張威　榮佳

摘要：通過仿真高速鐵路車站和電務設備的建模實例，提出了在鐵路局域網(wǎng)等類似低帶寬網(wǎng)絡環(huán)境下通過運用模型優(yōu)化、模型與圖型的混用、燈光的設置、紋理貼圖的使用、視角控制等方面的技術(shù)建立復雜實際設備時的具體思路和方法，并探討了在大場景環(huán)境中采用的表現(xiàn)手法。為虛擬現(xiàn)實平臺的搭建過程提供了清晰有效的建模思路及優(yōu)化方法。

關鍵詞：高速鐵路；虛擬現(xiàn)實；三維模型；場景優(yōu)化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）24-0174-03

1概述

隨著鐵道信號仿真模擬演練培訓系統(tǒng)的大面積普及和應用，構(gòu)建覆蓋全路的仿真培訓系統(tǒng)，必須依托鐵路內(nèi)部已有的廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，應用P2P技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。現(xiàn)存的最大問題是使用三維場景表現(xiàn)事物，數(shù)據(jù)體積較大，在網(wǎng)絡中傳輸對帶寬要求高，因此必須解決鐵路局域網(wǎng)帶寬低、接入方式多、不穩(wěn)定等問題，同時考慮低端客戶機在顯示三維場景時的執(zhí)行能力。在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡硬件結(jié)構(gòu)的前提下有兩種解決方法，一是使用先進的網(wǎng)絡技術(shù)采用多線程，預先加載數(shù)據(jù)、多點吸取數(shù)據(jù)的辦法提高數(shù)據(jù)傳輸效率。二是優(yōu)化三維場景中的模型數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下縮小數(shù)據(jù)體積。第一種方法僅可解決網(wǎng)絡傳輸問題，而第二種方法既可以減輕網(wǎng)絡傳輸負擔，又可減低客戶機的硬件配置要求。本文以建立高鐵車站和電務相關設備為例，重點研究第二種，即三維場景的建立和優(yōu)化方法。

2高鐵車站及設備建模優(yōu)化方法的研究

2.1明確數(shù)據(jù)組織需求

分析項目需求，明確設備需要檢修的位置，零部件，電壓電流測試方法，端子等情況，計劃建模數(shù)據(jù)類型與程度，總結(jié)分析結(jié)果，提出模型面數(shù)最優(yōu)化的建模方案。高鐵車站作為最大的環(huán)境場景來說，不但要求具備天空、線路、站臺、房屋、列車等主要模型元素，還需對一些應該具備交互功能的設備建立起三維數(shù)據(jù)的可視化模型，還要能對這些數(shù)據(jù)進行操作，如道岔、轉(zhuǎn)轍機、軌道變壓器箱盒等。

2.2建立空間位置的場景坐標系

三維模型在場景中一定是參照某一坐標系放置的，在虛擬高鐵車站大場景中以鋼軌為基準建立整個場景的世界坐標系，確定鋼軌位置以及列車上、下行運行方向后，確定站臺、房屋位置，每一個物體都定義其局部坐標系，分別在局部坐標系中完成物體的創(chuàng)建后，將模型置入完整的場景中，進一步確定各個模型之間的相互位置。定義正確的坐標系在構(gòu)造場景和后續(xù)定義模型動作屬性的過程中可以為表示模型和設計動作提供位置參照基礎。

2.3選擇模型尺度

虛擬高鐵車站所包含的模型種類、數(shù)量與場景精度均與采用的尺度息息相關。尺度一般是指觀察研究的物體或過程的空間分辨度和時間單位。尺度的變化會影響信息被觀察、表達、分析和傳輸?shù)脑敿毘潭萚1]。

根據(jù)場景表現(xiàn)的需要，按照高鐵車站可控視角劃分為三個級別的尺度，

1） 設備內(nèi)部尺度：應用于具體某一設備的內(nèi)部動作原理、設備檢修調(diào)整、設備故障處理等場景，表現(xiàn)齒輪、螺絲、接線端子等微觀設備元器件。

2） 設備集中區(qū)尺度：應用于某個區(qū)域內(nèi)多臺設備聯(lián)合工作時的外部動作原理、設備檢修調(diào)整、設備故障處理等場景，表現(xiàn)設備外殼、鋼軌道床以及各設備之間的連接關系。

3） 車站全景尺度：應用于全景漫游場景以及切換其他視角尺度時的過渡場景，表現(xiàn)地表、列車、站臺、房屋等物體。

2.4構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)及組合連接關系

通常大型虛擬場景采用的都是有層次的模型結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)分層定義之后，便可以開始對場景實施組織管理，將需要建立的模型根據(jù)類型、用途、位置分別建模，確立建模目標和建模流程，從而有效縮短建模時間。

元器件之間通過組合關系建?？梢詷?gòu)成各種組合連接關系。這些關系可以使模型的某些部件實現(xiàn)共同移動、旋轉(zhuǎn)、形變等動作、同時為后續(xù)定義模型的物理屬性以及運動屬性提供了基礎支持。常見的組合關系主要包括齒輪咬合之間的嚙合面連接、設備間使用彈簧連接等關系。

2.5消除冗余多邊形

在初步建立好的模型中都存在可有可無的幾何元素，不但會增加面數(shù)，而且在旋轉(zhuǎn)觀察模型或執(zhí)行動作時會出現(xiàn)畫面閃爍的現(xiàn)象。在建模過程中存在冗余面幾乎不可避免，冗余元素主要包括點、線、面以及體等，通常均是不可見的。消除冗余的、不可見的多邊形，可以減輕系統(tǒng)負擔，提高場景實時運行的速度[2]。

三角形是圖形圖像顯示系統(tǒng)中使用最廣泛的圖形描繪元素，研究如何消除冗余多邊形的方法其實就是研究消除不必要三角形的方法。在構(gòu)建虛高鐵車站的過程中主要使用以下兩種方法：

2.5.1 基于聚類操作的三角形網(wǎng)格優(yōu)化

計算思路是依據(jù)模型的外觀將模型使用的空間劃分成數(shù)個立方體單元，通過對立方體單元中各個頂點位置中典型的點進行計算，用典型的點代表屬于相同立方體單元中的其他頂點，最后移去不需要的三角形，如圖1所示。

2.5.2 基于刪除操作的三角形網(wǎng)格優(yōu)化

如圖2所示為頂點刪除網(wǎng)格簡化算法，圖3為三角形刪除網(wǎng)格簡化算法。在此類算法中，被刪除的元素為點、邊和面三類。算法建立在分析頂點，邊以及面片的重要程度的基礎上，將其中不重要的元素刪除，對遺留下的空間重新進行三角形化來填補[3]。

通常場景中的可視角度是有限制的，某些器件始終位于不可見位置，將它們刪除或隱藏對場景完全沒有影響，卻能極大提高場景加載和運行的速度。以高速鐵路無碴軌道道岔為例，在制作線路時，鋼軌只有軌面可見，因此，可以將鋼軌軌底和道床部分的模型面刪掉以減低模型面數(shù)，如圖4所示。其余現(xiàn)場設備均按此方法進行了優(yōu)化。

通過消除冗余多變形可以大量降低模型面數(shù)，減小模型文件體積。道床場景的初始面數(shù)為44872面，經(jīng)優(yōu)化后，降低為32429面，減少了28%，對應的模型文件體積由初始的3.58M縮小為2.91M，達到了優(yōu)化的目的。

2.6 使用紋理技術(shù)優(yōu)化

在構(gòu)建車站場景模型的過程中，紋理的地位非常重要，極具真實感的紋理最能反映現(xiàn)實世界。紋理制作包括建筑物紋理、地表紋理、鋼軌紋理、路基紋理、各類設備紋理等等。

采用現(xiàn)場照片作為紋理貼圖“貼在”模型表面是提高場景真實程度行之有效的方法，不但可以替代物體表面復雜的多邊形，還可以在場景中較遠或不重要的位置代替相關模型。通過紋理映射優(yōu)化，場景的讀取速度和運行實時渲染速度比單純使用模型的場景要提高很多，而且進一步提高了場景真實程度。建筑物以及轉(zhuǎn)轍機在車站全景尺度下完全可以使用只有六面的長方形基本體，配以設備貼圖的方法來顯示，取得良好的視覺效果

2.7 使用實例化技術(shù)優(yōu)化

當同一三維場景中存在所處空間位置不同，但基本幾何特征相同的兩個及以上三維模型時，可以只建立其中任意一個模型，然后在任何需要該模型的位置定義一個指向其原始模型的指針，這樣就通知系統(tǒng)在運行該場景時在該位置映射一個原始模型。實例化技術(shù)就好比一個幾何體根據(jù)條件變化可以擁有多個影子，而實際物體只有一個，眾多影子是實際物體執(zhí)行平移，旋轉(zhuǎn)，縮放操作后得出的[4]。

2.8 使用LOD技術(shù)優(yōu)化

根據(jù)模型在場景中所處的距離遠近和重要程度來決定渲染模型所需的資源分配量，即對于不同的模型或模型的不同細節(jié)采用分層次的顯示表現(xiàn)形式。當某一模型距離在遠端、模型體積較小或在場景中不是主要表現(xiàn)對象時，采用低精度模型予以表現(xiàn)，反之則使用高精度的模型進行表現(xiàn)[4]。一個模型在某一場景中是重點表現(xiàn)級別的模型，在另一個場景中則無關緊要。因此針對同一模型需要滿足不同場景調(diào)用的需要，必須建立不同精度的模型，然后根據(jù)場景需求選擇使用高、中、低三種模型級別。如圖5所示，為ZD（J）9型轉(zhuǎn)轍機在三種不同場景尺度下抽象模型、粗糙模型以及精細模型所表現(xiàn)出的不同效果以及各自的實際面數(shù)。

2.9 使用外部引用技術(shù)優(yōu)化

外部引用技術(shù)的基本思想是將一些在構(gòu)建場景時沒有創(chuàng)建的模型或其他格式文件加入到當前實時運行的場景中來，并讓其定位于事先設計好的位置，執(zhí)行預定的任務。此技術(shù)的好處顯而易見，例如在車站尺度場景中需要臨時表現(xiàn)某個設備集中區(qū)尺度場景或設備內(nèi)部尺度場景時，可以臨時引用所需的場景文件，執(zhí)行場景任務，在完成交互任務后只需停止引用文件，則場景恢復到引用前的狀態(tài)。這樣就避免了重復建模，同時外部文件只有在引用執(zhí)行時才占用消耗系統(tǒng)資源，停止引用后立即釋放占用的資源。

3 結(jié)論

高鐵車站的設備都是由多個復雜元器件組合而成，可分為機械類、電氣類以及兩者的混合類型。因此必須對設備的外形以及內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)有清晰的了解，將復雜形體分解為簡單形體的組合，同時為了實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)在復雜網(wǎng)絡環(huán)境條件下的迅速傳輸，必須在模型真實感和模型數(shù)據(jù)體積之間尋找平衡點。也就是說在滿足使用者視覺效果感受的前提下，綜合運用各種優(yōu)化方法，最大限度的優(yōu)化模型。

參考文獻：

[1] 吳凡. 地理空間數(shù)據(jù)的多尺度處理與表示研究[D]. 武漢： 武漢大學， 2002：11-12.

[2] Algorri M.，Schmitt F..Mesh simplifieation[J].Computer Graphics Forum，1996，15（3）：77-86.

[3] 周昆，潘志庚，石教英.一種新的基于頂點聚類的網(wǎng)格簡化算法[J].自動化學報，1999，25（1）：1-8.

[4] 洪光，李洪儒，牟建國.基于Creator的三維模型的簡化[J].計算機仿真，2004，21（1）：57-58.