一種數(shù)字礦山快速漫游的層次建模方法

龔星宇,常心坦

(1.西安科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

?

一種數(shù)字礦山快速漫游的層次建模方法

龔星宇1,常心坦2

(1.西安科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

針對虛擬數(shù)字礦山中三維場景渲染速度問題，以提高漫游過程細節(jié)層次的建模速度為目標，通過對三維場景中各模型的相關性定義，提出了一種快速結構分層建模方法。首先利用漫游場景中規(guī)則模型的視點相關性組織細節(jié)層次，通過結構分層有效組織和管理礦山漫游三維場景，從而減少場景程序文件容量；其次利用視點相關性提出的動態(tài)權系數(shù)算法，計算礦山各結構分層動態(tài)顯示系數(shù)；以簡單、快速的方式構建動態(tài)變化下的場景模型，實現(xiàn)數(shù)字礦山各結構塊不同細節(jié)層次顯示的虛擬漫游。實驗結果表明，該方法能夠有效減小程序文件，實現(xiàn)數(shù)字礦山三維場景的快速漫游。

虛擬現(xiàn)實;數(shù)字礦山；渲染優(yōu)化；場景管理；視點相關

0 引 言

伴隨數(shù)字攝影、地理信息系統(tǒng)和三維可視化技術的發(fā)展，數(shù)字礦山應用已成為煤炭行業(yè)研究的發(fā)展趨勢和信息化建設的重要方向[1-2]。以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，優(yōu)化建模為目標，生成實景虛擬礦山漫游系統(tǒng)，讓瀏覽者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

作為計算機技術中應用熱點的虛擬現(xiàn)實技術，已廣泛應用于園區(qū)場景的虛擬漫游可視化[3-4]。但是對于數(shù)字礦區(qū)這樣大規(guī)模多類數(shù)據(jù)集的高速交互式三維場景可視化仍具有極大的挑戰(zhàn)性，其主要原因在于場景渲染速度問題[5-6]。細節(jié)層次(LOD)技術是解決此類問題流行的優(yōu)化方法之一，通過降低模型的視覺質量來提高渲染效率[7-8]，高分辨率場景數(shù)據(jù)渲染采用LOD技術可以提高三維立體地形可視化及實時漫游效果[9]。研究者從網(wǎng)格簡化算法和層次劃分方法2方面[10-11]已經(jīng)作了大量研究并取得成果。文獻[12]把用戶感興趣區(qū)域ROI融入LOD模型，在不明顯降低原始模型的表面細節(jié)信息前提下，平均減少27%的內存容量；文獻[13]利用LOD技術產(chǎn)生基于形狀特征分析和變形區(qū)域保存技術的漸進式變形網(wǎng)格；文獻[5]為提高渲染速度，采用視點相關的DEM數(shù)據(jù)分塊策略。但是以上方法對于動態(tài)虛擬場景沒有提供直接的細節(jié)層次解決方法。

文中針對動態(tài)場景中的LOD問題，從數(shù)字礦山場景空間結構特征出發(fā)，結合虛擬現(xiàn)實建模語言自身特點，提出一種結構分層方法和計算各分層結構間動態(tài)權系數(shù)的算法，實現(xiàn)數(shù)字礦山各結構塊不同細節(jié)層次顯示的快速虛擬漫游。

1 數(shù)字礦山結構分層法

在數(shù)字礦山虛擬漫游中，假設V為當前視點，場景中每個物體距離視點V不同。虛擬環(huán)境中為了逼近真實世界，各物體不是實際顯示真實模型大小，而是根據(jù)其距離V的遠近程度，顯示對應的細節(jié)層次模型，即：近者為較細模型，遠者為較粗模型[14]。如果對數(shù)字礦山場景中的每個虛擬物體，都分別建立由細到粗的細節(jié)層次模型，結果必然會產(chǎn)生龐大的模型文件。

若能對場景進行結構化處理，則會形成結構化模型。LOD模型以結構塊為單位而不是單個物體，會在很大程度上減小程序文件?；谝陨峡紤]，這里提出數(shù)字礦山結構化分層方法：即對V視點下的數(shù)字礦山場景集合M，按照從左向右、從上向下的空間結構進行結構化處理，表示為集合Wi，其中1≤i≤6，如圖1所示。在此結構化處理基礎上進行LOD處理。

圖1 結構化分層原理示意圖

圖1中，按照結構化分層方法場景M被分成6部分，各部分與背景集合B共同組成M.并且使Wi∩Wj=Φ.即結構化的各集合互不相交并相互獨立，且交集為空集。另外，W1∪Wi∪…W6∪B=M，即各結構塊Wi與背景集合B共同構成全集。

實際中的數(shù)字礦區(qū)三維場景不一定如圖1結構完整，為了具體化結構分層方法的應用，這里對其進行簡化。當前視點場景集合m，按照從左向右、從上向下的空間結構進行結構化，表示為集合wi，其中，1≤i≤4，在此結構化基礎上做LOD處理。

簡化結構分層的結果如圖2所示。簡化結構分層后同樣具有wi∩wj=Φ和w1∪wi∪…w6∪b=m的關系，其中b表示簡化結構后的背景集合。

圖2 簡化結構化分層示意圖

圖2中，視點V的移動軌跡用向量X表示。隨著V的變化，wi顯示的模型層次呈動態(tài)變化趨勢，具體變化過程通過動態(tài)權系數(shù)描述，計算方法在下一節(jié)介紹。

2 結構塊動態(tài)權系數(shù)算法

為實現(xiàn)數(shù)字礦山虛擬漫游，應該為視點設定漫游路徑。路徑變化過程中，結構塊發(fā)生細節(jié)層次變化，這一變化與模型到視點的距離有關。

設視點X沿指定路徑移動，結構塊顯示的層次模型與權系數(shù)η相關，η與結構塊和視點之間距離d有關。結構塊同時受其他結構塊的影響，共同形成動態(tài)變化過程。設原模型為W，則當前需要顯示的層次模型W′為

W′=η·W，

(1)

如果把結構塊分為如圖1的6塊形式，用I表示各結構塊之間的影響因子矩陣，則I可以表示為

(2)

其中iij表示第i個結構塊對第j個結構塊的影響因子， 1≤i≤6,1≤j≤6.那么某個結構塊i的動態(tài)權系數(shù)ηi可以通過下式計算

(3)

式(3)中的β表示歸一化因子，其中1≤i≤6,0≤ηi≤1.

結構塊動態(tài)權系數(shù)算法步驟為

試驗段施工前，對下路床頂高程、中線、寬度、平整度、壓實度進行驗收。檢驗合格后，根據(jù)設計導線點恢復該段的路線中樁及邊樁，安排人員灑出路基中、邊線。

Step1初始化各結構塊η值；

Step2用式(3)計算沿指定路線移動后各結構塊η值；

Step3用式(1)計算當前模型層次；

Step4轉步驟2.

3 數(shù)字礦山結構化分層實現(xiàn)及結果分析

為了驗證結構分層細節(jié)建模表示方法在數(shù)字礦山虛擬漫游中的作用，文中對實際數(shù)字礦山地面場景做結構化分層實驗。應用虛擬現(xiàn)實建模語言VRML和Java編程，將本文提出的結構化分層方法和動態(tài)權系數(shù)算法應用于三維數(shù)字礦山動態(tài)場景的LOD處理，并分析實驗結果。

3.1 數(shù)字礦山場景結構化分層

假設礦山場景當前視點在V下，按照本文提出的結構化分層原理，對場景進行結構化分層。在場景動態(tài)變化即視點V移動過程中，視點會進入某一個結構塊內，此時按照第一節(jié)方法繼續(xù)進行結構化分層。結構化分層之后，以結構塊場景為單位，建立LOD模型。動態(tài)場景中，按照第二節(jié)算法的計算結果調用相應的層次模型。

如果用VRML中自帶的LOD節(jié)點對數(shù)字礦山場景進行細節(jié)層次處理，則需要為場景中每一個物體的LOD節(jié)點設計程序。與結構化分層相比較，LOD節(jié)點設計程序會較大。隨著場景復雜度的增加，需設計的LOD節(jié)點成線性增長。而結構化分層思想按照視覺空間位置信息，把礦山場景分成圖1或是圖2的結構化形式，按照圖2簡化結構化分層，將左上部分物體歸入w1，左下部分物體歸入w3，右上部分物體歸入w2,右下部分物體歸入w4，完成結構化分層工作，最后結果如圖3,圖4和圖5所示的效果。

圖3 數(shù)字礦山結構化分層場景1

圖4 數(shù)字礦山結構化分層場景2

圖5 數(shù)字礦山結構化分層場景3

3.2 結果分析

在圖3，圖4，圖5所示數(shù)字礦山場景基礎上，進行基于第二節(jié)動態(tài)權系數(shù)算法的動畫設計，經(jīng)過實驗結果的文件比較見表1，表2，表3所示。按照自左向右、自上而下的順序對結構塊進行編號，3個表格依次列出各結構塊和總場景采用結構化分層原理與未采用結構化分層原理的程序文件大小。

表1 場景1文件大小比較Tab.1 Comparison of the scene 1 file size 字節(jié)

表2 場景2文件大小比較Tab.2 Comparison of the scene 2 file size 字節(jié)

表3 場景3文件大小比較Tab.3 Comparison of the scene 3 file size 字節(jié)

通過表1，表2，表3的數(shù)據(jù)比較可以看出，本文提出的結構化分層LOD方法能夠有效減小VRML文件。w1文件平均減少10%，w2文件平均減少4%，w3文件平均減少6%，w4文件平均減少4%，m文件減少8%。結構塊包含物體越多，文件減少就越明顯。

表4，表5，表6進一步說明本文所提方法的有效性，分別列出數(shù)字礦山場景3倍復雜度時使用結構分層LOD方法的實驗結果。

表4 3倍復雜度場景1文件大小比較Tab.4 Comparison of the three times scene 1 file size 字節(jié)

表5 3倍復雜度場景2文件大小比較Tab.5 Comparison of the three times scene 2 file size 字節(jié)

表6 3倍復雜度場景3文件大小比較Tab.6 Comparison of the three times scene 3 file size 字節(jié)

三倍復雜度數(shù)字礦山場景中，w1文件平均減少12%，w2文件平均減少8%，w3文件平均減少9%，w4文件平均減少7%，m文件平均減少10%.三倍復雜度場景比原場景減少文件平均多4.8%.可見本文提出的結構分層LOD方法尤其對復雜礦山場景及包含物體較多的結構塊效果會更加顯著。

實驗結果表明，經(jīng)過動態(tài)權系數(shù)算法的動畫漫游效果基本不影響動畫質量。充分表明本文所提出方法的有效性和實用性。

4 結 論

本文以數(shù)字礦山漫游為應用背景，在VRML動態(tài)場景下，利用結構分層方法對礦山場景進行結構化處理，形成分層結構化的LOD模型。結構化分層方法以簡單的方式實現(xiàn)模型組動態(tài)LOD表示和礦山場景模型文件的縮減，總結研究內容與實驗結果表明

1)本文提出的方法能有效減小程序文件且有較好的動畫效果；

2)能有效提高數(shù)字礦山漫游的渲染速度；

3)增強了數(shù)字礦山漫游的真實感。

References

[1]于 濤,漆 濤,陳建強.神新能源公司數(shù)字礦山架構設計與分析[J].西安科技大學學報，2014,34(3):362-367.

YUTao，QITao，CHENJian-qiang.DesignandanalysisofdigitalminearchitectureforShenxinenergycompany[J].JournalofXi’anUniverstiyofScienceandTechnology,2014,34(3):362-367.

[2]陳 宇,劉勇，李紹泉.數(shù)字礦山信息管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].西安科技大學學報，2012,32(6):732-735.

CHENYu，LIUYong，LIShao-quan.Designandimplementationofdigitalmineinformationmanagementststem[J].JournalofXi’anUniverstiyofScienceandTechnology，2012,32(6):732-735.

[3]HANHong-ling,YANGFeng-lei.Large-scaleterrainscenemodelingandroamingsimulationbasedonVRML[C]//20102ndConferenceonEnvironmentalScienceandInformationApplicationTechnology.IEEE，2010.

[4]LUODan，TANGuo-xin，WENLiu-yin，etal.Astudyfor3DvirtualcampusnavigationsystembasedonGIS[S].IEEE，2008:1-5.

[5]馬 莉.本體的煤礦數(shù)字化應急預案系統(tǒng)研究[J].西安科技大學學報，2014,34(2):216-223.

MALi.Digitalizedsystemofcoalmineemergencyplanbasedonontoloty[J].JournalofXi’anUniverstiyofScienceandTechnology,2014,34(2):216-223.

[6]RodriguezR，CerezoE，BaldassarriS.NewapproachestocullingandLODmethodsforsceneswithmultiplevirtualactors[J].ComputersandGraphics,2010,34(6):729-741.

[7]CHENWen-yu，LIYu-sha，PANJ，etal.T-splinesinVRML[C]//Proceedingsofthe10thinternationalconferenceonvirtualrealitycontinuumanditsapplicationsinindustry.NewYork:ACM，2011.

[8]JinghuaGE，SANDINDanielJ，JOHNSONPAndrew.Point-basedVRvisualizationforlarge-scalemeshdatasetsbyreal-timeremotecomputation[C]//Proceedingsofthe2006ACMinternationalconferenceonVirtualrealitycontinuumanditsapplications.NewYork:ACM，2006:43-50.

[9]McRobertDAK，HardyA.Levelofdetailforterraingeometryimages[C]//Proceedingsofthe5thinternationalconferenceonComputergraphics，virtualreality，visualisationandinteractioninAfrica.NewYork:ACM，2007.

[10]ZHANGJing，CHENGuo-jun.Exploitingframe-to-framecoherenceforrenderingterrainusingcontinuousLOD[C]//Proceedingsofthe16thinternationalconferenceonAdvancesinArtificialRealityandTele-Existence.Berlin:Springer，2010.

[11]SmullenSW，SmullenCM.SantaC.Interactive3Dterrainexplorationandvisualization[C]//Proceedingsofthe43rdannualSoutheastregionalconference.NewYork:ACM，2007: 393-396.

[12]JUNGJungil,CHOJinsoo.Detailed-informationbrowsingtoformcentralizedmeshstructureinregionofinterest[C]//Proceedingsofthe4thinternationalconferenceonuniquitousinformationmanagementandcommunication.NewYork:ACM，2010.

[13]ZHANGShi-xue，WUEn-hua.Ashapefeaturebasedsimplificationmethodfordeformingmeshes[M].Berlin:Springer,2008.

[14]張德豐,周 靈.VRML虛擬現(xiàn)實應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

ZHANGDe-feng，ZHOULing.VirtualrealityapplicationtechnologyofVRML[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry，2010.

A method of level modeling for digital mine’s fast roaming

GONG Xing-yu1,CHANG Xin-tan2

(1.CollegeofComputerScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Aiming at the problem of the rendering speed in digital mine and in order to improve the rate of level of detail modeling in Digital Mine roaming，a new fast LOD method based on structure level modeling is proposed using the view-depend of model in roaming scene to organize the level of detail.First，organize and manage mine roaming three-dimensional scene effectively using structure level to reduce the total digital mine scene file.Secondly，using the proposed algorithm of dynamic weight coefficient，the dynamic display coefficient of each mine structure block level is calculated.Finally，the 3D scene model of digital mine in dynamic changes can be constructed by a simple and fast way to realize the virtual roaming in structure block level.Experimental results show that this method can effectively reduce the program file，and achieve fast roaming for 3D scene of digital mine.

virtual reality；digital mine；rendering optimization；scene management；view-depend

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0119

1672-9315(2015)01-0110-05

2014-10-20責任編輯:高 佳

陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2012JQ8035)；陜西省教育廳科研計劃項目資助(2013JK0870)

龔星宇(1982-)，男，寧夏平羅人，博士研究生，講師，E-mail:gxyonline@gmail.com

A