鄒紅 楊紅 崔曉微 安向明 大慶師范學(xué)院計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院

虛擬仿真場景及交互漫游系統(tǒng)*

鄒紅 楊紅 崔曉微 安向明 大慶師范學(xué)院計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院

以大慶師范學(xué)院主校區(qū)為原型，利用3dsMax構(gòu)建三維模型，借助VR—Platform引擎交互漫游的功能優(yōu)勢，生成三維虛擬場景漫游系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多種漫游效果，既可以制作場景展示效果，又可以用于特殊場景的培訓(xùn)、演練等。此系統(tǒng)制作的經(jīng)驗和方法，可以廣泛地應(yīng)用于油田各個行業(yè)虛擬漫游系統(tǒng)的制作中，尤其是制作虛擬崗位培訓(xùn)，將是一種高水平、高效率、低費用的培訓(xùn)模式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

虛擬現(xiàn)實；數(shù)據(jù)；漫游系統(tǒng)；建模

1 虛擬場景的構(gòu)建

開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)面臨的問題是場景的真實度和整體布局設(shè)計。結(jié)合地形圖、場景規(guī)劃圖和實際測量計算，用Auto CAD作整體布局設(shè)計，再利用3dsMax將CAD繪制的二維地形圖和模型框架建成三維模型，導(dǎo)入VRP虛擬現(xiàn)實平臺實現(xiàn)漫游和交互功能，用戶可多視角地瀏覽場景全貌。通過與數(shù)據(jù)庫連接，還可以了解場景信息、觀看視頻等。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

制作模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包括搜集圖紙、實地測量計算、拍攝照片等，然后用Auto CAD繪制地形和建筑模型的二維圖形。由于受建筑物的高度、拍攝距離及相機自身成像特點的影響，拍攝的像片往往比例失調(diào)，須對每張圖片使用圖形處理軟件Photoshop進(jìn)行技術(shù)處理，如去除圖片中的雜景、扭曲、光線陰暗，調(diào)整比例、色階等。還有一些建筑因為建成時間久遠(yuǎn)，建筑墻體和配套設(shè)施老化，需要在Photoshop軟件中對圖像進(jìn)行修復(fù)拼接處理，以便建模參考和做紋理貼圖材質(zhì)使用。

1.2 三維場景建模

結(jié)合前期收集到的建筑物數(shù)據(jù)和拍攝的圖像，將Auto CAD中繪制場景二維平面圖導(dǎo)入3dsMax做底圖，在3dsMax中通過對底圖上的建筑平面Extrude進(jìn)行建筑物模型創(chuàng)建。針對建筑物不同的外形，運用修改器Modify面板中的Polygon對模型進(jìn)行具體修改，獲得準(zhǔn)確的形狀模型。對于復(fù)雜的建筑，還要通過插入頂點、連接、倒角、擠出等各種操作進(jìn)一步細(xì)化，使模型與實際建筑相符。場景中的大部分建筑模型、地物模型均使用這樣的方法建造，而作為場景裝飾的花草樹木、人物等，則采用Boarding和Doubleboarding技術(shù)進(jìn)行建模，以減少場景模型的面數(shù)。采用Boarding方式建模時，模型命名需加前綴“bb-”，這樣在交互場景中模型會跟隨鏡頭改變角度。

1.3 模型及場景優(yōu)化

過多的使用模型處理命令會大大增加模型的面數(shù)和點數(shù)，所以在建模時要注意優(yōu)化，既方便材質(zhì)的處理，又可提高系統(tǒng)整體運行速度。

模型的優(yōu)化方法：①在維持模型顯示效果的前提下，使用盡可能少的點、面和多邊形；②盡量不使用布爾運算和切割工具，用增加點和點間連線的方法減少面的數(shù)量和出錯的可能性；③不用或看不到的面全部刪除掉；④盡量統(tǒng)一比例，減少組合階段不必要的麻煩；⑤建模時數(shù)據(jù)的小數(shù)點位數(shù)不應(yīng)太多，以提高運行速度。

場景優(yōu)化方法：①將模型導(dǎo)入到VRP之前，對其相同材質(zhì)的模型進(jìn)行塌陷，并防止平移、旋轉(zhuǎn)等操作時出現(xiàn)問題；②建模完成后對模型再次添加Editable Poly進(jìn)行優(yōu)化，并且根據(jù)不同建筑物的外觀，采取相同建筑部件公共使用的原則，降低和減少在建模過程中的工作量和復(fù)雜程度。

1.4 紋理貼圖

場景的模型可以用Polygon加紋理貼圖的方法來代替精細(xì)模型。如果只展現(xiàn)模型外觀，建筑的門窗、雨檐等都可以用紋理貼圖代替，且不分離對象。用“UnwrapUVW”配合“UVWmaping”進(jìn)行更精確的貼圖操作，這樣可以大大降低模型的個數(shù)和總面數(shù)。

1.5 材質(zhì)烘焙及模型導(dǎo)出

通過上述方法建模后，還需要對模型進(jìn)行烘焙。烘焙能把在非實時環(huán)境中渲染完成的燈光材質(zhì)等效果轉(zhuǎn)換到實時交互的環(huán)境中，即把3dsMax光照信息渲染成貼圖，然后再把烘焙后的貼圖回貼到場景中。尤其使用“多維/子對象”材質(zhì)，在導(dǎo)入VRP的過程中會出現(xiàn)錯誤，需要通過烘焙才能成功地導(dǎo)出。由于烘焙紋理的質(zhì)量直接影響最終效果，所以提高烘焙技術(shù)至關(guān)重要。烘焙時要考慮不同紋理貼圖的分辨率大小，分組進(jìn)行烘焙。玻璃、不銹鋼、水等材質(zhì)不需烘焙，在VRP中調(diào)節(jié)即可。

2 交互漫游的實現(xiàn)

虛擬漫游系統(tǒng)一般可完成場景的固定線路瀏覽和虛擬角色漫游等功能。

三維模型導(dǎo)入VRP后，先對部分材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，改變材質(zhì)過濾方式，將不正常顯示的透明材質(zhì)改為“使用貼圖Alpha”；對于Boarding和Double-Boarding方法創(chuàng)建的模型要進(jìn)行雙面渲染。

為了便于交互，要設(shè)計一個交互界面，放置按鈕、操作提示信息、圖形LOGO、導(dǎo)航圖等，用戶通過該界面可以輕松地對系統(tǒng)進(jìn)行自由瀏覽和自主漫游。

2.1 角色與相機設(shè)置

在場景中添加相機，用來呈現(xiàn)漫游中所感受到的視覺效果?？梢詣?chuàng)建行走、飛行和動畫相機，通過設(shè)置不同的相機水平角度、相機高度等屬性（也可將行走相機綁定到場景中的人物或汽車上），實現(xiàn)固定線路游覽，還可用飛行相機鳥瞰整個虛擬漫游場景的概貌。同時可在場景中創(chuàng)建角色，通過模仿真實的人物來達(dá)到場景虛擬漫游的效果，為角色綁定角色控制相機，然后用鼠標(biāo)或鍵盤控制角色行走達(dá)到漫游效果。

2.2 鼠標(biāo)事件和導(dǎo)航設(shè)置

在場景中設(shè)置相應(yīng)的按鈕并添加按鈕的鼠標(biāo)事件，通過腳本控制點擊鼠標(biāo)左鍵、右鍵或鼠標(biāo)劃過時進(jìn)行各種操作。漫游者可以根據(jù)設(shè)定的按鈕來更加直接、直觀地選擇并進(jìn)行漫游活動。

導(dǎo)航圖可使人物在虛擬場景漫游時更加具有方向感和方位感，并隨時了解所處的位置。導(dǎo)航效果的制作關(guān)鍵是箭頭游動范圍邊界坐標(biāo)的確定，需在3dsMax中捕捉導(dǎo)航范圍的坐標(biāo)值。在VRP導(dǎo)航屬性中將在3dsMax中記錄的各個坐標(biāo)值輸入，完成實時導(dǎo)航效果的創(chuàng)建。用鼠標(biāo)點擊導(dǎo)航圖中的某個點，可以快速地將角色切換到場景中的相應(yīng)位置，提高了漫游效率，增強了交互性。

2.3 數(shù)據(jù)庫連接

虛擬場景的交互功能是讓用戶不僅能夠看到場景的外貌，還能了解到場景的相關(guān)信息，這些資源信息用Access數(shù)據(jù)庫存儲。在VRP平臺中連接好數(shù)據(jù)庫，并將建筑模型與數(shù)據(jù)庫信息綁定，通過腳本設(shè)置信息顯示窗口。在VRP場景運行時，可以點擊場景中的某一建筑、物體或區(qū)域，實時查詢相關(guān)信息。用戶對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，場景內(nèi)相應(yīng)的信息也隨之更新。

3 結(jié)語

以大慶師范學(xué)院主校區(qū)為原型，利用3dsMax構(gòu)建三維模型，借助VR—Platform引擎交互漫游的功能優(yōu)勢，生成三維虛擬場景漫游系統(tǒng)。此類場景漫游系統(tǒng)既可以制作場景展示效果，又可以用于特殊場景的培訓(xùn)、演練等。此系統(tǒng)制作的經(jīng)驗和方法，可以廣泛地應(yīng)用于油田各個行業(yè)虛擬漫游系統(tǒng)的制作中，如石油勘探、石油開采、石油化工等行業(yè)的虛擬仿真系統(tǒng)，尤其是制作各行業(yè)的虛擬崗位培訓(xùn)，將是一種高水平、高效率、低費用的培訓(xùn)模式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.013