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        三維建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

        2022-11-24 23:43:57王志崗
        無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技 2022年16期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化模型

        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。

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