李婷婷，余慶軍

(大連東軟信息學(xué)院 數(shù)字藝術(shù)系，遼寧 大連 116023)

0 引 言

近年來，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機(jī)處理器能力顯著增強(qiáng)，圖形繪制技術(shù)顯著提高，促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality，VR)由美國人Jaron Lanier提出，可以讓用戶置身于一個虛幻環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，在建筑、醫(yī)療、軍事、航天等領(lǐng)域都有涉及，其中虛擬場景漫游作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要應(yīng)用，近年來已成為研究熱點。例如，美國的Stanford大學(xué)、Washington大學(xué)等主要研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跟蹤、識別、運動對象動態(tài)跟蹤等領(lǐng)域，并取得了突破性的進(jìn)展[2-5]；浙江大學(xué)針對桌面虛擬漫游系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)了一套虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)[6]；清華大學(xué)針對虛擬現(xiàn)實臨場感進(jìn)行研究，取得了較好的真實感效果[7]。在傳統(tǒng)虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，文中基于OpenGL技術(shù)開發(fā)交互式虛擬漫游系統(tǒng)，并詳細(xì)討論了交互式場景漫游的一些關(guān)鍵技術(shù)，為交互式虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

OpenGL是由SGI公司推出的一種圖形與硬件的接口，包括120個圖形函數(shù)，開發(fā)者可以用這些函數(shù)來建立三維模型和進(jìn)行三維實時交互。由于其強(qiáng)大的圖形可視化功能且易于使用，已被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 漫游系統(tǒng)設(shè)計

圍繞交互式虛擬漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)需求，將系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為四個模塊，其中建模模塊是利用OpenGL庫函數(shù)進(jìn)行場景模型的3D建模，并采用VC++語言實現(xiàn)整個虛擬場景的搭建，交互模塊主要通過鍵盤交互方式向用戶發(fā)送并接收交互指令，比如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、開燈等功能。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 基于幾何建模的虛擬場景構(gòu)建

基于幾何方式構(gòu)建虛擬場景，首先需要根據(jù)場景模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)造虛擬的三維景觀中的模型結(jié)構(gòu)；然后按照場景顯示的需求，再采取紋理映射、光照等數(shù)學(xué)模型加以渲染；最后加入交互控制，實現(xiàn)虛擬漫游效果。

2.1 繪制地面

場景中地面繪制采用紋理映射方式實現(xiàn)[8-9]，通過將紋理貼圖映射到地面上實現(xiàn)地面真實感繪制需求，地面紋理貼圖效果如圖2所示。具體實現(xiàn)時，首先采用一個二維數(shù)組來定義紋理，然后將二維紋理表面到三維景物表面做一個映射，實現(xiàn)紋理貼圖效果。

圖2 地面紋理貼圖

2.2 繪制天空盒子

為虛擬場景增加天空盒子，能夠極大地增加整個場景的真實感程度[10]。考慮到真實感和渲染速度，系統(tǒng)選用了盒子方法生成天空。首先在場景中構(gòu)建一個六面體，然后制作天空盒紋理，最后進(jìn)行紋理貼圖。天空盒紋理圖片如圖3所示。

圖3 天空盒紋理圖片

2.3 繪制建筑模型

虛擬現(xiàn)實場景中的模型繪制是虛擬場景的基礎(chǔ)[11]，也是系統(tǒng)最為復(fù)雜的一部分，因為模型構(gòu)造的質(zhì)量直接影響到虛擬場景的真實感和沉浸感。文中構(gòu)建的交互式虛擬漫游系統(tǒng)包括室外場景和室內(nèi)場景。為了提高場景真實感，在系統(tǒng)中加入了很多細(xì)節(jié)模型，比如蛋糕、小狗、仙人掌、爐子等。另外考慮到系統(tǒng)開銷，在構(gòu)建模型時盡量采用多邊形構(gòu)建加紋理貼圖方式實現(xiàn)，部分代碼如下所示：

void DrawSence(void)

{glPushMatrix();

drawObject(50.0,5.0,50.0,0.0,-5.647,-10.0,0,0.0,0.0,0.0,78,78,78,78,78,78);

drawObject(9.2,5.0,25.0,-11.0,-5.646,-10.1,0,0.0,0.0,0.0,80,80,80,80,80,80);

drawObject(1.0,0.01,0.8,-0.4,-0.646,-0.4,0,0.0,0.0,0.0,77,77,77,77,77,77);

glPopMatrix(); }

3 虛擬場景交互功能實現(xiàn)

3.1 光源添加

物體表面向空間給定方向輻射的光強(qiáng)可應(yīng)用光照模型進(jìn)行計算[12]。場景光源添加時除了要考慮光源照射在物體表面產(chǎn)生的反射光外，還要考慮周圍環(huán)境的光對物體表面的影響[13]。因此，系統(tǒng)在場景建模時為其加入了環(huán)境光、漫射光這兩種光源，光源開啟前后對比如圖4所示。具體實現(xiàn)時，首先要創(chuàng)建、選擇光源，并為光源定位；然后根據(jù)gllight(Glenum pname,Glfloat param)定義光照的類型和參數(shù)；最后調(diào)用函數(shù)glEnable()啟動各個光源。光源部分代碼如下所示：

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,LightAmbient);

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,LightDiffuse);

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_POSITION,LightPosition);

glEnable(GL_LIGHT1);

圖4 光源開啟前后對比圖

3.2 粒子特效

為了增加系統(tǒng)真實感，在構(gòu)建房屋場景時加入虛擬煙霧粒子。粒子系統(tǒng)是Revess在1983年提出的不規(guī)則物體建模方法，幾何特征簡單，可以采用多邊形來表示，非常適合模擬自然界中云、雨、霧等特效[14]。

3.2.1 定義粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

粒子結(jié)構(gòu)中包含的粒子屬性主要有粒子的生命數(shù)值、初始速度、初始坐標(biāo)等多項特性。系統(tǒng)中定義的粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

typedef struct//粒子結(jié)構(gòu)

{ float life;//粒子生命周期

float fade;//粒子衰減速度

float r;//粒子顏色

float g;//粒子顏色

float b;//粒子顏色

float x;//粒子x方向位置

float y;//粒子y方向位置

float z;//粒子z方向位置

float xi;//粒子x方向加速度

float yi;//粒子y方向加速度

float zi;//粒子z方向加速度

float xg;//粒子x方向重力加速度

float yg;//粒子y方向重力加速度

float zg;//粒子z方向重力加速度

}

particles;

3.2.2 粒子出生

粒子出生過程即根據(jù)設(shè)計好的噴泉粒子屬性讓粒子出生，為每一個噴泉粒子進(jìn)行屬性賦值，這個過程需要在初始化函數(shù)中用循環(huán)實現(xiàn)。

3.2.3 粒子的運動

系統(tǒng)中煙霧粒子的運動近似于斜上拋運動，具體粒子屬性更新如下所示：

位置：P(fi)=P(fi-1)+S(fi-1)*(fi-fi-1)。

速度：S(fi)=MS+RAND()*VS+A*(fi-f0)。

顏色：C(fi)=MC+RAND()*VC+△C*(fi-f0)。

透明度：T(fi)=MT+RAND()*VT+△T*(fi-f0)。

生存期：L(fi)=L(fi-1)-1。

其中，fi為幀號；△C和△T分別為粒子的顏色變化率和透明變化率。

3.2.4 粒子的繪制

主要是對粒子的屬性初值進(jìn)行設(shè)定。每個周期都要對粒子的屬性進(jìn)行更新，對粒子進(jìn)行添加、刪除和移動操作，然后對粒子進(jìn)行繪制，主要代碼如下：

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texture[0]);

AddParticles(); //添加新的粒子

MoveParticles(); //粒子運動函數(shù)

DeleteParticles(); //刪除粒子

3.2.5 粒子死亡

每一個粒子在初始化時都被賦予了生命值，隨著時間的流逝，粒子的生命值在逐漸衰減，當(dāng)衰減到0時，系統(tǒng)認(rèn)為粒子死亡，將其從系統(tǒng)中刪除。為了保證煙霧粒子的持續(xù)性，系統(tǒng)在定義一波粒子死亡的同時又產(chǎn)生一批新的粒子。

3.3 鍵盤交互

在三維場景漫游中，觀察者可以通過鍵盤來控制視點的位置、視向和參考方向[15]。視線方向可以由參考點位置確定，漫游的過程就是不斷移動視點或改變視線方向[16]。系統(tǒng)采用鍵盤上w、s、a、d鍵實現(xiàn)前后左右移動；采用j、l、k、i鍵實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作，進(jìn)而實現(xiàn)控制用戶漫游。

4 實驗與分析

為了驗證系統(tǒng)運行效果，文中進(jìn)行了大量仿真實驗。仿真配置為Pentium(R) G4400、CPU 3.3 GHz、DDR4 4 G內(nèi)存及Intel HD Graphics 510(128M)核心顯卡的PC機(jī)，編譯環(huán)境為Visual VC++6.0，結(jié)合三維圖形開發(fā)接口OpenGL作為軟件開發(fā)平臺。系統(tǒng)運行實驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 虛擬場景室外測試圖

圖6 虛擬場景室內(nèi)測試圖

5 結(jié)束語

基于OpenGL技術(shù)開發(fā)交互式虛擬漫游場景并對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與分析，包括場景的建模、煙霧的模擬、地面天空的繪制、交互控制、視點漫游技術(shù)的實現(xiàn)等，可以給人以身臨其境的感覺。系統(tǒng)運行流暢，畫面真實感強(qiáng)，人機(jī)交互效果良好，擁有廣闊的應(yīng)用前景。未來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，下一步將繼續(xù)考慮采用物理建模方式并利用GPU加速處理，得到更為真實、流暢的交互式虛擬漫游效果。

[1] 周 忠，周 頤，肖江劍.虛擬現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)綜述[J].中國

科學(xué)：信息科學(xué),2015,45(2):157-180.

[2] HAVIG P,MCINTIRE J,GEISELMAN E.Virtual reality in a cave:limitations and the need for HMDs[C]//Proceedings of SPIE.[s.l.]:[s.n.],2011.

[3] GAO C,LIN Y,HUA H.Optical see-through head-mounted display with occlusion capability[C]//Proceedings of SPIE.[s.l.]:[s.n.],2013.

[4] CHEN Y J,THALMANN N M,ALLEN B F.Physical simulation of wet clothing for virtual humans[J].Visual Computer,2012,28(6-8):765-774.

[5] PATKAR S,GHAUDHURI P.Wetting of porous solids[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2013,19(9):1592-1604.

[6] 安 興,李 剛,徐林偉,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在美軍模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電光與控制,2011,18(10):42-46.

[7] 主福洋.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國新通信,2012(20):37.

[8] 王相海,李婷婷,龐 新.基于重復(fù)紋理映射的動態(tài)云實時模擬研究[J].計算機(jī)科學(xué),2011,38(2):257-259.

[9] 王相海,李婷婷.基于幾何建模的海浪模擬[J].計算機(jī)科學(xué),2011,38(10):259-262.

[10] 何曉波.火箭測試發(fā)射過程可視化虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[11] 方 沁.基于Unity和3dmax的虛擬實驗室三維建模設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2015.

[12] 董 梁,劉 海,韓俊剛.圖形處理器中光照和紋理映射的設(shè)計與仿真實現(xiàn)[J].計算機(jī)科學(xué),2011,38(2):284-287.

[13] 陳海鵬,申鉉京,呂穎達(dá),等.基于Lambert光照模型的圖像真?zhèn)蚊よb別算法[J].計算機(jī)研究與發(fā)展,2011,48(7):1237-1245.

[14] 袁雪霞,尹新富.煙霧的快速模擬[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2008,29(9):2392-2393.

[15] 吳艷繁.基于視線追蹤的人機(jī)交互系統(tǒng)[D].長春:吉林大學(xué),2014.

[16] 朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(10):36-39.