龔星宇,常心坦

(1.西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

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一種數(shù)字礦山快速漫游的層次建模方法

龔星宇1,常心坦2

(1.西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

針對(duì)虛擬數(shù)字礦山中三維場(chǎng)景渲染速度問題，以提高漫游過程細(xì)節(jié)層次的建模速度為目標(biāo)，通過對(duì)三維場(chǎng)景中各模型的相關(guān)性定義，提出了一種快速結(jié)構(gòu)分層建模方法。首先利用漫游場(chǎng)景中規(guī)則模型的視點(diǎn)相關(guān)性組織細(xì)節(jié)層次，通過結(jié)構(gòu)分層有效組織和管理礦山漫游三維場(chǎng)景，從而減少場(chǎng)景程序文件容量；其次利用視點(diǎn)相關(guān)性提出的動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)算法，計(jì)算礦山各結(jié)構(gòu)分層動(dòng)態(tài)顯示系數(shù)；以簡(jiǎn)單、快速的方式構(gòu)建動(dòng)態(tài)變化下的場(chǎng)景模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山各結(jié)構(gòu)塊不同細(xì)節(jié)層次顯示的虛擬漫游。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效減小程序文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山三維場(chǎng)景的快速漫游。

虛擬現(xiàn)實(shí);數(shù)字礦山；渲染優(yōu)化；場(chǎng)景管理；視點(diǎn)相關(guān)

0 引 言

伴隨數(shù)字?jǐn)z影、地理信息系統(tǒng)和三維可視化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字礦山應(yīng)用已成為煤炭行業(yè)研究的發(fā)展趨勢(shì)和信息化建設(shè)的重要方向[1-2]。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化建模為目標(biāo)，生成實(shí)景虛擬礦山漫游系統(tǒng)，讓瀏覽者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

作為計(jì)算機(jī)技術(shù)中應(yīng)用熱點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于園區(qū)場(chǎng)景的虛擬漫游可視化[3-4]。但是對(duì)于數(shù)字礦區(qū)這樣大規(guī)模多類數(shù)據(jù)集的高速交互式三維場(chǎng)景可視化仍具有極大的挑戰(zhàn)性，其主要原因在于場(chǎng)景渲染速度問題[5-6]。細(xì)節(jié)層次(LOD)技術(shù)是解決此類問題流行的優(yōu)化方法之一，通過降低模型的視覺質(zhì)量來(lái)提高渲染效率[7-8]，高分辨率場(chǎng)景數(shù)據(jù)渲染采用LOD技術(shù)可以提高三維立體地形可視化及實(shí)時(shí)漫游效果[9]。研究者從網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法和層次劃分方法2方面[10-11]已經(jīng)作了大量研究并取得成果。文獻(xiàn)[12]把用戶感興趣區(qū)域ROI融入LOD模型，在不明顯降低原始模型的表面細(xì)節(jié)信息前提下，平均減少27%的內(nèi)存容量；文獻(xiàn)[13]利用LOD技術(shù)產(chǎn)生基于形狀特征分析和變形區(qū)域保存技術(shù)的漸進(jìn)式變形網(wǎng)格；文獻(xiàn)[5]為提高渲染速度，采用視點(diǎn)相關(guān)的DEM數(shù)據(jù)分塊策略。但是以上方法對(duì)于動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景沒有提供直接的細(xì)節(jié)層次解決方法。

文中針對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的LOD問題，從數(shù)字礦山場(chǎng)景空間結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言自身特點(diǎn)，提出一種結(jié)構(gòu)分層方法和計(jì)算各分層結(jié)構(gòu)間動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)的算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山各結(jié)構(gòu)塊不同細(xì)節(jié)層次顯示的快速虛擬漫游。

1 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)分層法

在數(shù)字礦山虛擬漫游中，假設(shè)V為當(dāng)前視點(diǎn)，場(chǎng)景中每個(gè)物體距離視點(diǎn)V不同。虛擬環(huán)境中為了逼近真實(shí)世界，各物體不是實(shí)際顯示真實(shí)模型大小，而是根據(jù)其距離V的遠(yuǎn)近程度，顯示對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)層次模型，即：近者為較細(xì)模型，遠(yuǎn)者為較粗模型[14]。如果對(duì)數(shù)字礦山場(chǎng)景中的每個(gè)虛擬物體，都分別建立由細(xì)到粗的細(xì)節(jié)層次模型，結(jié)果必然會(huì)產(chǎn)生龐大的模型文件。

若能對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，則會(huì)形成結(jié)構(gòu)化模型。LOD模型以結(jié)構(gòu)塊為單位而不是單個(gè)物體，會(huì)在很大程度上減小程序文件?；谝陨峡紤]，這里提出數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層方法：即對(duì)V視點(diǎn)下的數(shù)字礦山場(chǎng)景集合M，按照從左向右、從上向下的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，表示為集合Wi，其中1≤i≤6，如圖1所示。在此結(jié)構(gòu)化處理基礎(chǔ)上進(jìn)行LOD處理。

圖1 結(jié)構(gòu)化分層原理示意圖

圖1中，按照結(jié)構(gòu)化分層方法場(chǎng)景M被分成6部分，各部分與背景集合B共同組成M.并且使Wi∩Wj=Φ.即結(jié)構(gòu)化的各集合互不相交并相互獨(dú)立，且交集為空集。另外，W1∪Wi∪…W6∪B=M，即各結(jié)構(gòu)塊Wi與背景集合B共同構(gòu)成全集。

實(shí)際中的數(shù)字礦區(qū)三維場(chǎng)景不一定如圖1結(jié)構(gòu)完整，為了具體化結(jié)構(gòu)分層方法的應(yīng)用，這里對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。當(dāng)前視點(diǎn)場(chǎng)景集合m，按照從左向右、從上向下的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，表示為集合wi，其中，1≤i≤4，在此結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)上做LOD處理。

簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)分層的結(jié)果如圖2所示。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)分層后同樣具有wi∩wj=Φ和w1∪wi∪…w6∪b=m的關(guān)系，其中b表示簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)后的背景集合。

圖2 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)化分層示意圖

圖2中，視點(diǎn)V的移動(dòng)軌跡用向量X表示。隨著V的變化，wi顯示的模型層次呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，具體變化過程通過動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)描述，計(jì)算方法在下一節(jié)介紹。

2 結(jié)構(gòu)塊動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)算法

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山虛擬漫游，應(yīng)該為視點(diǎn)設(shè)定漫游路徑。路徑變化過程中，結(jié)構(gòu)塊發(fā)生細(xì)節(jié)層次變化，這一變化與模型到視點(diǎn)的距離有關(guān)。

設(shè)視點(diǎn)X沿指定路徑移動(dòng)，結(jié)構(gòu)塊顯示的層次模型與權(quán)系數(shù)η相關(guān)，η與結(jié)構(gòu)塊和視點(diǎn)之間距離d有關(guān)。結(jié)構(gòu)塊同時(shí)受其他結(jié)構(gòu)塊的影響，共同形成動(dòng)態(tài)變化過程。設(shè)原模型為W，則當(dāng)前需要顯示的層次模型W′為

W′=η·W，

(1)

如果把結(jié)構(gòu)塊分為如圖1的6塊形式，用I表示各結(jié)構(gòu)塊之間的影響因子矩陣，則I可以表示為

(2)

其中iij表示第i個(gè)結(jié)構(gòu)塊對(duì)第j個(gè)結(jié)構(gòu)塊的影響因子， 1≤i≤6,1≤j≤6.那么某個(gè)結(jié)構(gòu)塊i的動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)ηi可以通過下式計(jì)算

(3)

式(3)中的β表示歸一化因子，其中1≤i≤6,0≤ηi≤1.

結(jié)構(gòu)塊動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)算法步驟為

試驗(yàn)段施工前，對(duì)下路床頂高程、中線、寬度、平整度、壓實(shí)度進(jìn)行驗(yàn)收。檢驗(yàn)合格后，根據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)線點(diǎn)恢復(fù)該段的路線中樁及邊樁，安排人員灑出路基中、邊線。

Step1初始化各結(jié)構(gòu)塊η值；

Step2用式(3)計(jì)算沿指定路線移動(dòng)后各結(jié)構(gòu)塊η值；

Step3用式(1)計(jì)算當(dāng)前模型層次；

Step4轉(zhuǎn)步驟2.

3 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分層細(xì)節(jié)建模表示方法在數(shù)字礦山虛擬漫游中的作用，文中對(duì)實(shí)際數(shù)字礦山地面場(chǎng)景做結(jié)構(gòu)化分層實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML和Java編程，將本文提出的結(jié)構(gòu)化分層方法和動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)算法應(yīng)用于三維數(shù)字礦山動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的LOD處理，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1 數(shù)字礦山場(chǎng)景結(jié)構(gòu)化分層

假設(shè)礦山場(chǎng)景當(dāng)前視點(diǎn)在V下，按照本文提出的結(jié)構(gòu)化分層原理，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分層。在場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化即視點(diǎn)V移動(dòng)過程中，視點(diǎn)會(huì)進(jìn)入某一個(gè)結(jié)構(gòu)塊內(nèi)，此時(shí)按照第一節(jié)方法繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分層。結(jié)構(gòu)化分層之后，以結(jié)構(gòu)塊場(chǎng)景為單位，建立LOD模型。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中，按照第二節(jié)算法的計(jì)算結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的層次模型。

如果用VRML中自帶的LOD節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)字礦山場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)節(jié)層次處理，則需要為場(chǎng)景中每一個(gè)物體的LOD節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序。與結(jié)構(gòu)化分層相比較，LOD節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序會(huì)較大。隨著場(chǎng)景復(fù)雜度的增加，需設(shè)計(jì)的LOD節(jié)點(diǎn)成線性增長(zhǎng)。而結(jié)構(gòu)化分層思想按照視覺空間位置信息，把礦山場(chǎng)景分成圖1或是圖2的結(jié)構(gòu)化形式，按照?qǐng)D2簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)化分層，將左上部分物體歸入w1，左下部分物體歸入w3，右上部分物體歸入w2,右下部分物體歸入w4，完成結(jié)構(gòu)化分層工作，最后結(jié)果如圖3,圖4和圖5所示的效果。

圖3 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層場(chǎng)景1

圖4 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層場(chǎng)景2

圖5 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層場(chǎng)景3

3.2 結(jié)果分析

在圖3，圖4，圖5所示數(shù)字礦山場(chǎng)景基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于第二節(jié)動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)算法的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的文件比較見表1，表2，表3所示。按照自左向右、自上而下的順序?qū)Y(jié)構(gòu)塊進(jìn)行編號(hào)，3個(gè)表格依次列出各結(jié)構(gòu)塊和總場(chǎng)景采用結(jié)構(gòu)化分層原理與未采用結(jié)構(gòu)化分層原理的程序文件大小。

表1 場(chǎng)景1文件大小比較Tab.1 Comparison of the scene 1 file size 字節(jié)

表2 場(chǎng)景2文件大小比較Tab.2 Comparison of the scene 2 file size 字節(jié)

表3 場(chǎng)景3文件大小比較Tab.3 Comparison of the scene 3 file size 字節(jié)

通過表1，表2，表3的數(shù)據(jù)比較可以看出，本文提出的結(jié)構(gòu)化分層LOD方法能夠有效減小VRML文件。w1文件平均減少10%，w2文件平均減少4%，w3文件平均減少6%，w4文件平均減少4%，m文件減少8%。結(jié)構(gòu)塊包含物體越多，文件減少就越明顯。

表4，表5，表6進(jìn)一步說明本文所提方法的有效性，分別列出數(shù)字礦山場(chǎng)景3倍復(fù)雜度時(shí)使用結(jié)構(gòu)分層LOD方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4 3倍復(fù)雜度場(chǎng)景1文件大小比較Tab.4 Comparison of the three times scene 1 file size 字節(jié)

表5 3倍復(fù)雜度場(chǎng)景2文件大小比較Tab.5 Comparison of the three times scene 2 file size 字節(jié)

表6 3倍復(fù)雜度場(chǎng)景3文件大小比較Tab.6 Comparison of the three times scene 3 file size 字節(jié)

三倍復(fù)雜度數(shù)字礦山場(chǎng)景中，w1文件平均減少12%，w2文件平均減少8%，w3文件平均減少9%，w4文件平均減少7%，m文件平均減少10%.三倍復(fù)雜度場(chǎng)景比原場(chǎng)景減少文件平均多4.8%.可見本文提出的結(jié)構(gòu)分層LOD方法尤其對(duì)復(fù)雜礦山場(chǎng)景及包含物體較多的結(jié)構(gòu)塊效果會(huì)更加顯著。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)算法的動(dòng)畫漫游效果基本不影響動(dòng)畫質(zhì)量。充分表明本文所提出方法的有效性和實(shí)用性。

4 結(jié) 論

本文以數(shù)字礦山漫游為應(yīng)用背景，在VRML動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，利用結(jié)構(gòu)分層方法對(duì)礦山場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，形成分層結(jié)構(gòu)化的LOD模型。結(jié)構(gòu)化分層方法以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)模型組動(dòng)態(tài)LOD表示和礦山場(chǎng)景模型文件的縮減，總結(jié)研究?jī)?nèi)容與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

1)本文提出的方法能有效減小程序文件且有較好的動(dòng)畫效果；

2)能有效提高數(shù)字礦山漫游的渲染速度；

3)增強(qiáng)了數(shù)字礦山漫游的真實(shí)感。

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A method of level modeling for digital mine’s fast roaming

GONG Xing-yu1,CHANG Xin-tan2

(1.CollegeofComputerScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Aiming at the problem of the rendering speed in digital mine and in order to improve the rate of level of detail modeling in Digital Mine roaming，a new fast LOD method based on structure level modeling is proposed using the view-depend of model in roaming scene to organize the level of detail.First，organize and manage mine roaming three-dimensional scene effectively using structure level to reduce the total digital mine scene file.Secondly，using the proposed algorithm of dynamic weight coefficient，the dynamic display coefficient of each mine structure block level is calculated.Finally，the 3D scene model of digital mine in dynamic changes can be constructed by a simple and fast way to realize the virtual roaming in structure block level.Experimental results show that this method can effectively reduce the program file，and achieve fast roaming for 3D scene of digital mine.

virtual reality；digital mine；rendering optimization；scene management；view-depend

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0119

1672-9315(2015)01-0110-05

2014-10-20責(zé)任編輯:高 佳

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012JQ8035)；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(2013JK0870)

龔星宇(1982-)，男，寧夏平羅人，博士研究生，講師，E-mail:gxyonline@gmail.com

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