伍樂生

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虛擬現(xiàn)實技術(shù)中建筑場景的模型優(yōu)化策略

伍樂生

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 漳州 363000）

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要在與用戶交互中實時繪制場景，場景模型的復(fù)雜度和交互實時性之間的矛盾是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行的主要問題，如何在保證效果的前提下減少模型數(shù)據(jù)量是虛擬現(xiàn)實設(shè)計中一個比較突出的問題，文章對虛擬現(xiàn)實設(shè)計中建筑場景的模型優(yōu)化策略進(jìn)行了研究，總結(jié)了建筑場景模型優(yōu)化的方法。

虛擬現(xiàn)實；模型優(yōu)化；交互性；實時性

1 引 言

“虛擬現(xiàn)實”譯自英文“Virtual Reality”，有時也簡稱為“VR”技術(shù)，是20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來的新興技術(shù)。虛擬現(xiàn)實的概念可以簡單概括為：“借助計算機及相應(yīng)的技術(shù)手段建立虛擬的媒體空間，用來模擬表現(xiàn)真實或設(shè)想的環(huán)境，使用者可以通過傳感交互設(shè)備實現(xiàn)與虛擬環(huán)境進(jìn)行“交互”，實現(xiàn)虛擬漫游、改變視點等自主行為，再加上逼真的多媒體感受，使得使用者可以“沉浸”到虛擬環(huán)境中，獲得身臨其境的感受。”這種技術(shù)打破了傳統(tǒng)方法感知現(xiàn)實環(huán)境受空間、時間的限制，極大地拓展了人們感知客觀世界的認(rèn)識方法，實現(xiàn)了人們跨越時空對環(huán)境進(jìn)行感知的追求，其“實時交互”的特點打破了傳統(tǒng)表現(xiàn)形式的局限，有力推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

2 應(yīng)用于建筑展示的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域是實現(xiàn)對建筑物的虛擬構(gòu)建和智能漫游。通過虛擬建筑模型，建筑設(shè)計師可以預(yù)先驗證設(shè)計方案的創(chuàng)意可行性和論證技術(shù)合理性，另外，通過虛擬建筑模型，可以向來訪者預(yù)先展示建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間分布,另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以用于建筑施工過程模擬、歷史性建筑模擬、防災(zāi)模擬等，虛擬現(xiàn)實就建筑視覺模擬的可行性而言，具有非常重要的意義及廣泛的應(yīng)用。

目前在建筑環(huán)境的計算機輔助表現(xiàn)上常見的表現(xiàn)形式有：效果圖、三維動畫、虛擬現(xiàn)實，三者對比如表1所示。

建筑表現(xiàn)中效果圖采用靜態(tài)圖片的表現(xiàn)形式，與傳統(tǒng)的手繪、照片等靜態(tài)圖像表現(xiàn)手法如出一轍，能表達(dá)基礎(chǔ)的三維信息，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步制作更加快捷，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。建筑動畫的“動態(tài)”表現(xiàn)形式更加生動地表達(dá)了更加豐富的三維信息，但由于觀察路線和角度被固定的動畫路線所限定，觀察處于被動狀態(tài)，觀察的自主性受到限制，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)給用戶提供了一種主動觀察的方式，可以如同現(xiàn)實世界一樣自由觀察，能達(dá)到如同親臨現(xiàn)場的感受，使得觀察者能夠最全面地感受到場景的三維信息，將成為建筑場景展示的新趨勢。

表1 建筑環(huán)境表現(xiàn)形式對比

3 虛擬建筑場景的建模技術(shù)

虛擬場景的在計算機里的構(gòu)建通常又簡稱為“建?！?，如何又快又真實地在計算機里構(gòu)建出虛擬場景是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個討論主題，構(gòu)建模型有兩種主要思路，一種是利用計算機圖形學(xué)技術(shù)在三維坐標(biāo)體系中用多邊形構(gòu)建三維幾何模型，稱為“基于幾何模型”的建模技術(shù)，另一種建模方式是“基于圖像”的建模技術(shù)，使用真實場景中的圖像作為輸入，依據(jù)這些圖像提取三維信息采用一定的算法來構(gòu)建三維場景，兩種建模技術(shù)由于原理的不同使得它們具有各自的優(yōu)勢，同時也存在不同的缺點，將二者進(jìn)行對比如表2所示。

表2 兩種基本建模技術(shù)對比

從上述對比可以看出，兩種場景模型的構(gòu)建技術(shù)各有優(yōu)缺點，一個較好的策略是結(jié)合二者的優(yōu)點，取長補短，混合建模的思路由此而生?！盎趲缀文Ｐ图皥D像”的混合建模技術(shù)希望能揉合二者的優(yōu)點，揚長避短、取長補短，其基本思想是先利用“基于圖像”的建模技術(shù)構(gòu)造虛擬場景的環(huán)境來獲得逼真的視覺效果，同時對虛擬環(huán)境中用戶要與之交互的對象利用“基于幾何模型”的建模技術(shù)來進(jìn)行實體構(gòu)建，這種混合建模的方法既能避免復(fù)雜場景幾何模型的大量計算，也增加了場景的真實感，有效地提高了“實時性”，另一方面，需要具體展示的對象的“交互性”也得到了有效的保證。

盡管“基于幾何模型及圖像”的混合建模技術(shù)的思路揉合了兩種建模技術(shù)的優(yōu)勢，但是在實現(xiàn)過程中仍然遇到種種技術(shù)上的困難，如：兩種不同建模技術(shù)建出來的模型如何融合、交互時場景的變換及無縫連接等問題有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中場景繪制的主要問題

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求能在交互式的幀頻率下實時繪制場景，場景模型的復(fù)雜度和交互實時性之間的矛盾是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行的主要問題，當(dāng)然這種矛盾的存在的另一個客觀原因也在于虛擬現(xiàn)實應(yīng)用發(fā)展的另一個重要制約因素，暨現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)帶寬成為瓶頸限制了數(shù)據(jù)的實時傳輸規(guī)模。

由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要實時繪制不斷隨用戶交互操作而變換的場景，其數(shù)據(jù)量比傳統(tǒng)的靜幀圖片展示要大得多，盡管目前網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不斷提升，小型場景的在線實時交互還能較為順暢，而復(fù)雜場景交互時實時繪制的數(shù)據(jù)量非常龐大，以現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度還不能很流暢地進(jìn)行傳播。因此，在保證效果的前提下如何減少數(shù)據(jù)量的大小成為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)的一個關(guān)鍵問題，筆者通過研究和實踐總結(jié)了一些模型優(yōu)化策略。

5 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中建筑場景的模型優(yōu)化策略

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中場景模型的多邊形數(shù)據(jù)量直接影響虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運行速度，制作場景在建模時應(yīng)充分對模型進(jìn)行優(yōu)化以減少模型的數(shù)據(jù)量，如果到了運行后才發(fā)現(xiàn)模型問題時需要返回到3ds max里對模型進(jìn)行重新編輯，然后再次烘培，最后在重新導(dǎo)入到場景中，這將帶來了諸多浪費和損失，因此，建模時要科學(xué)組織模型的結(jié)構(gòu)、減少模型的冗余度，適時靈活地采取一些專門的優(yōu)化技術(shù)以減少模型文件大小，從而提供模型的繪制速度，以保證虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)順暢的的實時交互。

5.1 初始建模應(yīng)創(chuàng)建簡模

把效果圖的模型拿過來直接用是不推薦的，效果圖的模型一般精細(xì)程度都比較高，一幅照片級的效果圖往往需要較長的時間才能渲染出來，其模型的數(shù)據(jù)量一般都較大，而虛擬現(xiàn)實場景的互動需求要求能達(dá)到較好的實時性，這就要求模型的數(shù)據(jù)量盡可能小，因此，在視覺效果可以接納的前提下減少模型的復(fù)雜程度直接影響了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行的順暢程度，應(yīng)遵循游戲場景的建模方式創(chuàng)建簡模，如：圓柱邊數(shù)一般要控制在10以內(nèi)，使用曲線擠出時要注意控制線的段數(shù)。必要時候可以使用折線形式來代替曲線。如圖1所示。

圖1 盡可能減少邊（段）數(shù)

現(xiàn)實存在的室外場景可以使用google衛(wèi)星地圖作為建模參考，在google衛(wèi)星地圖中找到目標(biāo)建筑物后保存為圖片，將圖片導(dǎo)入3ds max中使用二維樣條線勾勒出輪廓，然后擠出建筑物的高度，圖2~圖4為一個校園虛擬現(xiàn)實場景的實例。

圖2 google衛(wèi)星地圖

圖3 依據(jù)衛(wèi)星地圖圖像構(gòu)建建筑物

圖4 室外虛擬場景建模實例

5.2 及時刪除模型中起不到作用的面和點

在虛擬現(xiàn)實場景中只需要表現(xiàn)視點可見的模型表面，而視點看不見的面對場景來說是多余的，建模時將這些面及時予以刪除能有效降低模型數(shù)據(jù)量，例如：對于不進(jìn)入建筑內(nèi)部的虛擬環(huán)境來說，模型背面、內(nèi)部以及坐落在地面上的建筑底面、模型落搭時相對被包裹的小的面以及其他被遮擋的部分，對模型結(jié)構(gòu)與貼圖坐標(biāo)起不到作用的點和面也要刪除以節(jié)省數(shù)據(jù)量，如圖5~圖9所示，將物體轉(zhuǎn)換成Mesh或Poly，然后切換到Polygon（面）或Point（點）級別下，將該模型中起不到作用的面和點選擇出來進(jìn)行刪除。

圖5 位于模型底部的面可刪除

圖6 模型中多余的面和點應(yīng)及時刪除

圖7 模型中重合的面可刪除

圖8 模型間重疊面可刪除

圖9 相交的面可刪除

5.3 修正模型中面的對齊關(guān)系

如果模型出現(xiàn)兩面（點）之間出現(xiàn)縫隙、錯位或兩面重疊的情況，會造成場景漫游時發(fā)現(xiàn)閃面或破面的情況，創(chuàng)建模型時，利用捕捉使模型的點與點之間相互對齊，不要出現(xiàn)面之間有縫隙或錯位導(dǎo)致面出現(xiàn)交叉的情況（如圖10所示），模型搭建后要檢查、修正模型中面的對齊關(guān)系。

圖10 模型的面或點應(yīng)精確對齊

5.4 使用貼圖方法表現(xiàn)復(fù)雜模型

建筑場景中常見的結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜的花草樹木以及一些長條形鏤空物體，如樓梯、窗框、鐵藝大門及欄桿等，在虛擬現(xiàn)實場景中最好不要將這些造型復(fù)雜的物體做成模型，這種細(xì)長條的物體如果用建模方法表現(xiàn)其細(xì)節(jié)的話在實時渲染時往往會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，而且將會極大地增加模型的數(shù)據(jù)量，如圖11所示。

圖11 細(xì)長條物體或鏤空物體不宜用模型表現(xiàn)細(xì)節(jié)

圖12 用Alpha通道描述鏤空

對于細(xì)長條物體或鏤空物體可以利用貼圖的方式來表現(xiàn)，這需要創(chuàng)建一張位圖賦予透明貼圖以制造鏤空效果，使用Photoshop給貼圖創(chuàng)建一個Alpha通道，透明部分在通道中表示為黑色；不透明部分通道中表示為白色；Alpha通道不允許有灰色。如圖12所示。

鐵藝大門、欄桿等鏤空物體由于只用一個面加貼圖的方式來表現(xiàn)，而模型烘焙時不支持雙面，因此欄桿模型不能賦予雙面材質(zhì)，場景中視點需要經(jīng)過欄桿時可以在3ds max中原地復(fù)制一個物體并反轉(zhuǎn)法線作為欄桿的另一個面。如果視點高于面的邊界將會看到面的邊緣薄片形狀，影響真實感，這種情形下可以在欄桿上方加一個有寬度的矩形以形成視覺上的厚度，如圖所示。

圖13 寬度方向處理后避免看到面邊緣

圖14 用交叉面片物體貼鏤空貼圖來表現(xiàn)樹木

在制作室外場景時，難免會遇到大量的綠化問題，如果用多邊形建模來構(gòu)建花草樹木的話，模型的數(shù)據(jù)量將急劇增加，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的交互運行，此時可以采用交叉的面片物體貼鏤空貼圖的方法來表現(xiàn)。如圖14所示。

5.5 用合并、塌陷等方法減少模型個數(shù)

場景中相同材質(zhì)的模型應(yīng)盡量合并以減少模型數(shù)量，這對于降低整個場景的數(shù)據(jù)量有很大的幫助，方法是將模型轉(zhuǎn)換成Edit Mesh，然后采用Attach或Collapse等方法進(jìn)行合并，經(jīng)過實驗對比，合并后模型個數(shù)的減少有效地加快了場景的運行速度。

合并時也要注意合并后模型面數(shù)不宜過大，建議不超過10萬個，但如果模型的相隔距離較遠(yuǎn)而且面數(shù)過多時也不建議對它們進(jìn)行合并，這種情形下的合并無益于運行速度的提升，有時反而會使得情況變糟。

5.6 使用實例物體減少內(nèi)存占用

在創(chuàng)建建筑環(huán)境場景時，會用到許多相同或類似的幾何體，如一些路燈、樹木、垃圾箱等，如果對它們逐個創(chuàng)建然后存儲，在渲染時無疑會占用計算機大量的內(nèi)存和硬盤空間并減慢處理時間，從而影響實時顯示速度。將這些相同物體實例化可以極大地節(jié)約內(nèi)存空間，從而可以在增加同類物體數(shù)量的同時不增加運行開銷，不增加多邊形數(shù)量，而且數(shù)據(jù)庫中每個實例可按需要進(jìn)行比例縮放后應(yīng)用，使用時內(nèi)存僅調(diào)用一次，大大加快了顯示速度，在編輯相同物體時實例技術(shù)也顯示其極大的優(yōu)越性，修改或編輯其中的一個對象時，如修改其形狀、材質(zhì)紋理時與之相關(guān)聯(lián)的其他對象都將同時發(fā)生改變。

5.7 模型分布適當(dāng)均勻

模型分布的均勻性在一定程度上也會對系統(tǒng)的運行速度產(chǎn)生影響，運行到分布密度大的區(qū)域時，模型的繪制量也大，運行到分布密度小的區(qū)域時，模型的繪制量又變小，在一定的硬件條件下會產(chǎn)生運行時快時慢的現(xiàn)象，因此，場景規(guī)劃時也應(yīng)適當(dāng)考慮模型分布的均勻性，如圖15所示。

圖15 盡可能使模型分布較為均勻

圖16 控制相鄰面的距離

圖17 面與面距離太遠(yuǎn)

5.8 控制相鄰面的距離

對于表面需要靠得很近或疊在一起的兩個物體的模型（如大廈立面懸掛的廣告牌等），面與面的距離不宜貼得太近，應(yīng)保持一定的距離，否則容易出現(xiàn)兩個面交替出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象。建議模型相鄰面間的間距小于當(dāng)前場景最大尺度的萬分之五，在圖16的大廈立面懸掛的廣告牌中，廣告牌與大廈的的立面距離至少要達(dá)到3 cm，同時在側(cè)面不能看到特別明顯的兩個面間的距離，當(dāng)然距離太遠(yuǎn)也同樣不合適，如圖17所示。

6 結(jié) 論

為了實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的三維復(fù)雜環(huán)境的虛擬現(xiàn)實的模型優(yōu)化，本文對建筑場景的模型優(yōu)化的策略進(jìn)行研究分析，探索了有效精簡模型的方法，從而較好地解決了虛擬現(xiàn)實場景構(gòu)建中在保證效果的前提下減少數(shù)據(jù)量的瓶頸問題。

[1] 任海軍，文俊浩，徐玲.一種三維數(shù)字城市的構(gòu)建和實現(xiàn)方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2006，29（3）：101-104.

[2] 高云瓊，徐建剛.一種城市三維建模的集成處理方法[J].中國圖象圖形學(xué)報，2002，7（3）：282-286.

The Mode Optimization Strategies of Building Scene in Virtual Reality Technology

WU Le-sheng

(Department of Architural Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000，China)

The virtual reality system always renders scene in real-time during interacting with the users .The main problem of the running of virtual reality system is the contradiction between the complexity and real-time interaction of the scene mode. Under the premise of ensuring the effect, how to reduce the data volume of the mode is a more prominent problem in virtual reality design. This article studies on the mode optimization strategies of building scene in virtual reality design and summarize the mode optimization methods.

virtual reality; mode optimization; interaction; real-time

TU205

A

1673-1417（2014）01-0001-07

2014－01－06

福建省教育廳科技計劃項目（JB10238）

伍樂生（1972－），男，福建長樂人，副教授，工學(xué)碩士，主要研究方向：計算機輔助設(shè)計。

（責(zé)任編輯：季平）