胡 瑩

(廣州大學(xué)實驗中心、網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代技術(shù)中心，中國廣州 510006)

為了在計算機的虛擬環(huán)境中生動形象地模擬自然環(huán)境之中人的視覺、聽覺、嗅覺以及運動等行為，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)運而生［1］.經(jīng)過近幾年的發(fā)展，該項技術(shù)已成為計算機領(lǐng)域的一個新型研究方向，獲得國內(nèi)外學(xué)者以及企業(yè)的廣泛關(guān)注并引起濃厚的研究興趣［2-3］.在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，三維建模是該技術(shù)的一個關(guān)鍵步驟和核心技術(shù)，也是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)［4］.由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要較高的實時性，而三維建模的優(yōu)劣直接影響整個這類系統(tǒng)的實時性［5］，這使得三維建模成為了此項技術(shù)的研究熱點，而三維建模流程的優(yōu)化又成為了重中之重.

目前，關(guān)于三維建模流程的優(yōu)化研究主要集中在模型階段，其中部分研究取得了較好的實際應(yīng)用效果［6-7］.然而，如果在三維建模之前各模型分塊不合理的話，就會導(dǎo)致建模過程耗時較大，從而大大降低系統(tǒng)的實時性.針對這種情況，論文基于過程的思想，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型優(yōu)化兩方面對整個三維建模流程進行優(yōu)化.同時，論文還提出了一個新型層次模型簡化算法以進一步縮減三維建模流程中模型間優(yōu)化的時間間隔.

圖1 三維建模優(yōu)化總體流程Fig.1 Optimized overall process of 3D modeling

1 三維建模總體優(yōu)化

在三維建模過程中，優(yōu)化是提高其性能的一個重要手段［8-9］，相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果直接決定了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運行效率和實時性.論文將優(yōu)化貫穿于整個建模過程之中，具體流程如圖1所示.

在圖1中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是按照模型分割或場景分塊原則對初始虛擬場景進行分割，建立層次結(jié)構(gòu)并依據(jù)建模層次調(diào)整原則對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整.在模型建立之后與模型優(yōu)化之前添加一個模型簡化，以克服流程中因分別對單個模型進行優(yōu)化而耗時多，從而導(dǎo)致模型間優(yōu)化的時間間隔較長的問題.而在模型優(yōu)化階段，則主要使用一些技術(shù)比如 LOD 技術(shù)［10］、消隱技術(shù)［11］、實例化技術(shù)［12］、紋理映射技術(shù)［13］等對模型進行處理.

2 三維建模結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

在三維建模過程中，全部虛擬場景以及相關(guān)實體模型的結(jié)構(gòu)一般是根據(jù)其中的各實體的位置、模型內(nèi)部以及模型間的結(jié)構(gòu)來確定，論文將采用層次結(jié)構(gòu)來加以組織.此種層次結(jié)構(gòu)組織方式可以快速地對虛擬場景進行分割，便捷地對實體模型進行管理，能夠?qū)δＰ蜆?gòu)建目標(biāo)一目了然，有效地減輕建模的工作量.

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，論文從微觀和宏觀兩個方面來優(yōu)化，其中微觀為模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，宏觀為場景結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基本思想就是先進行模型分割(或場景分塊)，再進行層次建模并最終進行集成.

2.1 場景分塊策略

在場景分塊中，論文將根據(jù)實際情況采用以下策略:①原則上不同類的物品分為一塊，例如:路標(biāo)、消防設(shè)備等;②同類物品原則上分為一塊，衛(wèi)生間、廁所等;③具備不同功能，但所屬大類基本相似且相互瀕臨的物品分為一塊，例如值班室與配電室，實驗室與機房等;④有時相互關(guān)聯(lián)度比較緊密的物體可分為一塊，例如大地與樹木等;⑤具有一定連接順序的連接體可以分為一塊，例如地下管線等.可能還會有其他可以劃分為一塊的策略，這需要在實際進行三維建模時具體分析來劃分.

2.2 層次建模策略

經(jīng)過場景分塊后，就需要對各種劃分塊的層次進行調(diào)整.論文將采用以下策略來進行層次建模:

①在建立模型時，盡力構(gòu)建層次型模型:把復(fù)雜的物體逐個分解成若干個簡單物體，盡量按照逐步求精的策略來分解;②在建模時，不管你是看見一個物體的全部還是只看見該物體的部分，都必須對這個物體整體來建模，為了避免對空間跨度較大的物體進行計算，在建模時應(yīng)盡量避免空間跨度較大的物體.③建模時，可視范圍內(nèi)相鄰的物體級別相同，對于級別相同的物體，在設(shè)置節(jié)點時依次從左往右設(shè)置.如果存在部分可見的物體，對這些物體對應(yīng)的節(jié)點進行刪除.④對于比較規(guī)則的物體，只要不影響真實感，就忽略其內(nèi)部等具體細節(jié)，只對其外形進行建模.⑤對于不規(guī)則的物體，依據(jù)各不規(guī)則部分的重要程度來進行建模，不重要的部分可用一些比如圓圈、長方形等簡單的形體來表示.

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)解決辦法

采用上述策略進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，會存在單元分割和層次細節(jié)技術(shù)這兩方面的難題.對此，本文解決辦法如下:①把虛擬場景進行分割以形成較小的單元，并且只渲染當(dāng)前場景中的實體，這樣就可以在場景調(diào)度時僅把若干小單元調(diào)入即可，從而提高虛擬系統(tǒng)的速度.②對分割形成的模型進行簡化，以保留模型中重要的視覺特征，從而使它們能夠被加速處理.

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略下的場景集成和調(diào)度管理

2.4.1 場景模型的集成 場景實體模型的構(gòu)建是按照場景層次結(jié)構(gòu)的劃分來進行的.各層次實體景觀構(gòu)建完以后再進行組合和集成，最終形成虛擬場景的整體模型.論文使用外部引用技術(shù)來進行場景模型的集成.外部引用是指在一個模型中可以調(diào)用另一模型的部分或者全部，并可以重新定義被調(diào)用模型的空間位置.在論文中的應(yīng)用是:將在外部環(huán)境創(chuàng)建的模型通過外部引用技術(shù)導(dǎo)入到3Dsmax環(huán)境中來，以實現(xiàn)場景模型的集成.

2.4.2 場景的調(diào)度管理 論文中場景的調(diào)度和管理是通過 Virtools開發(fā)工具來實現(xiàn)的.遵循的大原則是:靜態(tài)導(dǎo)入，動態(tài)調(diào)用.在系統(tǒng)實時運行時，采取的是動態(tài)導(dǎo)入，動態(tài)調(diào)用.例如:聯(lián)合站系統(tǒng)分為室外場景、游離水脫除器、電脫水器、加藥間、加熱爐、凈化油緩沖罐、離心泵、值班室、配電室等子系統(tǒng)，在系統(tǒng)運行前，將它們一次性地加載到Virtools中，等待系統(tǒng)調(diào)用，即靜態(tài)導(dǎo)入，動態(tài)調(diào)用.在系統(tǒng)運行時，根據(jù)用戶需求在系統(tǒng)菜單中選擇不同的子系統(tǒng)(如電脫水器子系統(tǒng))，進行實時顯示和操作，即動態(tài)導(dǎo)入，動態(tài)調(diào)用.

3 三維建模模型簡化策略

為了能較好地模擬現(xiàn)實，建模過程中構(gòu)建的模型趨向高精細化、高復(fù)雜化，這就需要較高的存儲量、較快的處理速度和傳輸率等.目前，這些因素嚴重制約了模擬現(xiàn)實技術(shù)的實時性，為此，有必要對模型進行簡化.為了減少系統(tǒng)的整體耗時、提高系統(tǒng)的整體實時性，論文將采用“總→分→總”的思想對模型進行分區(qū)簡化，也即先把某一整體區(qū)域劃分成若干個子區(qū)域，然后分別簡化各個子區(qū)域中包含的模塊，緊接著對簡化后的模型進行評估以判斷是否符合化簡原則、是否失真等，最后整合簡化結(jié)果.該簡化算法具體描述如下:

Step1:對任意區(qū)域，結(jié)合實際情況(比如物體位置、操作方位、觀察視點等)和包圍盒層次法來制定較為合理的待劃分的子區(qū)域數(shù)n.

Step2:對選定的某一區(qū)域，根據(jù)選定的n值進行層次結(jié)構(gòu)劃分，以確定待簡化的n個子區(qū)域;

Step3:利用網(wǎng)格簡化法對確定的任意一個子區(qū)域內(nèi)的模型進行簡化.

Step4:采用誤差測度對簡化的模型進行評估;沒通過評價的模型則繼續(xù)簡化;

Step5:依據(jù)模型實際布局，選取某種恰當(dāng)?shù)乃惴?，例?基于三角形的區(qū)域合并算法、基于高斯球的近似共面合并算法等，在n個方向?qū)€模型的簡化結(jié)果進行合并.

4 三維建模模型優(yōu)化策略

對模型進行優(yōu)化，在一定程度上可以提高建模整體實時性.根據(jù)三維建模過程中的實際情況，將對模型采取下面一些優(yōu)化策略:

(1)去除多余多邊形策略:在三維建模過程中，有些模型會存在一些多邊形，這些多邊形在場景瀏覽時一直處于不可見狀態(tài)，此時去除它們不會影響整體瀏覽效果且能降低建模耗時.為此，可以把那些處于場景瀏覽時實體模型之外的不可見部分去除掉.

(2)紋理替代策略:在三維建模過程中，若過分強調(diào)物體細節(jié)，不但工作量較大，而且模型復(fù)雜度也較大，從而大大降低整體建模實時性.合理采用紋理不僅能增強場景中物體真實感，而且還能降低建模復(fù)雜度［14］.為此，論文將把場景中的相應(yīng)模型用合理的紋理來代替.

(3)實例化策略:在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，實例化就是對庫中現(xiàn)存模型的引用，表面上同模型復(fù)制相同.但是，實例并非庫中真實的實體，而是眾多模型的一個影子，此時實物其實僅有一個，其他同類實物均可通過一系列變換而得到.這種情況下，在場景中顯示實體時，就可以只對某一實例的顏色、形狀、紋理等特征進行編輯，此時所有同類實體的屬性也隨之相應(yīng)改變.在場景中，如果一個實物在不同的位置多次被使用如果同一物體在場景中多次被使用，那么僅對該物體建立一個模型，以后不論何時何地使用，僅通過實例化方法引用此模型即可.這種方法不僅能夠節(jié)省大量內(nèi)存空間，而且還能提高建模速度.

(4)外部引用技術(shù)策略:外部引用可以讓用戶在當(dāng)前場景中根據(jù)需要把相應(yīng)文件或紋理引入進來并重新定位，這樣就可以把一個大的文件按需要分次下載到場景中，從而避免一次載入全部文件而帶來的耗時問題.因此，在初步建模之時，首先計算場景中個模型的總數(shù)比例，且僅在當(dāng)前場景中建立主干模型;然后在需要的地方或適當(dāng)時候，使用外部引用將相關(guān)輔助模型導(dǎo)入.這樣在一定程度上節(jié)省了內(nèi)存、提高了建模速度.

在實際過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況來選用上述優(yōu)化策略.

圖2 聯(lián)合站系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The joint station system basic structure

5 仿真實驗

5.1 仿真系統(tǒng)環(huán)境搭建

聯(lián)合站系統(tǒng)作為油田系統(tǒng)的一個重要組成部分，其接收各個中轉(zhuǎn)站的石油，然后進行脫水、加熱等一系列工序，之后輸送給相關(guān)單位進行存儲和銷售，該系統(tǒng)的實時性直接影響原油的產(chǎn)量.為了較好地體現(xiàn)論文所給優(yōu)化方法在實時性方面的優(yōu)越性，該實驗采用3Dsmax和Virtools開發(fā)工具對聯(lián)合站系統(tǒng)進行場景模擬，并使用SQL Server進行數(shù)據(jù)存儲.在實驗中，構(gòu)建的聯(lián)合站系統(tǒng)基本框架如圖2所示.

5.2 仿真結(jié)果及分析

由于整個聯(lián)合站系統(tǒng)較為龐大，本次仿真實驗僅實現(xiàn)了其中的4個罐體，以此來進行對比實驗.表1表示聯(lián)合站系統(tǒng)4個罐體在傳統(tǒng)三維建模流程和本文三維建模優(yōu)化流程下的總體耗時對比結(jié)果.圖3和圖4表示光照強度相同條件下，聯(lián)合站系統(tǒng)4個罐體在傳統(tǒng)三維建模流程和本文三維建模優(yōu)化流程下的最終建模效果對比.

表1 聯(lián)合站系統(tǒng)中4個罐體在本文流程和傳統(tǒng)流程下總體仿真耗時對比結(jié)果Tab.1 Compared results of overall simulation time under proposed process and traditional process on joint station system

圖3 傳統(tǒng)三維建模流程下的聯(lián)合站系統(tǒng)中4個罐體建?？傮w效果Fig.3 Overall modeling effect of four tanks under traditional 3D modeling process on joint station system

圖4 本文三維建模優(yōu)化流程下的聯(lián)合站系統(tǒng)中4個罐體建?？傮w效果Fig.4 Overall modeling effect of four tanks under proposed 3D modeling process on joint station system

從表1來看，本文設(shè)計的三維建模優(yōu)化流程能夠在一定程度上降低系統(tǒng)總體耗時，從而在一定程度上提高系統(tǒng)實時性.從圖3和圖4所示的建模總體效果來看，在光照強度相同的條件下，利用本文所給的三維建模優(yōu)化流程進行的建模效果較逼真，清晰度較強.

經(jīng)分析，產(chǎn)生上述實驗結(jié)果原因如下:

(1)本文在對建模流程優(yōu)化的同時，也對場景的真實性進行了一定程度的優(yōu)化和保證，這使得利用本文所給的三維建模優(yōu)化流程進行的建模效果較好，清晰度較強.

(2)在保證建模效果的同時，對模型采用所提的簡化算法進行簡化，并利用去除多余多邊形策略、紋理替代策略、實例化策略和外部引用技術(shù)使用策略對模型進行優(yōu)化，這在一定程度上減少了系統(tǒng)總體耗時，提高了系統(tǒng)的實時性.

6 結(jié)束語

論文對三維建模進行研究，基于過程優(yōu)化思想，提出了一個新的三維建模流程優(yōu)化方法.同時，針對其中的模型簡化也進行了研究，提出了一個層次性模型簡化算法.通過模擬聯(lián)合站系統(tǒng)實驗表明，所提三維建模流程優(yōu)化方法在建模總體效果和實時性兩個方面，都具有一定的優(yōu)越性.

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