王志崗

(寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近些年來(lái)新興應(yīng)用的感官模擬技術(shù)，在應(yīng)用該技術(shù)的過(guò)程中以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬未應(yīng)用者提供身臨其境的體驗(yàn)感，不僅可以為用戶(hù)提供對(duì)應(yīng)的視覺(jué)感，還可提供聽(tīng)覺(jué)感與觸覺(jué)感等，因此具有較強(qiáng)的沉浸性與感知性?，F(xiàn)如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用逐漸廣泛，例如可應(yīng)用于建筑項(xiàng)目的虛擬演示或者飛行訓(xùn)練模擬、遠(yuǎn)程線(xiàn)上教學(xué)或者手術(shù)等多個(gè)方面。在虛擬現(xiàn)實(shí)研究的過(guò)程中以真實(shí)情景為基礎(chǔ)的三維場(chǎng)景建模技術(shù)是應(yīng)用基礎(chǔ)，也是我國(guó)現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的研究爆點(diǎn)話(huà)題。據(jù)相關(guān)調(diào)查研究可知，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步時(shí)間相對(duì)較晚，但近些年來(lái)的研究成果較為豐碩，其中虛擬現(xiàn)實(shí)中三維建模技術(shù)的研究與應(yīng)用逐年深入，體現(xiàn)出我國(guó)新型科技領(lǐng)域的全新發(fā)展趨勢(shì)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)建?；緝?nèi)容概述

三維建模技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)建模的基礎(chǔ)內(nèi)容，通過(guò)有效的實(shí)踐可促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建。具體而言，三維建模技術(shù)可根據(jù)感官與實(shí)際應(yīng)用的不同，分為視覺(jué)建模與聽(tīng)覺(jué)建模兩大部分。本文重點(diǎn)探討三維視覺(jué)建模的主要內(nèi)容，其中所包含的類(lèi)型有幾何建模、物理建模等。

1.1 物理建模

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，物理建模屬于層次較高的建模形式，在構(gòu)建過(guò)程中需要將物理學(xué)科知識(shí)與計(jì)算機(jī)知識(shí)相結(jié)合，有效利用圖形學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行模型構(gòu)建。在物理建模的過(guò)程中，力的反饋可起重要作用，相關(guān)理論知識(shí)可對(duì)物理建模的表面形態(tài)(是否變形)、重量情況、硬度情況等方面的表達(dá)產(chǎn)生重要影響。綜上所述，物理建模作為應(yīng)力較高的建模方式之一，可以物體質(zhì)量、物體重量、物體外觀表面形態(tài)、物體硬度與物體慣性等方面為切入點(diǎn)完成的模型構(gòu)建。在構(gòu)建模型的過(guò)程中，將上述特征的表達(dá)形式與傳統(tǒng)幾何建模的基本原則有效結(jié)合，從而使得虛擬環(huán)境中的物體模型構(gòu)建更加真實(shí)，并具有生動(dòng)形象的特征[1]。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知現(xiàn)階段較為常用的物理建模方法包括：粒子系統(tǒng)、分形技術(shù)兩種，兩種建模方法在適用范圍上有較大差異。其中在虛擬現(xiàn)實(shí)的物理建模過(guò)程中，粒子系統(tǒng)通常適用于對(duì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體建模，通過(guò)該種建模方法可以有效描述天氣或者噴泉等動(dòng)態(tài)現(xiàn)象；而分形技術(shù)更適用于靜態(tài)物體或視覺(jué)對(duì)象的模型構(gòu)建。

1.2 幾何建模

幾何建模是虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)的最基本內(nèi)容。眾所周知，物體的形狀組成主要以物體的頂點(diǎn)以及多邊形為基礎(chǔ)，而物體的外觀所包含的內(nèi)容相對(duì)較多，不僅包含顏色，同時(shí)還包括紋理等內(nèi)容。在幾何建模中，需要根據(jù)物體的幾何信息構(gòu)建圖形所涉及的信息，不僅包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，還包含可操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)算法等方面內(nèi)容。與現(xiàn)實(shí)世界相同，在虛擬環(huán)境中的物體同樣需要關(guān)注外觀與形狀的構(gòu)建。在構(gòu)建的過(guò)程中，幾何建?？筛鶕?jù)虛擬環(huán)境中所組成的相關(guān)信息進(jìn)行搭建。與此同時(shí)，在應(yīng)用虛擬建模技術(shù)完成幾何建模的過(guò)程中，必須重點(diǎn)關(guān)注交互操作能力、易構(gòu)建能力、交互顯示能力三大部分的具體要求，從而確定幾何物體的實(shí)際形態(tài)[2-5]。

1.3 行為建模

行為建模主要是指不僅需要?jiǎng)?chuàng)建模型，同樣需要對(duì)模型的表現(xiàn)特征加以重視，在尊重客觀規(guī)律的情況下，不僅使得所構(gòu)建的模型具備物理屬性，同時(shí)還要讓模型具備物體本身所擁有的反應(yīng)能力與行為手段，即通過(guò)一定的技術(shù)手段使得所構(gòu)建的模型更加富有靈活性與生命力。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)不僅是對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)世界的模擬，同時(shí)也體現(xiàn)出折射特點(diǎn)。這要求在構(gòu)建模型的過(guò)程中，必須將虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模型與現(xiàn)實(shí)模型相比對(duì)，使二者不僅具有相似性，同時(shí)還得具有高度一致性。在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的過(guò)程中，有效結(jié)合幾何建模與物理建模，不僅可以使虛擬現(xiàn)實(shí)中的物體靜態(tài)更加真實(shí)，還體現(xiàn)出動(dòng)態(tài)真實(shí)的特征。由此可知，為了使虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界更加相似，突出二者間的一致性，必須著重強(qiáng)調(diào)應(yīng)用行為建模途徑[6]。

行為建模著重強(qiáng)調(diào)對(duì)模擬對(duì)象的動(dòng)態(tài)描述，其所包含的內(nèi)容主要為物體的行為描述。因此，行為建模可著重突出虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的特征，體現(xiàn)出生命性與真實(shí)性。如果在虛擬環(huán)境中物體并不具備行為或者反饋，則會(huì)導(dǎo)致真實(shí)性較差，不利于吸引更多的虛擬現(xiàn)實(shí)用戶(hù)。

1.4 運(yùn)動(dòng)建模

在虛擬環(huán)境中，我們不僅要建立靜態(tài)的三維幾何體，同時(shí)也要營(yíng)造動(dòng)態(tài)的三維幾何體。此時(shí)物體的特性不僅需要考慮到自身屬性，同時(shí)需要考慮到物體位置之間是否存在碰撞或者表面變形等方面，這也是虛擬環(huán)境處理難度相對(duì)較高的方面。本文以碰撞檢測(cè)方面為切入點(diǎn)進(jìn)行具體闡述。其中碰撞檢測(cè)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)眾多技術(shù)手段中重要性相對(duì)較高的技術(shù)之一，應(yīng)用效果相對(duì)較好，在運(yùn)動(dòng)建模中具有較高的應(yīng)用率。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)一樣，人是不能通過(guò)墻而穿越畫(huà)面或?qū)ο蟮?。因此，利用碰撞檢測(cè)可以對(duì)不同物體的相對(duì)位置進(jìn)行計(jì)算與測(cè)量，簡(jiǎn)而言之，碰撞檢測(cè)技術(shù)作為一種識(shí)別技術(shù)，可對(duì)虛擬環(huán)境中不同對(duì)象之間是否存在碰撞或相對(duì)位置進(jìn)行識(shí)別與確定。但是在應(yīng)用碰撞檢測(cè)的過(guò)程中，如果對(duì)兩個(gè)物體對(duì)象中的每一個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行碰撞計(jì)算，那么不僅任務(wù)量較大還需要大量的時(shí)間。因此，在現(xiàn)階段應(yīng)用碰撞檢測(cè)的過(guò)程中，為了進(jìn)一步降低人力成本與時(shí)間成本，通常應(yīng)用矩形邊界檢測(cè)的方法。此方法盡管精確度相對(duì)較低但是具有較好的應(yīng)用效果[7]。

1.5 模型分割

應(yīng)用模型分割可將虛擬世界按照一定規(guī)則或原則進(jìn)行分割，從而轉(zhuǎn)化成相對(duì)更小的單元，這一過(guò)程可以有效繪制單元中的不同對(duì)象，從而降低模型的復(fù)雜性與構(gòu)建難度。在現(xiàn)階段的模型分割過(guò)程中，應(yīng)用率相對(duì)較高的分割方法為細(xì)節(jié)水平分割與單元分割兩種。其中單元模型分割主要是指將虛擬環(huán)境分割成相對(duì)較小的單元，由此可以使得所構(gòu)建的模型物體被渲染，進(jìn)一步降低出行處理的難度與復(fù)雜程度。因此，單元模型分割在應(yīng)用中更適用于大型建筑模型的構(gòu)建與分割。應(yīng)用單元分割后，所被分割模型的絕大部分在固定視景中所起的作用相對(duì)較小[8-10]。在應(yīng)用模型分割后，視野中多邊形的數(shù)量與視點(diǎn)的移動(dòng)并無(wú)密切關(guān)系，對(duì)于某些相對(duì)規(guī)則的模型切割過(guò)程而言具有較好的應(yīng)用效果；與此同時(shí)對(duì)于那些完成后一般不再輕易變化的建筑模型，可在預(yù)先計(jì)算階段離線(xiàn)完成分割。

2 三維場(chǎng)景構(gòu)建流程的改進(jìn)分析

2.1 三維建模優(yōu)化流程

在三維建模的過(guò)程中，優(yōu)化技術(shù)環(huán)節(jié)具有重要作用。所優(yōu)化的結(jié)果水平高低對(duì)最終系統(tǒng)的呈現(xiàn)結(jié)果起決定性作用，可對(duì)顯示速度與運(yùn)行速率等多方面造成影響。因此，必須立足于場(chǎng)景模擬系統(tǒng)對(duì)原有的傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)行進(jìn)一步更新與改進(jìn)，將新型的優(yōu)化技術(shù)貫穿于整個(gè)建模環(huán)節(jié)。具體步驟如下：

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化必須對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行深層看，按照?qǐng)鼍胺謮K節(jié)奏或者模塊分割節(jié)奏構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)。在完成層次結(jié)構(gòu)分劃后，按照層次建模原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整與處理。

(2)紋理優(yōu)化。首先將數(shù)據(jù)按照文理原則進(jìn)行預(yù)處理，并以建模的實(shí)際需求為原則進(jìn)行再處理，將數(shù)據(jù)分類(lèi)處理為簡(jiǎn)單分量紋理、開(kāi)展紋理格式優(yōu)化或紋理拼接等。

(3)模型優(yōu)化。在模型創(chuàng)建完畢后應(yīng)用可見(jiàn)消隱技術(shù)或?qū)嵗夹g(shù)等技術(shù)手段進(jìn)行再處理，通過(guò)對(duì)多邊形數(shù)目進(jìn)行簡(jiǎn)化與優(yōu)化，達(dá)成模型優(yōu)化的目標(biāo)。

(4)場(chǎng)景優(yōu)化。將已經(jīng)構(gòu)建完畢的模型應(yīng)用紋理映射技術(shù)或?qū)嵗夹g(shù)、外部引用技術(shù)等對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與處理。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，即使模型的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，也必須根據(jù)層次結(jié)構(gòu)加以調(diào)整，通過(guò)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)促進(jìn)最終呈現(xiàn)效果質(zhì)量的提升。因此，必須對(duì)模型所處的環(huán)境開(kāi)展層次結(jié)構(gòu)區(qū)分，具體步驟如下：

(1)根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)開(kāi)展層次劃分，在劃分結(jié)束后對(duì)場(chǎng)景建模的內(nèi)容開(kāi)展分塊處理，對(duì)場(chǎng)景建模中的內(nèi)容進(jìn)行劃分并設(shè)定組織計(jì)劃。

(2)明確場(chǎng)景建模的構(gòu)建目標(biāo)。與此同時(shí)，必須著重強(qiáng)調(diào)組織計(jì)劃的可行性，在一定程度上降低技術(shù)人員的工作量壓力。

(3)在完成上述步驟后搭建對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景。在構(gòu)建三維場(chǎng)景的過(guò)程中，必須以前期的幾何結(jié)構(gòu)以及物體的具體類(lèi)型為基礎(chǔ)，明確虛擬場(chǎng)景的具體結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)劃分情況。在構(gòu)建三維場(chǎng)景的過(guò)程中，所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)為層次結(jié)構(gòu)。因此，必須從宏觀與微觀兩個(gè)角度開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，通過(guò)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化逐一完成區(qū)域的三維場(chǎng)景的優(yōu)化。

其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行分塊或者模型分割，完成層次建模，最后進(jìn)行集成。在對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行場(chǎng)景分塊與模型分割的過(guò)程中，要遵循以下原則：(1)若物體為同一類(lèi)型則可分為一塊，例如街燈等物；(2)在原則上，每個(gè)物品都可以進(jìn)行獨(dú)立分塊，例如防火裝置等；(3)若物體與物體之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，則可進(jìn)行同類(lèi)分塊，其中關(guān)聯(lián)關(guān)系可包括運(yùn)動(dòng)關(guān)系或制約關(guān)系等，例如衛(wèi)星與火箭可分為一塊；(4)若在人體視覺(jué)上處于相鄰關(guān)系的物體則可分為一塊，例如建筑中的配電室或值班室可進(jìn)行同類(lèi)分化；(5)若物體存在實(shí)際可操作性，則可分為一塊；(6)若物體完全沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)關(guān)系或者關(guān)聯(lián)度較低，則也可進(jìn)行同類(lèi)分塊，比如天空與草地或者其他遠(yuǎn)景；(7)若物體在視覺(jué)觀感中屬于連接體則可分為一塊。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)調(diào)整是核心部分，尤其是層次結(jié)構(gòu)的調(diào)整更是會(huì)對(duì)最終三維建模的實(shí)際效果產(chǎn)生重要影響。

在層次結(jié)構(gòu)建模的調(diào)整過(guò)程中必須遵循以下原則。

(1)在構(gòu)建過(guò)程中按實(shí)際需求完成具有層次結(jié)構(gòu)的模型。一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的物體，其構(gòu)成可能由多個(gè)簡(jiǎn)單物體組成。因此，在構(gòu)建復(fù)雜物體的組節(jié)點(diǎn)過(guò)程中不需要將所有簡(jiǎn)單物體都進(jìn)行詳細(xì)考慮，可根據(jù)不同物體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完成組建過(guò)程，在組建過(guò)后將其組合在同一個(gè)組。在將簡(jiǎn)單物體進(jìn)行組合的過(guò)程中，組合順序及組合原則可根據(jù)物體在實(shí)際場(chǎng)景中的具體位置以及重要因素性等因素綜合決定。

(2)在完成層次建模的過(guò)程中，還需根據(jù)物體是否規(guī)則進(jìn)行情況判定。規(guī)則物體與不規(guī)則物體的建模方式有所區(qū)別。在構(gòu)建不規(guī)則物體的層次建模過(guò)程中，需根據(jù)該物體的實(shí)際情況明確規(guī)則部分與不規(guī)則部分，根據(jù)兩部分的重要程度分別完成建模。其中若不規(guī)則部分具有較高的可操作性并且重要程度較高、具有可視性則可作為建模重點(diǎn)；若其余部分重要程度相對(duì)較低，則可利用平面體或較為簡(jiǎn)單的幾何體進(jìn)行代替。在完成規(guī)則物體的層次建模時(shí)，需以不影響真實(shí)觀感為基礎(chǔ)條件，對(duì)物體的外圍部分完成建模，與此同時(shí)規(guī)則物體的連接面或底部等部分，則可忽略不計(jì)。

(3)若從視覺(jué)觀感上物體屬于相鄰位置，則可簡(jiǎn)單進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)建模的調(diào)整與調(diào)節(jié)。若數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)屬于同一等級(jí)則需按照順序從左至右完成排列，若節(jié)點(diǎn)存在但卻不可觀察物體時(shí)可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使得物體顯示位置有所變化；若從視覺(jué)上物體為部分可見(jiàn)時(shí)，則可對(duì)不可見(jiàn)的物體進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)整或者多邊形調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著新興科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)中三維建模技術(shù)的發(fā)展更為迅速，逐漸應(yīng)用至各行各業(yè)中。本文以此為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單概述虛擬現(xiàn)實(shí)的建?；緝?nèi)容并具體分析如何更好地完成三維場(chǎng)景構(gòu)建流程的改進(jìn)與優(yōu)化。