基于CREATOR視景仿真模型建模技術(shù)的研究與實現(xiàn)

劉 洋 曾雅沁

（中南民族大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

視景仿真技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，特別是在建筑行業(yè)中，例如，建筑工程投標(biāo)的時候，如果能夠把設(shè)計的方案虛擬呈現(xiàn)出來，便可以把業(yè)主帶入到未來的建筑物里參觀，包括屋內(nèi)裝飾、門的高度、窗戶朝向、采光多少等等，都可以看得到，構(gòu)建的虛擬環(huán)境越真實，實時性越強(qiáng)，那么顧客身臨其境的感覺就越明顯，因此，創(chuàng)建模型準(zhǔn)確度的高低，往往直接關(guān)系到應(yīng)用實例的成敗與否[1]。

本文將著手于建筑模型3D呈現(xiàn)這一視角，以某校民族博物館為研究對象,在分析了基于MultiGen Creator的三維建模的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，合理綜合利用相關(guān)技術(shù)，提出了基于Creator的三維虛擬場景建模的優(yōu)化技術(shù)和方法，并構(gòu)建出民族博物館的三維環(huán)境，做到了實物虛擬化，為進(jìn)一步的仿真做準(zhǔn)備。實驗結(jié)果表明這些技術(shù)的使用顯著的提高了系統(tǒng)的實時渲染和響應(yīng)速度。

1 建筑物虛擬場景的設(shè)計與實現(xiàn)

對于民族博物館的建模，重點針對建模中常見的問題以及系統(tǒng)真實性和渲染速度的要求，提出了建模的技術(shù)路線與方法，實現(xiàn)了民族博物館虛擬場景模型，以供漫游引擎調(diào)用。

1.1 場景的構(gòu)建流程

民博建筑屬于復(fù)雜場景，所以要采用拆分的思想，觀察模型，將模型進(jìn)行分組，然后分別創(chuàng)建group節(jié)點，在相應(yīng)的組節(jié)點下進(jìn)行建模，場景建模技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 場景的建模技術(shù)路線

1.2 虛擬場景建模

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是三維建模的主要依據(jù)。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性決定了模型的精確度和整個場景的真實感的高低[2]。場景外觀與幾何形狀等數(shù)據(jù)主要來自場區(qū)平面圖以及一些實物照片和視頻文件，而紋理數(shù)據(jù)主要來自于后期處理過的攝影照片。

在建模前，先對模型進(jìn)行測量，測量方法有：

1）工具測量，使用google earth對模型的邊緣(俯視圖)進(jìn)行測量，畫出模型俯視圖對應(yīng)的平面圖，同時測量各邊的長度，進(jìn)行標(biāo)注；

2）實地測量，實地觀測模型，目測或步測，或者選擇一個標(biāo)準(zhǔn)的長度進(jìn)行測量（例如：記錄一塊地板的長度，通過數(shù)地板數(shù)目可計算相關(guān)數(shù)據(jù)），記錄測量數(shù)據(jù)；

3）對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以供建模時參考，如有需要，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行人為修改；

4）因為Creator網(wǎng)格的最小單位是cm，所以，數(shù)據(jù)的精度不能高于cm；

5）通過照相機(jī)拍下民博的門、窗、屋檐等，并使用Photoshop軟件進(jìn)行了處理，作為紋理圖片，并且要轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)支持的圖像格式。

1.2.2 建筑物模型的創(chuàng)建

建一個模型時，先分析其組成結(jié)構(gòu)，它是由哪些基本模型組合而成的，基本模型包括：矩形、立方體、圓柱、球體、錐形、多邊形等等，分析出模型的組成結(jié)構(gòu)后，再分析不同基本模型的組合方式，分析各基本模型相交的地方，為了使構(gòu)建出的模型有盡可能少的多邊形，所以，在建模時少用或者不用球體等多邊形數(shù)目較多的形體，最后將各部分組合起來。例如對博物館房頂?shù)奶幚?，可以發(fā)現(xiàn)它由三個模塊組成，首先是對屋檐，因為屋檐的角是彎曲向上、向外延伸的，因此可以通過基本模型矩形扭曲變化得到的，其次是屋檐四個向上彎曲的牛角的處理，由于該模型是立體的，且都是曲面，因此對其簡化，只做其平面立體圖形，視覺效果上差異不大，最后是根據(jù)實體圖片，分析屋頂上的結(jié)構(gòu)，合并并補(bǔ)全一個屋頂，其中由于每個瓦塊類似彎曲的圓柱體，在處理時用拉伸工具，先做一個圓平面，然后使它曲線化，在轉(zhuǎn)彎的部分每選一個點就產(chǎn)生一個圓柱體的節(jié)點，產(chǎn)生彎曲的效果，做完一個圓柱體之后，其他的通過陣列復(fù)制得到，屋頂?shù)耐暾Ч麍D如2所示。

圖2 整個屋頂?shù)男Ч麍D

2 建模中用到的優(yōu)化技術(shù)

2.1 實例化技術(shù)

模型對象實例化技術(shù)是指相同的幾何體共享于同一模型數(shù)據(jù)，通過矩陣變換安置在不同的地方，以避免對模型對象的復(fù)制，解決了模型對象重復(fù)性出現(xiàn)的問題[3]，使用實例化技術(shù)，在修改該類型的模型時，只對其模型（先建好的模型）進(jìn)行更改，可同步應(yīng)用到其他的模型，這樣可以簡化建模過程，提高建模效率，節(jié)省了計算機(jī)運行的開銷。例如，博物館兩旁的路燈，它們的幾何形狀完全一樣，只是位置、方向不同，如果把每個燈的模型都調(diào)入內(nèi)存，將會造成極大地資源浪費，對于相同物體僅存放一份實例，通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放之后得到所有相同結(jié)構(gòu)的其他物體，節(jié)約了存儲空間。

2.2 層次細(xì)節(jié)技術(shù)

LOD主要是通過隨著視點變換來改變物體模型的細(xì)節(jié)程度，旨在提高顯示速度，對于離視點比較遠(yuǎn)的模型，我們就用粗糙一點的LOD模型來進(jìn)行繪制，而對于離視點比較近的模型，我們就用比較精細(xì)的LOD模型來進(jìn)行繪制。繪制不同LOD模型的方法有兩種：一種是以不斷逼近的相似集合體來描述，其核心思想是通過降低無需重點關(guān)注的模型的面的數(shù)量來形成粗糙的LOD模型；另外一種方法是通過改變紋理的分辨率來形成不同的LOD模型[4]。另外，LOD與Mophing技術(shù)結(jié)合，可以增強(qiáng)LOD的變換的平滑性。由于OpenFlight模型數(shù)據(jù)庫的樹狀層級結(jié)構(gòu)，不在當(dāng)前的可視范圍內(nèi)的LOD節(jié)點的所有子節(jié)點也都不會被顯示出來，所以通過合理設(shè)置LOD節(jié)點之間的層級結(jié)構(gòu)，可以加速實時系統(tǒng)對LOD的處理，從而調(diào)高系統(tǒng)的運行效率[5]。

2.3 紋理映射技術(shù)

紋理映射技術(shù)的基本思想是將采樣到的二維圖像映射到地平面或物體內(nèi)外表面，也就是將二維數(shù)字圖像“貼”到三維物體的表面上，產(chǎn)生表面紋理細(xì)節(jié)，針對一些復(fù)雜的模型，利用逼真的紋理既可以提高模型的細(xì)節(jié)水平和真實感，又不增加三維幾何造型的復(fù)雜度，從而減少了模型的多邊形數(shù)量，構(gòu)建物體的面數(shù)可以大大的減少。

在本系統(tǒng)中，對博物館內(nèi)部的展館，就大量的使用了紋理映射技術(shù)，并且結(jié)合光照、陰影生成技術(shù)來實現(xiàn)，從而可以了加快系統(tǒng)的運行速度。

在紋理的使用過程中，還會用到紋理拼接技術(shù)，它的出現(xiàn)減緩了由于大量使用高分辨率的紋理給系統(tǒng)帶來的沉重負(fù)擔(dān)。紋理拼接的基本思想是：將大紋理拆分為若干個小范圍紋理，然后尋找具有代表性的紋理圖案作為拼接因子，這樣就可用若干小圖像拼接出一幅大圖像的效果[7]。紋理拼接在大面積單調(diào)景觀的模擬上非常實用，例如對草地的處理，由于草地覆蓋面積大，相對于其他場景來說，可以做模糊處理，采用直接貼圖的方法，先建立草地的不規(guī)則多邊形面，將每塊草地分成邊緣區(qū)和中心區(qū)兩部分，抬高面0.01公分，以防止出現(xiàn)紋理“閃爍”的情況，使用Photoshop工具，截取草地照片中的一小塊，重復(fù)紋理，即可完成整面的紋理。

2.4 消除冗余的多邊形

實體模型的構(gòu)建中常常出現(xiàn)冗余現(xiàn)象，為了提高系統(tǒng)的實時性，應(yīng)去除這些模型中不可見的多邊形，包括模型幾何體內(nèi)部的多邊形，一些過度的模型細(xì)節(jié)和被其他多邊形完全遮蔽的多邊形，例如，當(dāng)把整個“民博”建筑倒置之后，它們的底部是不可見的。

3 模型整合

每個小部分都做完之后要將整個場景整合在一起，因為這里每個模塊都是在原有模塊的基礎(chǔ)上，選擇好參考面做的，所以可以直接呈現(xiàn)。最終得到中南民族大學(xué)民族博物館場景的三維構(gòu)造圖，中南民族大學(xué)全景效果圖如圖3所示。

圖3 民族博物館整體虛擬呈現(xiàn)

4 結(jié)語

本文是對三維建模技術(shù)在視景中的應(yīng)用研究，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，如應(yīng)用到軍事、教育培訓(xùn)、工程設(shè)計、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、影視、藝術(shù)、娛樂等眾多領(lǐng)域，對大規(guī)模復(fù)雜場景的模型創(chuàng)建要求越來越高。這里以民族博物館場景為例，利用MultiGen軟件平臺，成功建出一個具有較高實時性和精確性的復(fù)雜場景模型，并對三維建模技術(shù)的理論、方法和技術(shù)進(jìn)行研究，給出了很多三維建模中要用到的處理技術(shù)，取得了良好的現(xiàn)實結(jié)果。

項目運行結(jié)果顯示，三維模型數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，能夠清晰的呈現(xiàn)中南民族大學(xué)民族博物館的外觀場景，但是在項目開發(fā)過程中也存在這樣那樣的問題，在實例化技術(shù)處理外觀相同的屋頂時，由于位置拼接有微小的偏差，導(dǎo)致實時顯示階段在畫面刷新時會產(chǎn)生“閃動”現(xiàn)象，影響了場景的真實感，這一問題有待進(jìn)一步研究解決。

［1］李俊山，王蕊，李建軍，等.三維視景仿真可視化建模技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2011.

［2］褚彥軍，康鳳舉，高立娥，等.視景仿真的三維模型庫管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].計算機(jī)仿真，2004,21(5)：174-176.

［3］宗美玲，童小念.視景仿真系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化實現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009(18)：102-104.

［4］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社，2005.

［5］洪光，李洪儒，牟建國.基于 Creator的三維模型的簡化[J].計算機(jī)仿真，2004,21(1)：57-58.

［6］程效軍，朱鯉，劉俊領(lǐng).三維建模中的紋理處理[J].應(yīng)用技術(shù)，2004(2)：24-26.

［7］段曉娟，張茂軍，李國輝，齊越.虛擬實景空間中的紋理映射技術(shù)研究[J].計算機(jī)工程,2001(5).