徐曉丹，李秉杰，李伯森，呂 舜

(1.民政部 一零一研究所，北京100070； 2.北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)祭祀成為引導(dǎo)人民群眾從實(shí)地實(shí)物祭掃轉(zhuǎn)移到對(duì)逝者精神傳承的一種途徑，是節(jié)地生態(tài)安葬、綠色低碳祭掃、文明節(jié)儉的方式，是更加充滿個(gè)性、人文和文化特色的方式。其中三維(Three Dimensional, 3D)圖像虛擬祭祀借助互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)的紀(jì)念館與墓地通過虛擬技術(shù)展現(xiàn)到移動(dòng)、PC等終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)跨越時(shí)空；以祭祀場(chǎng)景更加貼近實(shí)際、良好的視覺和交互體驗(yàn)，方便人們隨時(shí)隨地祭奠已逝親人等優(yōu)點(diǎn)備受人們青睞。為此，民政部近年來組織建設(shè)“中國(guó)殯葬公共服務(wù)平臺(tái)”重大項(xiàng)目，3D虛擬祭祀是該項(xiàng)目中的一個(gè)重要組成部分，本文介紹了該項(xiàng)目建設(shè)過程中關(guān)于3D虛擬祭祀開發(fā)的部分研究成果。

3D虛擬祭祀的技術(shù)特點(diǎn)：一是所構(gòu)造的場(chǎng)景是根據(jù)用戶需求自行進(jìn)行搭建的，用戶通過靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的方式對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行修改，這包括了對(duì)場(chǎng)景中對(duì)象的布局或?qū)ο蟊旧淼膶傩孕畔⑦M(jìn)行修改；二是3D虛擬祭祀場(chǎng)景較復(fù)雜，具有明顯的場(chǎng)景構(gòu)成粒度低、場(chǎng)景屬性種類繁雜的特點(diǎn)；三是要具備面向虛擬祭祀提供渲染任務(wù)調(diào)度與交互管理的基本功能，根據(jù)用戶前端平臺(tái)的性質(zhì)，面向PC終端提供超文本標(biāo)記語言(Hyper Text Markup Language, HTML)5交互引擎構(gòu)造以及面向移動(dòng)終端提供云渲染引擎任務(wù)請(qǐng)求，用戶線上虛擬環(huán)境交互過程中實(shí)現(xiàn)各種操作動(dòng)作的捕捉以及響應(yīng)回饋，滿足不同終端用戶線上3D的虛擬環(huán)境體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)又被稱作沉浸式多媒體或者是計(jì)算機(jī)模擬仿真[1]。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)中模擬出逼真的三維場(chǎng)景，給用戶良好的視覺和交互體驗(yàn)，因此近些年來虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越頻繁，涵蓋了軍事、教育、科研等多個(gè)方面并取得了良好的效果[2]。場(chǎng)景建模是虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)應(yīng)用程序開發(fā)中非常重要的環(huán)節(jié)，因此在應(yīng)用場(chǎng)景建模技術(shù)時(shí)，需要綜合分析目標(biāo)場(chǎng)景的構(gòu)成特點(diǎn)及業(yè)務(wù)需求以選擇合適的建模方法。

目前場(chǎng)景建模技術(shù)主要分為傳統(tǒng)三維建模技術(shù)和基于圖像的幾何建模技術(shù)兩大類[3]。在該技術(shù)領(lǐng)域的研究中，先前研究主要著眼于描述場(chǎng)景的組成和場(chǎng)景對(duì)象的特性，基于包括可擴(kuò)展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language, XML)、可擴(kuò)展虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(Extensible Virtual Reality Modeling Language, X-VRML)、可擴(kuò)展三維圖像(Extensible Three Dimensions, X3D)或自定義腳本語言在內(nèi)的多種文本格式形成場(chǎng)景描述文本文件，最終根據(jù)該描述文本利用模型進(jìn)行場(chǎng)景拼接完成建模工作[4-7]。

這些方法一般能滿足對(duì)復(fù)雜程度低的場(chǎng)景的需求，還不能解決像3D虛擬祭祀這類用戶根據(jù)自身需求自行搭建場(chǎng)景且構(gòu)成粒度細(xì)、對(duì)象屬性復(fù)雜的場(chǎng)景的情況，主要是因?yàn)檫@些建模技術(shù)普遍存在如下問題：1)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)象的屬性和特征描述手段不足，具體表現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型不足、構(gòu)造新數(shù)據(jù)類型困難以及對(duì)數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等復(fù)雜類型描述困難等方面；2)業(yè)務(wù)耦合性強(qiáng)，一方面沒有總結(jié)出抽象的場(chǎng)景對(duì)象描述方法，另一方面經(jīng)常局限于某一種具體的文本描述規(guī)則，因此導(dǎo)致其通用性不足；3)在設(shè)計(jì)時(shí)較少考慮到界面化建模支持，當(dāng)目標(biāo)場(chǎng)景的規(guī)模非常龐大時(shí)，直接人工編輯建模文本會(huì)降低工作效率，并增加因人為疏忽導(dǎo)致的文本編輯錯(cuò)誤的概率。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于形式化的場(chǎng)景建模語言與環(huán)境。首先，對(duì)場(chǎng)景的構(gòu)成特性進(jìn)行了清晰的分析，并基于巴科斯范式(Backus-Naur Form, BNF)規(guī)則[8]提出了場(chǎng)景建模語言；其次，定義了場(chǎng)景建模語言的操作使得該語言可以通過應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface, API)調(diào)用的方式完成編輯，證明了該語言對(duì)界面化建模的支持；最后，定義了一套該語言的XML映射方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過自動(dòng)化的映射方法使場(chǎng)景建模結(jié)果以XML文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)，提升了建模結(jié)果的可復(fù)用性。

1 3D場(chǎng)景建模語言

1.1 3D場(chǎng)景建模語言語法規(guī)則定義

本文基于ISO/IEC 14977標(biāo)準(zhǔn)化文檔中擴(kuò)展BNF規(guī)則給出了3D場(chǎng)景建模語言的語法規(guī)則[9]。其中擴(kuò)展BNF規(guī)則中的符號(hào)如表1所示。

表1 擴(kuò)展BNF符號(hào)表

3D場(chǎng)景建模語言語法規(guī)則定義如下：

場(chǎng)景描述腳本=變量定義區(qū),場(chǎng)景對(duì)象模板定義區(qū),場(chǎng)景構(gòu)造腳本定義區(qū)

變量定義區(qū)={變量定義}

變量定義=變量名,變量類型,{變量值}

變量名=標(biāo)識(shí)符

變量類型=基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型

變量值=終結(jié)符

場(chǎng)景對(duì)象模板定義區(qū)= {場(chǎng)景對(duì)象模板}

場(chǎng)景對(duì)象模板=模板ID,場(chǎng)景對(duì)象類型,缺省標(biāo)記,{屬性語句}

屬性語句=鍵值屬性語句 | 序列屬性語句 | 結(jié)構(gòu)體屬語句

鍵值屬性語句=語句基本信息,屬性類型,屬性值

序列屬性語句=語句基本信息,屬性類型,{屬性值}

結(jié)構(gòu)體屬性語句={鍵值屬性語句}

屬性類型=數(shù)據(jù)類型,[數(shù)值范圍]

屬性值=標(biāo)識(shí)符

語句基本信息=屬性名,語句類型,幫助信息

屬性名=標(biāo)識(shí)符

語句類型="鍵值屬性", "序列屬性", "結(jié)構(gòu)體屬性"

幫助信息=屬性別名, 屬性描述, 屬性分類

屬性別名=標(biāo)識(shí)符

屬性描述=終結(jié)符

屬性分類=標(biāo)識(shí)符

數(shù)值范圍=最小值,最大值

最小值=終結(jié)符

最大值=終結(jié)符

數(shù)據(jù)類型=基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型|場(chǎng)景對(duì)象類型|擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型="Integer"|"Float"|"Double"|"Boolean"

|"String"|"Enum"|"Collection"

場(chǎng)景對(duì)象類型="Unit" | "Particle" | "Capacity" | "Item"

擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型="ModelAsset" | "ParticleAsset" | "AudioAsset" | "MaterialAsset" | "TextureAsset"

場(chǎng)景構(gòu)造腳本定義區(qū)= {場(chǎng)景對(duì)象}

場(chǎng)景對(duì)象=索引ID, 模板ID, {特化信息}

特化信息=(屬性名, 屬性值) | (屬性名, 成員名, 屬性值)

終結(jié)符="′" , 符號(hào), {符號(hào)} , "′" | ′"′ , 符號(hào), {符號(hào)} , ′"′

標(biāo)識(shí)符=字母, {字母 | 數(shù)字 | "_"}

字符=字母 | 數(shù)字 | 符號(hào) | "_"

數(shù)字="0" |"1" |"2" |"3" |"4" |"5" |"6" |"7" | "8" |"9"

符號(hào)= "[" | "]" | "{" | "}" | "(" | ")" | "<" | ">"| "'" | '"' | "=" | "|" | "." | "," | ";"

字母="A" | "B" | "C" | "D" | "E" | "F" | "G"| "H" | "I" | "J" | "K" | "L" | "M" | "N"| "O" | "P" | "Q" | "R" | "S" | "T" | "U"| "V" | "W" | "X" | "Y" | "Z" | "a" | "b"| "c" | "d" | "e" | "f" | "g" | "h" | "i" | "j" | "k" | "l" | "m" | "n" | "o" | "p"| "q" | "r" | "s" | "t" | "u" | "v" | "w"| "x" | "y" | "z"

由此，采用該語言對(duì)目標(biāo)3D場(chǎng)景進(jìn)行建模后最終得到的場(chǎng)景描述腳本由三個(gè)區(qū)域組成：變量定義區(qū)，用于描述場(chǎng)景描述腳本中所使用的變量信息；場(chǎng)景對(duì)象模板定義區(qū)，用于描述場(chǎng)景中所有的場(chǎng)景對(duì)象模板信息；場(chǎng)景構(gòu)造腳本定義區(qū)，用于描述場(chǎng)景的實(shí)際構(gòu)成信息。其中，場(chǎng)景對(duì)象模板定義區(qū)是整個(gè)語言結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。

1.2 語言設(shè)計(jì)

為加強(qiáng)語言本身對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)象屬性和特征的描述能力，同時(shí)賦予語言對(duì)界面化建模的支持特性，本文在語言的提出和設(shè)計(jì)過程中以形式化方法為基礎(chǔ)，通過對(duì)3D祭祀場(chǎng)景的構(gòu)成特點(diǎn)進(jìn)行分析并對(duì)其進(jìn)行高度抽象，抽象出場(chǎng)景對(duì)象、場(chǎng)景對(duì)象模板、場(chǎng)景對(duì)象模板屬性三個(gè)層次，并基于BNF的描述規(guī)則，根據(jù)場(chǎng)景抽象層次提出場(chǎng)景建模語言。

1.2.1 場(chǎng)景對(duì)象模板概念

為對(duì)3D祭祀場(chǎng)景進(jìn)行建模，首先對(duì)祭祀場(chǎng)景的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并抽象成如圖1所示的形式。為盡可能地使具體業(yè)務(wù)與場(chǎng)景結(jié)構(gòu)一致，提出場(chǎng)景對(duì)象的概念，它代表了場(chǎng)景中每一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象。雖然對(duì)象的內(nèi)部可能由更細(xì)微的顆粒構(gòu)成，為簡(jiǎn)化暫時(shí)先不考慮內(nèi)部的構(gòu)成情況，將其看作一個(gè)整體。

圖1 一般虛擬場(chǎng)景的抽象層次結(jié)構(gòu)

場(chǎng)景對(duì)象模板是用于描述一類性質(zhì)相同的場(chǎng)景對(duì)象，將具有相同特征的場(chǎng)景對(duì)象的屬性進(jìn)行提取所形成的一種抽象屬性集合。這些場(chǎng)景對(duì)象僅僅是在屬性構(gòu)成上相同，并非屬性值也一致。場(chǎng)景對(duì)象模板的形成過程分為兩個(gè)步驟：一是將場(chǎng)景中具有相同特征的對(duì)象進(jìn)行歸類；二是對(duì)同一種類型的場(chǎng)景對(duì)象進(jìn)行屬性提取形成場(chǎng)景對(duì)象模板。場(chǎng)景對(duì)象模板形成后，需要保留每個(gè)場(chǎng)景對(duì)象特有的屬性值信息，因此每個(gè)對(duì)象要保留對(duì)應(yīng)的模板特化參數(shù)。為了壓縮參數(shù)數(shù)量，每個(gè)場(chǎng)景對(duì)象模板都會(huì)匹配一個(gè)默認(rèn)模板參數(shù)，如果場(chǎng)景對(duì)象某個(gè)屬性的值與默認(rèn)模板參數(shù)一致則無需再進(jìn)行保存。

通過這樣的抽象方式，將場(chǎng)景中的所有場(chǎng)景對(duì)象歸結(jié)為幾大類場(chǎng)景對(duì)象模板，從而通過任何一個(gè)場(chǎng)景對(duì)象模板就可以隨意生成具有此類特性的場(chǎng)景對(duì)象，該場(chǎng)景對(duì)象的屬性值來源于默認(rèn)模板參數(shù)和模板特化參數(shù)的組合。

1.2.2 場(chǎng)景對(duì)象模板屬性概念

場(chǎng)景對(duì)象中的復(fù)雜屬性構(gòu)成是影響目前大多數(shù)建模方法應(yīng)用的主要難點(diǎn)[10]，為解決此難點(diǎn)，本文在場(chǎng)景對(duì)象模板概念的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的屬性信息進(jìn)行抽象，如圖1所示，提出三種屬性類型：鍵值屬性、序列屬性、結(jié)構(gòu)體屬性。其中，鍵值屬性主要用于描述鍵值類型的屬性信息，這種屬性只包含一個(gè)數(shù)據(jù)類型和一個(gè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類型的值；序列屬性語句用于描述一系列具有相同數(shù)據(jù)類型的數(shù)值所構(gòu)成的集合，這種屬性包含一個(gè)數(shù)據(jù)類型和至少一個(gè)該數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的值，類比于程序語言中的數(shù)組；結(jié)構(gòu)體屬性語句用于表示結(jié)構(gòu)體類型的屬性信息，它可以看作多個(gè)鍵值類型屬性信息的集合，類比于程序語言中的結(jié)構(gòu)體。

通過這種抽象的方式就可以將場(chǎng)景對(duì)象模板中的所有屬性信息抽象成為上述三種類型的屬性并加以描述，基于這種結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)出來的建模語言將會(huì)對(duì)具有復(fù)雜屬性結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景對(duì)象有非常強(qiáng)的適應(yīng)性。

除此之外，如果該語言所包含的三種屬性類型無法滿足目標(biāo)3D場(chǎng)景的需求，也可以通過增添新的屬性類型加以應(yīng)對(duì)，由于場(chǎng)景建模語言是基于BNF設(shè)計(jì)的，因此只需要遵守語言的描述規(guī)范就可以在不破壞語言原有結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)語言的擴(kuò)充。

1.2.3 引入界面化建模支持特性

本文在設(shè)計(jì)3D場(chǎng)景建模語言時(shí)，基于圖1所展現(xiàn)的抽象層次[11]，結(jié)合BNF規(guī)則提出了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言語法模型，這有利于界面化編輯，只需提出一套該語言的編輯操作API即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的界面化編輯環(huán)境。

另外，為了在界面化編輯過程中用戶能夠更清晰地理解場(chǎng)景對(duì)象模板中每一個(gè)屬性的含義，對(duì)構(gòu)成場(chǎng)景對(duì)象模板的屬性根據(jù)其用戶再次進(jìn)行劃分，并為每一個(gè)屬性的含義進(jìn)行標(biāo)定，將這些屬性的描述信息嵌入到每一個(gè)屬性語句中。通過這樣的方式，在實(shí)際建模過程中，就可以對(duì)每個(gè)屬性的分類及描述信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，這有助于界面化程序識(shí)別各種屬性并將其相關(guān)信息展示給使用者，以輔助使用者完成場(chǎng)景建模工作。

2 3D場(chǎng)景建模語言XML轉(zhuǎn)換規(guī)則

因?yàn)殇秩境绦驅(qū)?chǎng)景描述腳本進(jìn)行解析時(shí)不能直接對(duì)該腳本進(jìn)行讀取，所以，還需要針對(duì)該腳本設(shè)計(jì)一套專用的語言解釋器。因此，為了使得本文所提出的建模語言能夠更容易地被渲染系統(tǒng)讀取和解析，還需設(shè)計(jì)3D場(chǎng)景建模語言的XML轉(zhuǎn)化規(guī)則，通過該規(guī)則可以將建模結(jié)果轉(zhuǎn)化為XML的存儲(chǔ)格式。這種做法的優(yōu)勢(shì)是：1)避免了為該語言開發(fā)專門的語法解釋器，同時(shí)降低了渲染程序與語言之間的耦合程度；2)提升了建模結(jié)果的可復(fù)用性，當(dāng)需要使用其他描述格式重新對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行建模時(shí)，只需要實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換程序，而無需重新對(duì)該場(chǎng)景再進(jìn)行建模，此外轉(zhuǎn)換程序的實(shí)現(xiàn)難度遠(yuǎn)低于語言解釋器。

為此，本文首先提出了一套轉(zhuǎn)換規(guī)則操作符，用于描述轉(zhuǎn)換規(guī)則應(yīng)遵循的執(zhí)行方式，然后再針對(duì)場(chǎng)景建模語言語法規(guī)則中的每一種非終結(jié)符和終結(jié)符給出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化規(guī)則。

表3 3D場(chǎng)景建模語言XML轉(zhuǎn)換規(guī)則

2.1 轉(zhuǎn)換規(guī)則操作符

為了刻畫轉(zhuǎn)換過程中的操作，基于3D場(chǎng)景建模語言的語法規(guī)則定義提出了一套轉(zhuǎn)換規(guī)則操作符，如表2所示，這些操作符以BNF語法規(guī)則中的符號(hào)為輸入進(jìn)行操作。其中，對(duì)符號(hào)進(jìn)行XML展開時(shí)需要參考該符號(hào)下所支持的轉(zhuǎn)換規(guī)則，而對(duì)符號(hào)值展開時(shí)，則將符號(hào)所對(duì)應(yīng)的值直接填寫到XML中即可。

表2 3D場(chǎng)景建模語言XML轉(zhuǎn)換規(guī)則操作符

2.2 轉(zhuǎn)換規(guī)則

表3只列出了3D場(chǎng)景建模語言XML轉(zhuǎn)換規(guī)則中比較關(guān)鍵的部分，建模語言語法規(guī)則中的每一個(gè)非終結(jié)符都對(duì)應(yīng)了一套詳細(xì)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，基于這些轉(zhuǎn)換規(guī)則即可按照語法樹自頂向下進(jìn)行展開最終完成整個(gè)轉(zhuǎn)換過程。

對(duì)于每一個(gè)非終結(jié)符號(hào)而言轉(zhuǎn)換規(guī)則并不是唯一的，這種設(shè)計(jì)的目的是為了壓縮轉(zhuǎn)換后的XML文本量，接下來介紹壓縮優(yōu)化原理。

2.3 轉(zhuǎn)換過程中的壓縮優(yōu)化

在建模語言的設(shè)計(jì)過程中為了讓場(chǎng)景建模語言邏輯縝密，導(dǎo)致了語言本身在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)冗余，其主要表現(xiàn)在屬性語句的內(nèi)容冗余。如果存在兩個(gè)屬性名一致的屬性語句s1和s2，則根據(jù)屬性名的唯一性，兩個(gè)屬性語句的語句類型必然是一致的。下面對(duì)不同語句類型進(jìn)行討論：

鍵值屬性語句時(shí)：兩個(gè)屬性語句除了屬性值以外的構(gòu)成是完全一致的；

序列屬性語句時(shí)：兩個(gè)屬性語句除了屬性值序列以外的構(gòu)成是完全一致的；

構(gòu)體屬性語句時(shí)：兩個(gè)屬性語句中除鍵值屬性語句序列以外的構(gòu)成是完全一致的；對(duì)于任意鍵值屬性語句m1∈s1存在鍵值屬性語句m2∈s2，此時(shí)m1和m2除了屬性值以外的構(gòu)成一定是完全一致的；且對(duì)于任意鍵值屬性語句m2∈s2存在鍵值屬性語句m1∈s1，此時(shí)m1和m2除了屬性值以外的構(gòu)成一定是完全一致的。

上述討論可以得到結(jié)論：如果屬性語句的定義中出現(xiàn)了同屬性名的屬性語句，那么就會(huì)產(chǎn)生冗余信息。而在實(shí)際的XML生成過程中，去除屬性語句的冗余是能有效地優(yōu)化建模結(jié)果的腳本大小。因此在轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)對(duì)所有場(chǎng)景對(duì)象模板中的屬性信息進(jìn)行提取，過濾重復(fù)的內(nèi)容并統(tǒng)一放置在一個(gè)XML文件中進(jìn)行存儲(chǔ)，將場(chǎng)景對(duì)象模板中屬性值信息單獨(dú)提取出來存放在另一個(gè)XML文件中，兩者通過屬性名稱進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而對(duì)轉(zhuǎn)化結(jié)果進(jìn)行了重新組織。如表4所示，將轉(zhuǎn)換后的XML內(nèi)容分別保存在不同的XML文件中，并約定每個(gè)XML文件的初始內(nèi)容。

每一個(gè)XML文件都擁有初始的轉(zhuǎn)換操作需求，因此將先前已經(jīng)生成的場(chǎng)景建模結(jié)果代入到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換操作中，就可以自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的XML文本信息。

表4 場(chǎng)景描述腳本XML文件組織結(jié)構(gòu)

3 3D場(chǎng)景建模編輯環(huán)境

3.1 界面化建模的重要性

在目前的建模方法應(yīng)用過程中，大多數(shù)方法都需要使用者通過文本編輯的形式直接對(duì)建模文件進(jìn)行修改，這種方法在面對(duì)數(shù)量級(jí)較小的建模結(jié)果時(shí)還是很有效的，但是，隨著目標(biāo)建模場(chǎng)景規(guī)模和復(fù)雜度的不斷提升，直接對(duì)文本進(jìn)行編輯不僅效率較低，還有可能因?yàn)槿藶槭д`引入一些錯(cuò)誤。其中主要的一部分錯(cuò)誤就是語法錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤的排查往往要消耗很多的精力和時(shí)間，會(huì)嚴(yán)重影響建模效率。

為了解決該問題，本文提出了3D場(chǎng)景建模編輯環(huán)境，其核心思想是實(shí)現(xiàn)一系列編輯語言的操作，通過這些操作可以讓使用者通過類似于函數(shù)調(diào)用的形式完成建模，再借助界面化的窗口將操作進(jìn)一步封裝，即可實(shí)現(xiàn)界面化的編輯環(huán)境。這種編輯環(huán)境的優(yōu)勢(shì)在于：一是用戶在通過界面化手段建模過程中，只需填寫必要參數(shù)，其他內(nèi)容全部自動(dòng)生成，提高了建模速度；二是自動(dòng)化的生成過程避免了直接編輯文本而導(dǎo)致的人為因素輸入錯(cuò)誤；三是界面化的建模結(jié)果相比純文本而言更加直觀、容易編輯。

3.2 3D場(chǎng)景建模語言操作

由于3D場(chǎng)景建模語言是基于BNF描述的，因此本文按照遞歸的方式定義了語言編輯的相關(guān)操作。這些編輯操作根據(jù)場(chǎng)景描述腳本的組成結(jié)構(gòu)，可以劃分為三個(gè)部分：變量定義區(qū)編輯操作、場(chǎng)景對(duì)象模板定義區(qū)編輯操作、場(chǎng)景構(gòu)造腳本區(qū)編輯操作。

以變量定義區(qū)中的部分操作為例進(jìn)行解釋，變量定義區(qū)中變量查詢操作的偽代碼描述如下：

findVar(varDefArea,name)=begin

VarDefination var;

foreach(var in varDefArea)

if (var.name==name)

return var;

endif

endforeach

return null;

end

變量定義區(qū)中修改變量名操作的偽代碼描述如下：

modifyVarName(varDefArea,name,newName)=begin

VarDefination finded;

finded:=findVar(varDefArea,name);

if (finded!=null)

varDefArea:=varDefArea〗{finded};

finded.name:=newName;

varDefArea:=varDefArea ∪ {finded};

endif

end

可以看到這些編輯操作實(shí)際上就是根據(jù)BNF規(guī)范和場(chǎng)景描述腳本的格式，直接進(jìn)行腳本生成操作，并且這些操作之間是可以進(jìn)行相互調(diào)用的，例如修改變量名稱的編輯操作modifyVarName調(diào)用了查找變量的方法findVar。

當(dāng)完成了對(duì)所有編輯操作的描述后，就可以將這些偽代碼在界面化編輯環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，并使用用戶界面(User Interface, UI)將這些操作進(jìn)行封裝供用戶調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)界面化建模的目的。通過界面化建模形成的場(chǎng)景描述腳本，將會(huì)通過2.2節(jié)中所提到的XML轉(zhuǎn)化規(guī)則自動(dòng)轉(zhuǎn)化成為XML格式的場(chǎng)景描述腳本，以便渲染程序讀取和分析。

4 對(duì)比分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 功能對(duì)比

本文以“中國(guó)殯葬公共服務(wù)平臺(tái)”項(xiàng)目中具有典型代表性的祭祀用品蠟燭、木桌、畫框以及火焰粒子這6種場(chǎng)景對(duì)象為例，分別應(yīng)用本方法與相關(guān)建模方法觀察建模能力[4-6,12]。其中，測(cè)試所使用的場(chǎng)景對(duì)象特征信息如表5所示，經(jīng)實(shí)際測(cè)試后得到了如表6所示的結(jié)果。

表5 典型場(chǎng)景對(duì)象特征信息

通過對(duì)比可以得到如下結(jié)論：本方法相對(duì)于現(xiàn)有方法進(jìn)一步強(qiáng)化了針對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)象屬性和特征的描述能力，在增強(qiáng)了新增數(shù)據(jù)類型特性支持的同時(shí)完善了序列屬性、結(jié)構(gòu)體屬性類型的描述；本建模方法在界面化建模支持程度上優(yōu)于先前方法；本建模方法基于抽象的建模結(jié)果通過自動(dòng)化轉(zhuǎn)化方法可以生成各種文本結(jié)構(gòu)下的建模結(jié)果，相比采用固定文本格式描述的先前方法而言通用性、靈活性更強(qiáng)，可復(fù)用程度高。

表6 本文建模方法與先前建模方法的功能對(duì)比結(jié)果

4.2 應(yīng)用流程對(duì)比

相對(duì)于現(xiàn)有建模方法直接對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景特征從零構(gòu)造描述規(guī)則[10]，以人工編寫和檢查的方式生成場(chǎng)景描述文本這種方式而言，本文提出的建模方法流程雖然復(fù)雜一些，但具有更強(qiáng)的通用性、描述能力和界面建模支持特性，具體應(yīng)用流程如圖2中實(shí)線所示：一是針對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景特征進(jìn)行分析，對(duì)本文所提出的建模語言BNF語法規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)充，形成用于描述目標(biāo)場(chǎng)景的建模語言語法規(guī)則；二是基于建模語言及場(chǎng)景資源文件，在界面化建模環(huán)境中通過調(diào)用建模語言編輯操作完成場(chǎng)景描述腳本的編輯生成工作；三是依據(jù)XML轉(zhuǎn)化規(guī)則將場(chǎng)景描述腳本轉(zhuǎn)化為XML格式的描述信息；四是將XML文本輸入到渲染程序中，完成解析和虛擬場(chǎng)景的生成工作。

圖2 本文方法和先前方法應(yīng)用流程比較

4.3 應(yīng)用案例

圖3展示了網(wǎng)絡(luò)祭祀中基于C# .Net開發(fā)的界面化建模原型系統(tǒng)的啟動(dòng)效果，該系統(tǒng)從功能上驗(yàn)證了界面化建模的可行性并且可根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)展動(dòng)態(tài)擴(kuò)充建模數(shù)據(jù)。圖3中可以看到基于形式化的建模語言規(guī)則信息以及建模場(chǎng)景資源信息已經(jīng)被載入到系統(tǒng)中。

圖4展示了變量定義區(qū)的界面化編輯環(huán)境，通過該窗體可以創(chuàng)建、修改、刪除業(yè)務(wù)所需要的枚舉、集合類型變量，并且可以向變量中添加所需的成員信息。系統(tǒng)會(huì)將這些變量臨時(shí)保存在內(nèi)存中，并在后續(xù)的場(chǎng)景對(duì)象模板的編輯過程中根據(jù)需要自動(dòng)提示用戶進(jìn)行選擇。

圖3 界面化建模環(huán)境啟動(dòng)效果

圖4 變量編輯窗口

圖5展示了場(chǎng)景對(duì)象模板的界面化編輯環(huán)境，通過該窗體用戶可以創(chuàng)建所需類型的場(chǎng)景對(duì)象模板，并通過雙擊該模板中的屬性信息進(jìn)行編輯，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)屬性的類型自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)類型的修改窗口方便用戶完成編輯操作。圖6、圖7和圖8分別展示了鍵值屬性、序列屬性和結(jié)構(gòu)體屬性的界面化編輯窗口。

圖5 場(chǎng)景對(duì)象模板編輯窗口

圖6 場(chǎng)景對(duì)象模板鍵值屬性編輯窗口

圖9展示了界面化編輯后的場(chǎng)景對(duì)象模板自動(dòng)轉(zhuǎn)化效果，可以看到所有界面化編輯產(chǎn)生的信息會(huì)以XML的形式導(dǎo)出存儲(chǔ)并等待建模過程使用。

圖10為實(shí)際生成的一個(gè)典型場(chǎng)景的建模結(jié)果效果圖，可以看到窗體內(nèi)部不僅可以顯示文字貼圖等信息，還能夠進(jìn)行3D物體的動(dòng)態(tài)展示，以及可以交互的按鈕等內(nèi)容。

圖7 場(chǎng)景對(duì)象模板序列屬性編輯窗口

圖8 場(chǎng)景對(duì)象模板結(jié)構(gòu)體屬性編輯窗口

圖9 場(chǎng)景對(duì)象模板XML轉(zhuǎn)化效果預(yù)覽

圖10 3D場(chǎng)景交互效果

5 結(jié)語

本文對(duì)于現(xiàn)有3D場(chǎng)景建模方法普遍存在的業(yè)務(wù)耦合度高、復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)象屬性和特征描述能力不足的問題，為解決像3D虛擬祭祀這類構(gòu)成粒度細(xì)、對(duì)象屬性復(fù)雜的場(chǎng)景建模技術(shù)難題，提出了一種基于形式化的3D場(chǎng)景建模方法。通過引入場(chǎng)景對(duì)象模板、場(chǎng)景對(duì)象模板屬性等概念，對(duì)場(chǎng)景的構(gòu)成進(jìn)行抽象，并基于BNF規(guī)則提出了一種低耦合、描述手段豐富的場(chǎng)景建模語言語法規(guī)則定義；基于該語言進(jìn)一步地提出了XML轉(zhuǎn)化規(guī)則和界面化建模環(huán)境，以增強(qiáng)建模結(jié)果的可復(fù)用性、提高建模速度。最后通過對(duì)課題中典型的幾類場(chǎng)景對(duì)象進(jìn)行建模，對(duì)比了本文提出的方法與其他方法并進(jìn)行了相關(guān)分析，證明了本文提出的方法在描述復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)象屬性和特征時(shí)能力較強(qiáng)，在降低業(yè)務(wù)耦合度、提高界面化建模支持方面也有一定的改進(jìn)。

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