基于MultiGen Creator的綜合船橋建模與優(yōu)化

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

虛擬現實技術[1](VR)是一種使用各種先進的計算機軟、硬件構建虛擬場景，用以實現對自然環(huán)境的逼真模擬和實時交互體驗的先進技術。將虛擬現實技術引入綜合船橋設計中，并通過三維實時視景仿真，對綜合船橋設計和設備布置效果進行直觀展示和輔助仿真分析，可節(jié)約一定的時間和經濟成本。

1 三維綜合船橋建模

1.1 三維建模工具MultiGen Creator

MutliGen Cerator[2]工作在“所見即所得”的三維環(huán)境中，能使用戶清楚了解建模的每一個步驟，以及數據庫每一處改動。MultiGen Creator與CAD等其他建模軟件的區(qū)別在于，他考慮了如何生成逼真的大面積地形、地貌等地理環(huán)境，以及如何創(chuàng)建低多邊形數的模型，簡化和減少實時應用的程序要求，提高模型實時性。目前，MultiGen Creator產品有基于Windows操作系統(tǒng)的版本，極大地方便了用戶的使用。

MultiGen Creator的開放式文件格式OpenFlight可以說是視景仿真領域的行業(yè)規(guī)范。同時，MultiGen Creator還具有強大的兼容性，能與眾多的圖像處理軟件格式兼容，如：VRML、3DMax、AutoCAD、Photoshop或是Wavetront的數據文件。

1.2 3D Max

3D Max也是虛擬現實領域常用的三維建模工具[3]。3D Max具有非常強大的點、線、面、幾何體編輯功能，如編輯網格、放樣、NURBS曲面、布爾運算等功能，對對象的細節(jié)描述非常生動，渲染能力非常強，適用于建立精細對象模型。

但是對于3D Max文件來說，數據量的控制是一個難以解決的問題。一般的3D Max文件都要大于100 k，一個小小的駕駛艙工作電話模型就有10 M。這樣的模型文件大小對于需要進行實時交互的船舶駕駛艙三維視景仿真來說，是相當大的負擔。

為了解決視景仿真實時性與船舶駕駛艙模型逼真度之間的矛盾，將3D Max與MultiGen Creator結合運用，進行組合建模，見圖1。表1為駕駛艙模型的分類以及建模工具選擇。

圖1 船舶駕駛艙三維模型

建模工具適用船舶駕駛艙內對象模型文件大小MultiGen Creator船體結構海圖室設備 一般描述對象,如:普通盤臺、推進臺、雷達臺等單一對象模型<100 k3D Max 對細節(jié)描述要求高的對象,如:分羅經、電話、高檔皮椅,舵輪等單一對象模型>10 M

1.3 綜合船橋三維建模流程

圖2為基于三維建模工具MultiGen Creator和實時視景仿真環(huán)境Vega 的綜合船橋建模流程圖[4]。

圖2 三維建模流程圖

仿真建模的第一步必須進行資料的收集和整理，然后依據仿真對象需要表現的細節(jié)程度，選擇不同的仿真建模工具進行原型建模。一般來說，選擇3D Max和Maya等工具進行精細部件的建模，通過轉換工具導入Creator進行模型的修復和優(yōu)化。所有模型建模優(yōu)化完畢，就可以加載到實時視景仿真環(huán)境Vega中進行仿真研究。

2 綜合船橋模型的整合

2.1 MultiGen Creator模型的合并

通常情況下，一個大型場景是由多人進行三維建模，然后依據模型的原始位置、尺寸、相對關系進行整合拼接而成。通過實踐和效果對比，總結出兩種不同的模型整合方法。

1) 小場景的模型整合。如果需要建立的三維場景不是特別龐大，涉及模型對象數量有限(如：對象小于100個)，這時可采用“小圖拼大圖”方法來完成整個場景建模。這時只需要注意局部模型文件的繪制比例、相對位置，以及其在OpenFlight文件結構中的層次位置即可。

這種方式簡單、快捷，生成后的全場景三維模型不會丟失紋理，且便于保存。主要缺陷是隨著局部模型的不斷加入，場景不斷豐富，所生成的．FLT文件不斷增大。這樣在導入實時視景仿真環(huán)境Vega時就會造成加載速度慢，刷新時間較長，不利于實時漫游。文中建立的船舶駕駛艙模型基本上仍屬于小場景，適用于此種方法。

2) 大場景復雜景物模型整合[5]。對于大場景、復雜景物的三維建模，比如整條船的三維建模，采用小場景建模方法顯然不合適。因為一條船不僅有復雜的船體結構，船上有各種儀器、設備，而且管路很多，如果把所有對象模型都復制到一個文件中，這個文件顯然是太龐大了。這時必須采用外部引用方式來完成大場景的拼接。這時，每個模型對象的紋理文件和三維模型文件都被單獨保存，相對獨立。當運行視景仿真程序時，計算機將只顯示要求，通過OpenFlight數據關系進行快速的視景裝配。這樣CPU的處理負擔被大大減輕了，不會因為一次性調入過多的模型而死機或者使得漫游速度過慢。

2.2 3D Max模型的導入及優(yōu)化

網上3D Max的模板資源較為豐富，這為建立駕駛艙內的精細對象模型提供了便利，如：高檔皮椅，電話等。但這些基于3D Max的模型文件并不能直接被視景仿真使用，必須對其進行修復和優(yōu)化處理。圖3和圖4分別顯示了一個剛剛導入的3DS模型各個三角面信息和一個常規(guī)的Creator OpenFlight層次結構。

圖3 3D Max模型導入Creator后的層次化結

圖4 正常的OpenFlight層次結

對比圖3、4可以看出，圖3所示模型的子父組關系非常紊亂，而且大大小小的三角面數量很多，所以優(yōu)化是必要的[6]。主要優(yōu)化步驟如下：

1) 忽略看不見的細節(jié)。例如，如果管子內部不必顯示，用實心體來代替。

2) 忽略對整體視覺效果影響不大的細節(jié)。在機械系統(tǒng)中有很多傾斜的邊緣，他們在3D Max中并不重要。如果在3D Max中對這些細節(jié)建模，特別是內圓角，模型的面數會有很大的增加，因此將這些細節(jié)忽略。

3) 用紋理表現一些細節(jié)。許多機械式系統(tǒng)有鉚釘或硬邊會占用很多面，改變的方法是渲染模型，即通過凹凸映射表現這些細節(jié)，獲取位圖，然后應用位圖到模型的表面。比如駕駛艙窗戶四周的鉚釘。

4) 用簡單模型替代復雜模型。在大型仿真場景系統(tǒng)，圓柱體通常用三棱柱或四邊形代替。

5) 編輯模型的子對象和刪除對場景效果影響甚微的子節(jié)點。

3 船舶駕駛艙三維模型優(yōu)化

船舶駕駛艙雖然屬于小場景，但是其模型還是比較豐富的。為了提升仿真的實時性，對三維模型進行了一定的優(yōu)化[7]。

1) 刪除、合并面。對于漫游中看不見的面和操控臺內部的面都進行刪除。對于位置臨近、邏輯關系上屬于同一對象的面進行合并。

2) 重復模型的實例化。實例是指模型數據庫中模型對象的一個參考副本，他在內存中僅裝入一次，類似于動態(tài)連接庫文件，這樣可以節(jié)省大量的硬盤和內存空間。對于船舶駕駛艙中的多部工作電話，采用了實例化技術。

3) 簡化紋理。在不失視覺效果的前提下，用小尺寸的紋理圖片代替大尺寸的圖片。例如用16×16像素的圖片代替128×128像素的圖片。

4) 運用層次細節(jié)(LOD)技術。對于具有復雜

結構的模型對象，建立細節(jié)層次描述不同的多個版本。當遠距離觀察該物體時，調用細節(jié)層次最粗糙的模型。隨著視點不斷貼近該物體，逐步切換細節(jié)描述精細的模型。這樣能夠達到減少多邊形的目的，減少實時渲染的開銷。文中對分羅經的處理就采用了LOD技術。

4 結束語

三維建模技術是虛擬現實技術中的關鍵技術，也是仿真度是否逼真的關鍵。結合綜合船橋這一研究對象，在研究和對比了主流三維建模軟件MultiGen Creator和3D Max的基礎上，提出將兩者相結合來構建小范圍復雜場景的方法，應用于實際項目中取得了較理想的效果。

[1] 張 嵐,蒲小瓊.基于CREATOR與VEGA技術的虛擬場景優(yōu)化技術及研究[J].計算機應用與軟件,2007，24(5)：116-118.

[2] 王裕儉.基于MultiGen Creator和Vega的虛擬現實探討[J].測繪信息工程,2003(8):14-16.

[3] 王 堅,孫宇浩.身臨其境:虛擬現實科學與技術[M].杭州:浙江技術出版社,1999.

[4] 陳 誼,孫悅紅,牛 兵.基于CAD數據的3D場景建模及演示技術研究[R].北京工商大學計算機學院,2007.

[5] 程效軍,朱 鯉,劉俊領.三維建模中的紋理處理[J].遙感信息,2004(2):24-26.

[6] 朱 慶,龔 俊,杜志強,等.三維城市模型的多細節(jié)層次描述方法[J].武漢大學學報:信息科學版,2005,30(11):965-969.

[7] 朱仁成.3DS Max室外建筑藝術與效果表現[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.