(yīng)的功能模塊，否則程序會跳轉(zhuǎn)到下一個功能模塊去執(zhí)行。通常使用這個BG時，可能只需要使用這個BG中的部分功能模塊，如果不用開關(guān)進行控制，那么程序就會運行這個BG中的所有功能模塊，勢必造成許多資源浪費，所以，巧用開關(guān)也是節(jié)約系統(tǒng)資源的一個小技巧。

2.2.3 建立參數(shù)陣列 創(chuàng)建好后的Array屬性如表1所示。

表1 Array

2.2.4 遍歷Array 程序整體流程如圖13所示。

圖13 程序整體流程圖

圖13 中的Camera Operation是圖12中將行為參數(shù)提取出來后的BG，使用”Iterator”BB來遍歷Array，并將取出的記錄賦給BG，BG通過接收Array里面存儲的記錄，運行BG里面的功能模塊，程序就會按照BG里面的功能模塊來執(zhí)行并顯示相應(yīng)的動作效果了。

至此，使用BG＋Array的組合，便將攝像機的操作整合起來了，以后凡涉及到對攝像機的操作，只需要修改Array里面的行為參數(shù)便可以直接使用此BG＋Array的組合了。

BG＋Array組合不僅適用于對相機的操作，在機械拆裝上也同樣適用。機械拆裝的操作和相機類似，有移動零件、旋轉(zhuǎn)零件以及縮放零件等，通過BG＋Array組合，將這些操作進行模塊化的整合，便于系統(tǒng)的開發(fā)和后期維護。

3 使用BG＋Array的優(yōu)點

總體來說，BG＋Array的優(yōu)點有如下三點:

1）代碼量少 這里說的代碼量少并不意味著減少了代碼的數(shù)量，而是說將代碼整合起來，便于閱讀與理解，將原來復雜龐大的代碼用BG整合起來，使得每個功能都很清楚，也方便維護。

2）便于程序調(diào)試與維護 每個BG都實現(xiàn)了特定的功能，而將它需要的參數(shù)提取出來，并存在Array里面，這樣只需要對Array里面的數(shù)據(jù)進行修改，就可以通過BG＋Array這種組合實現(xiàn)行為邏輯與動作參數(shù)的解耦，便于日后的調(diào)試與維護。

3）代碼共享 代碼封裝不僅僅是讓自己編程簡單，最主要的是要實現(xiàn)代碼的共享，這種將業(yè)務(wù)邏輯高度抽象的方法是代碼封裝的先決條件。同時，使用BG這種模式，將一些常用的BB組合起來，封裝為常用的功能模塊，更利于給其他人共享使用。

4 結(jié)論

介紹了BG＋Array這種組合在Virtools里面的運用，合理利用這種組合，可以減少程序中很多冗余的代碼，大大提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，同時也可以提高代碼的復用率，為開發(fā)高質(zhì)量的系統(tǒng)帶來很多便利。本文只是介紹了Virtools中代碼封裝的一部分技巧，同時BG＋Array這種組合還有很大的改進空間，例如可以將這種組合與數(shù)據(jù)庫操作結(jié)合起來，通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動BG＋Array組合，從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并操作對象進行運動。

［1］ 陳玉川，王麗娟，胡青泥，等.基于Virtools機械加工實驗系統(tǒng)的研究［C］.第三屆東北、華北8省區(qū)市工程圖學學術(shù)研討會論文集.2010:156-159.

［2］ 劉明昆.三維游戲設(shè)計［M］.成都:四川出版集團，四川電子音像出版中心，2005.

［3］ 楊 琳，朱元昌，邸彥強，等.基于Virtools的光電經(jīng)緯儀成像系統(tǒng)仿真［J］.彈箭與制導學報，2012（05）:193-195，198.

［4］ 梁冠輝，朱元昌，邸彥強，等.基于 HLA/Virtools的高炮火控系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（21）:6 954-6 958，6 963.

［5］ 王 欣，賀建飚.精確同步Markov測試幀的研究與設(shè)計［J］.信息化縱橫，2009（06）:33-35.

［6］ 劉明昆.三維游戲設(shè)計師寶典——Virtools游戲開發(fā)工具篇［M］.四川:四川電子音像出版中心，2005.

［7］ 伍 剛.貝塞爾函數(shù)的計算機仿真研究［J］.攀枝花學院學報，2013，30（06）:105-107.