周陽

摘? 要： 由于現(xiàn)有的虛擬三維場景漫游方法人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間較長，因此設(shè)計(jì)一種基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法。通過對(duì)建模方法的比較，采用幾何建模與行為建模兩種方法構(gòu)建基于VRML的三維場景模型，通過紋理映射技術(shù)將二維圖像映射到三維實(shí)體表面，消減場景的復(fù)雜度以提高整體的交互性能，最后通過視角變換中的透視投影計(jì)算，得到齊次變換矩陣，定位最合適的全景圖，完成基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法的設(shè)計(jì)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)方法在點(diǎn)擊鼠標(biāo)響應(yīng)時(shí)間測試中比傳統(tǒng)方法快0.6 s，在變換視角響應(yīng)時(shí)間測試中比傳統(tǒng)方法快0.5 s，驗(yàn)證了該文方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)設(shè)計(jì); 虛擬場景漫游; VRML; 三維場景模型; 二維圖像映射; 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）22?0075?03

Abstract： As the existing virtual 3D scene roaming method has a long response time of human?computer interaction， a virtual 3D indoor scene roaming method based on VRML is designed. By comparing the modeling methods， the 3D scene model based on VRML is constructed with two kinds of geometry modeling and behavior modeling methods. 2D image is mapped to the surface of the 3D entity by means of the texture mapping technology to reduce the complexity of the scene， so as to improve the overall interaction performance. The calculation of perspective projection in visual transformation is used to get the homogeneous transformation matrix， and locate the most suitable panoramagram， so that the design of VRML?based roaming method of virtual 3D indoor scene is completed. By comparing the experimental results， it can be seen that the designed method is 0.6 s faster than the traditional method in the response time test of clicking the mouse， and 0.5 s faster than the traditional method in the response time test of changing the perspective. The validity of this method has been verified.

Keywords： interior design; virtual scene roaming; VRML; 3D scene model; 2D image mapping; human?computer interaction

0? 引? 言

虛擬三維室內(nèi)場景漫游是近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其主要功能是利用虛擬現(xiàn)實(shí)的手法來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場景的布置，為人們提供一種更加身臨其境的體驗(yàn)方式[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（VRML）能夠建立真實(shí)世界的場景模型或虛構(gòu)的三維世界的場景，是目前互聯(lián)網(wǎng)上基于WWW的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語言[2]。現(xiàn)有的虛擬三維場景漫游方法人機(jī)交互的響應(yīng)時(shí)間較長，影響用戶的漫游體驗(yàn)。因此設(shè)計(jì)一種基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法。采用幾何建模與行為建模兩種方法構(gòu)建基于VRML的三維場景模型，通過紋理映射技術(shù)將二維圖像映射到三維實(shí)體表面，消減場景的復(fù)雜度以提高整體的交互性能，最后通過視變換中的透視投影計(jì)算得到齊次變換矩陣，定位最合適的全景圖，完成基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法的設(shè)計(jì)。

1? 基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法研究

1.1? 構(gòu)建基于VRML的三維場景模型

三維室內(nèi)場景漫游需要利用三維場景建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)中生成一個(gè)逼真的虛擬世界，因此需要基于VRML完成三維場景模型的構(gòu)建。室內(nèi)虛擬場景的構(gòu)建要求在形態(tài)、光照、質(zhì)感和色彩都特別逼真，三維場景建模分為幾何建模和行為建模[3]。圖1為虛擬場景建模層次結(jié)構(gòu)圖。

幾何建模是利用現(xiàn)有的三維造型軟件，人工對(duì)虛擬實(shí)體和外觀進(jìn)行建模，用戶界面相對(duì)圖形化[4]，隱藏三維實(shí)體底層表達(dá)形式及光照、紋理等提高真實(shí)感的復(fù)雜實(shí)現(xiàn)過程。行為建模除建模對(duì)象的物理特性外，還需要建立特征模型，體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的自主性[5]，但不能與用戶進(jìn)行交互。這兩種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

VRML的建模方法只是為用戶提供一個(gè)虛擬環(huán)境，用戶還希望在漫游過程中能夠?qū)崿F(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互[6]。構(gòu)造真實(shí)感強(qiáng)、逼真度高的虛擬場景是虛擬建模的理想要求，因此采用兩種方法來混合建模。首先構(gòu)建室內(nèi)場景的空間模型和地形模型，并對(duì)其進(jìn)行紋理貼圖，再將室內(nèi)的陳設(shè)、建筑等單個(gè)輸出為Kz文件，使用INline節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)出的模型完成內(nèi)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)模型的整合。至此完成了基于VRML的三維場景模型的構(gòu)建。

1.2? 消減場景復(fù)雜度

在構(gòu)建的基于VRML的三維場景模型中，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)描述漫游虛擬環(huán)境需要花費(fèi)的實(shí)體表面三角形數(shù)目巨大。受支撐漫游的硬件條件限制，在實(shí)時(shí)交互中會(huì)出現(xiàn)卡頓甚至負(fù)荷過多而失效的情況，因此必須消減場景復(fù)雜度以提高整體的交互性能[7]。本文采用紋理映射技術(shù)控制場景的復(fù)雜度，紋理是指物體的表面細(xì)節(jié)，主要分為顏色紋理和幾何紋理。例如：室內(nèi)陳設(shè)上的非立體圖案就屬于顏色紋理;幾何紋理包括一些立體褶皺等。紋理映射是在圖像空間、物體空間及紋理空間之間進(jìn)行的，如圖2所示。

表中做出的主要消減包括：墻體中刪除了由于縮進(jìn)而產(chǎn)生的空格[9]，將室內(nèi)陳設(shè)的支撐部分做成原型節(jié)點(diǎn)，室內(nèi)的光線將大量的重復(fù)部分改為原型節(jié)點(diǎn)。至此完成了場景復(fù)雜度的消減。

1.3? 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互漫游

在構(gòu)建的虛擬三維室內(nèi)場景中的動(dòng)態(tài)交互漫游主要體現(xiàn)在：當(dāng)用戶的試點(diǎn)發(fā)生改變時(shí)，能夠快速呈現(xiàn)當(dāng)前視點(diǎn)范圍內(nèi)的場景[10?12]。在這個(gè)過程中涉及到視變換，視變換包括平行投影和透視投影。透視投影的示意圖如圖3所示。

圖中，將視點(diǎn)位置設(shè)置在坐標(biāo)系中[zv]軸的點(diǎn)[zpp]上[13]，將投影平面設(shè)在[zvp]處與[zv]軸垂直，點(diǎn)[（x1，y1，z1）]是投影線上的任意點(diǎn)，可以得到投影的直線方程為：

2? 實(shí)? 驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于VEML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法的有效性，將本文方法與傳統(tǒng)的漫游方法，即人機(jī)交互方法的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置詳細(xì)參數(shù)見表3。

2.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)分為4組，前2組檢測體驗(yàn)者點(diǎn)擊鼠標(biāo)后的響應(yīng)時(shí)間，后2組檢測體驗(yàn)者變換視角的響應(yīng)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

3? 結(jié)? 語

本文采用幾何與行為兩種建模方法相結(jié)合的方式構(gòu)建了基于VRML的三維場景模型，通過視角變換得到了最合適的全景圖，完成了基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景漫游方法的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)方法的點(diǎn)擊鼠標(biāo)和變換視角的響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)方法均要快至少0.5 s，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 高風(fēng)矚，李娟莉，謝嘉成.基于Unity3D的綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2017，37（12）：68?72.

[2] 張二洋，陳建宏.基于Surpac礦山設(shè)計(jì)軟件及虛幻引擎實(shí)現(xiàn)的礦山虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2017，25（4）：93?98.

[3] 王愛軍，李中永，顏世波.基于Unity 3D的博物館虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，29（1）：52?56.

[4] 郭繼軍.三維虛擬場景和虛擬拍攝系統(tǒng)的合成與制作：以宣傳片《天津海濱第一城》為例[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，16（1）：39?46.

[5] 胡正乙，譚慶昌，孫秋成.基于RGB?D的室內(nèi)場景實(shí)時(shí)三維重建算法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，38（12）：1764?1768.

[6] 袁生貴，胡菊，趙洪濤，等.VRML技術(shù)在人防工程三維虛擬遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019，32（3）：56?58.

[7] 李婷婷，余慶軍.基于OpenGL的交互式虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2018（1）：131?133.

[8] 郭慶斌，呂曉琪，張寶華，等.基于GPU加速的虛擬內(nèi)窺鏡漫游技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（8）：57?60.

[9] 曹占芳，王帥，黃家琦，等.虛擬仿真技術(shù)在電解錳生產(chǎn)與教學(xué)中的實(shí)踐及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2018，35（7）：573?578.

[10] 尹大偉，張熙若，李歡歡，等.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].軟件工程，2019，22（9）：17?19.

[11] 何榮茂，石川，常文泰，等.基于OSG的大規(guī)模地形動(dòng)態(tài)繪制應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2017，45（10）：2022?2026.

[12] 石嵐，席睿波.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在城市景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與開發(fā)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2018（6）：59?61.

[13] 鄭源，李麗，孟志偉.大中型泵站機(jī)組三維檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，36（7）：587?592.

[14] 趙爾平，劉煒，黨紅恩.海量3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮與空間索引技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2018，38（1）：146?151.

[15] 王德龍，任鴻翔，朱耀輝.基于三維虛擬船舶的駕駛員實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)開發(fā)[J].船海工程，2017，46（6）：191?195.