宗傳玉

建筑漫游動畫制作中的虛擬現(xiàn)實技術研究

宗傳玉

宗傳玉

湖南工程職業(yè)技術學院

宗傳玉，碩士研究生，講師、工藝美術師，湖南工程職業(yè)技術學院教師。

虛擬現(xiàn)實技術是當今世界廣泛應用的一項高新技術，具有“沉浸性”、“交互性”、“想象性”等重要特征，大量應用在城市規(guī)劃、數(shù)字樓盤等建筑漫游動畫中，基于虛擬現(xiàn)實技術的建筑漫游動畫能夠讓使用者身臨其境的觀察建筑的宏觀和細微處，并給其帶來超強的視覺、聽覺體驗，其中建模技術和交互技術是虛擬現(xiàn)實技術的關鍵技術之一。

虛擬現(xiàn)實技術（簡稱“VR”）是一種先進的數(shù)字化人機接口技術，它利用計算機技術能夠生成一個集視覺、聽覺和觸覺等多感知的逼真虛擬環(huán)境。該技術發(fā)源于美國，最先在城市規(guī)劃領域引入，現(xiàn)如今，美國已有超過50個城市建立了虛擬城市系統(tǒng)，其中最為著名的是加利福尼亞大學開發(fā)的“虛擬洛杉磯”項目成果。近年來，虛擬現(xiàn)實技術在我們國家各行各業(yè)也有應用，如鐵道車輛運行、航空航天、城市交通智能、城市規(guī)劃等行業(yè)或領域，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，該項技術將會得到更為長足的發(fā)展，在各行各業(yè)中發(fā)揮它的神奇作用。

虛擬現(xiàn)實技術的特征

1993年，世界電子年會上發(fā)表的《虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及其應用》一文中，提出一個關于虛擬現(xiàn)實特征的三角形，簡明表示了虛擬現(xiàn)實技術的3個最突出特征，即沉浸性、交互性和想象性。

圖1 虛擬現(xiàn)實特征三角形

沉浸性

沉浸性也稱存在感、臨場感、浸沒感，指參與者置身于虛擬世界當中的真實程度。虛擬現(xiàn)實技術最顯著的特點就是讓操作者由之前被動觀察者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c者，使操作者如同在真實世界中一樣感受到身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實技術的沉浸感主要通過人體的觸覺、聽覺、味覺、視覺等感官感知，導致“沉浸感”的原因是用戶對計算機環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺，讓用戶感覺自己是虛擬環(huán)境中的一部分，就像在“真實”世界中一樣。

交互性

交互性主要是指參與者通過使用專門的硬件設備（如三維鼠標、頭盔顯示器等）與虛擬世界以自然的方式（如手勢、語言、肢體動作等）如同在真實環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，達到對虛擬環(huán)境進行考察與操作的目的。在建筑動畫中，交互技術使得參與者產(chǎn)生“沉浸感”，注重的是使用者的親身參與，而不是被動的接收信息，交互是多感知的，參與者可以通過不同的方式和客體進行交互。例如，當你在虛擬建筑中漫游，參觀者可以通過所戴的頭盔顯示器與客體進行交互，這樣景物會隨著頭部的轉(zhuǎn)動，不斷更新并實時展示給參觀者。

想象性

想象性也稱“構(gòu)想性”，是包括虛擬現(xiàn)實技術等一切技術的基礎。在虛擬世界中，不僅可以構(gòu)建人為模擬的真實環(huán)境，也可以構(gòu)想未來的、不存在或不會發(fā)生的環(huán)境，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且能夠使用戶沉浸于虛擬環(huán)境中獲取新知識，并提高認識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)想。對于建筑漫游動畫的虛擬現(xiàn)實來說，想象存在于設計者創(chuàng)作過程中和用戶體驗虛擬環(huán)境的過程中，虛擬動畫中的任何物體并不是完全照搬現(xiàn)實，虛擬環(huán)境無論多么逼真，也不等同于現(xiàn)實，建筑動畫中若缺少了想象性，虛擬現(xiàn)實技術也就缺少了藝術美。

建筑漫游動畫中虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵技術研究

虛擬現(xiàn)實涉及的關鍵技術主要有：大規(guī)模數(shù)據(jù)的三維建模技術、三維自然交互技術、三維交互軟件及系統(tǒng)集成技術等，其中三維建模技術和交互技術是虛擬現(xiàn)實技術中最重要的領域，也是關鍵技術之一。

三維建模技術研究

要構(gòu)造一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)首先需要的是足夠真實的虛擬環(huán)境，三維場景模型是建筑動畫中的主要組成部分，也是可視化場景生成技術的一項重要研究內(nèi)容，為了使操作者產(chǎn)生身臨其境的沉浸感，必須構(gòu)建足夠真實的虛擬環(huán)境。

三維建模工具

（1）以Pro/Engineer為代表的精確建模軟件

Pro/Engineer系統(tǒng)是美國參數(shù)技術公司的產(chǎn)品，它繼承了曲面建模、自由造型、實體建模、圖形渲染等功能，這類精確建模軟件更多的是面向工業(yè)領域，以便生成靜態(tài)模型，運用到建筑漫游動畫中時，模型在導入仿真系統(tǒng)前先要刪除多余的屬性數(shù)據(jù)和不必要的多邊形，還要對一些面進行重組處理等。

（2）以3D MAX為代表的三維動畫制作軟件

比如Maya、3D MAX、Soft Image等都能夠非常方便創(chuàng)建各種各樣逼真的三維模型，而且其豐富的插件提供了很好的擴展性，輸出的3ds格式文件能被大多數(shù)三維模型軟件所引用，3D MAX是目前世界上應用最廣泛的三維建模、動畫軟件，能夠渲染出質(zhì)感極強的畫面效果，但渲染時間較長，不能滿足對模型進行實時渲染的要求。

（3）以MultiGen Creator為代表的虛擬現(xiàn)實建模軟件

這類工具相比較其它工具在方法上有較大不同，考慮更多的是運行的實時性，常用的虛擬現(xiàn)實建模工具有MultiGen Creator和虛擬現(xiàn)實建模語言（簡稱VRML）等。VRML語法簡單且容易創(chuàng)建三維立體模型和場景，但有描述復雜面形體和用結(jié)點來“寫”模型不直觀的劣勢，而MultiGen Creator性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好，具備很多建模軟件沒有的優(yōu)點，非常適合用于建筑漫游動畫制作。

虛擬現(xiàn)實建模的關鍵技術

目前很多仿真模擬系統(tǒng)融入了虛擬現(xiàn)實技術，下面從建筑漫游動畫的角度對比研究比較常用的基于虛擬現(xiàn)實建模的關鍵技術。

細節(jié)層次模型技術

即LOD技術，細節(jié)層次模型就是為每個物體建立多個不同分辨率的模型，當物體離視點較近時，采用分辨率高的模型，可以觀察到模型的豐富細節(jié)，離視點較遠時，可以采用分辨率較低的模型，這樣觀察到的細節(jié)逐漸模糊。實時選擇相應分辨率的模型，可以避免繪制意義不大的細節(jié)造成時間浪費，生成層次LOD的方法主要有：細分法、采樣法和刪減法。細分法是用非常簡單的基模型表示初始模型，然后迭代細分基模型，每一步向模型的局部區(qū)域增加越來越多的細節(jié)。采樣法是通過隨機抽取一些點來初始化多邊形模型，通過較少的多邊形數(shù)重建初始模型且滿足采樣點處的誤差估計。刪減法主要通過幾何移去模型單元來簡化。

紋理映射技術

紋理映射是提高對象物真實感的主要方法，可將任意的平面圖形或圖像覆蓋到三維模型表面，使模型表面形成逼真的色彩花紋，使用紋理能夠增加細節(jié)水平及景物的真實感，減少了環(huán)境中的多邊形數(shù)目，提高了圖像的顯示速度。同時，采用紋理映射的方法可以大大簡化建模的過程，例如，用建模的方法建造一棟大樓表面，需要畫出樓的每一扇門，而采用紋理映射，則只需建立簡單的幾何體模型，再用大樓外觀圖片貼至其表面即可。

（3）實例化技術

實例化技術其實是圖形學運算中為了減少計算機的負荷而采用的一種算法，若同一物體在不同場景中多次使用，可以只建一個模型，在以后的使用中運用實例的方法引入該模型即可，可通過坐標變換在不同的位置顯示同一個模型。使用實例化技術可以大大減少多邊形的數(shù)量，從而節(jié)省內(nèi)存，在分布式的仿真中也減少了數(shù)據(jù)的傳輸量。

實例技術運用到一些基本原理變換，例如平移變換，若點P（x，y，z）平移到（tx，ty，tz）位置，則平移方程為：

交互式漫游技術研究

交互設計是虛擬建筑漫游動畫的重點，它包括虛擬場景中物體的移動、縮放等，還包括事件設計，人機交互設計等，主要包括交互式漫游和固定路徑漫游兩類。

交互式仿真軟件Vega

Vega是MultiGen-Paradigm公司開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實仿真軟件，利用Vega開發(fā)平臺和工具集可以開發(fā)出具有實時性和交互性的應用程序，它具備完整的C語言程序接口API，還包括友好的用戶圖形界面LynX，它是一個能滿足大多數(shù)視景仿真要求的開發(fā)系統(tǒng)，能通過它本身提供的場景構(gòu)造工具構(gòu)造場景，在用場景播放器播放場景過程中可以使用外部設備（如鼠標）進行交互操作。

交互式漫游關鍵技術

（1）自主漫游技術

自主漫游是利用鼠標和鍵盤，根據(jù)參與者的觀賞興趣隨時隨地進行路線的改變，VR基本模塊提供了不同類型的運動模式，在漫游時，首先要定義自己的運動形式。常見的有前進、后退、左右移動、上升、下降、俯視、仰視等漫游動作。在虛擬現(xiàn)實建筑動畫漫游時，對視點的控制實質(zhì)是對相機進行設置與控制，有行走相機、飛行相機、繞物旋轉(zhuǎn)相機、角色跟蹤相機等相機控制方式。

（2）路徑漫游技術

路徑漫游是通過預先設置好的漫游路徑方式來實現(xiàn)，這種方式不被外界干擾，自動對整個建筑進行瀏覽，在虛擬現(xiàn)實平臺中，路徑漫游可以通過動畫相機來實現(xiàn)，將場景導入虛擬現(xiàn)實平臺后，按照事先設定的路線，錄制動畫來實現(xiàn)路徑漫游。例如，我們要參觀某處住宅空間，從進門到客廳、廚房、臥室等要事先設定好行走路線以及起點和終點，而這條路線就是漫游的路徑。

結(jié)語

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在各個領域的應用前景廣泛、技術潛力巨大，從某種意義上說，它改變了人們的思維方式，改變?nèi)藗儗κ澜纭⒖臻g、時間等的看法，虛擬技術發(fā)展到現(xiàn)在，雖然較之以前取得了很大進步，但還存在很多未解決的技術難題，為了提高系統(tǒng)的沉浸性、交互性、想象性及逼真性等，在新型傳感和感知機理、圖形圖像處理以及人工智能等方面還有很多問題需要我們進一步解決。

該文系湖南省教育廳科學研究項目《基于虛擬現(xiàn)實技術的交互式建筑動畫制作研究》（課題編號：13C196）階段性成果之一。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.038