基于VRP-Platform的唐山震前景觀虛擬可視化仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

劉玉賓

（唐山師范學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)系，河北 唐山 063000）

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR），又被稱為靈境技術(shù)，最早是由美國一家公司的創(chuàng)始人在20世紀(jì)80年代初提出的。它屬于計算機(jī)圖形學(xué)的范疇，是真實客觀世界在計算機(jī)中的逼真模擬再現(xiàn)，它通過傳感器技術(shù)等輔助技術(shù)手段，把客觀世界中的一部分用電子模擬的方式表達(dá)出來，讓用戶在虛擬空間中有身臨其境的感覺，并且能與虛擬現(xiàn)實中的對象進(jìn)行相互作用而得到自然的反饋，并讓人產(chǎn)生構(gòu)想。換言之，虛擬現(xiàn)實是利用高科技的手段構(gòu)造出一個虛擬但逼真的人工環(huán)境[1,2]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)了人在虛擬系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。人能夠沉浸到計算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中去，并且能通過多種傳感器與多維信息環(huán)境發(fā)生交互作用。從過去只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計算機(jī)中的單位數(shù)字信息發(fā)生作用，發(fā)展到現(xiàn)在能從定性和定量綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識[3,4]。1993年，在 Electro 93國際會議上發(fā)表的“Virtual Reality System and Application”，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點(diǎn)歸納為三點(diǎn)：Immersion（沉浸），Interaction（交互），Imagination（構(gòu)想），如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點(diǎn)

2 VRP-Platform平臺的優(yōu)勢

VRP-Platform三維互動仿真平臺是由深圳中視典數(shù)字科技有限公司于2002年獨(dú)立開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一款三維虛擬現(xiàn)實平臺軟件，其性價比較高，近年來廣泛地應(yīng)用于視景仿真、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計、軍事模擬等行業(yè)。

目前比較著名的漫游交互平臺有 Virtools、Quest 3D、Vega等等，與Vega和Virtools這些國外軟件相比，VRP更容易掌握，制作思維簡單，學(xué)習(xí)資源相對來說比較多，所以比其它軟件更容易上手。VRP軟件的版本不斷升級，增強(qiáng)了用戶操作的便捷性和穩(wěn)定性，有導(dǎo)向性的圖標(biāo)系統(tǒng)、整潔的外觀風(fēng)格和良好的模塊劃分，可以幫助用戶提供創(chuàng)作的效率，從而使用戶更加專注于作品的質(zhì)量和創(chuàng)造性。選擇VRP作為開發(fā)平臺，其原因可以從以下幾個方面闡述：

（1）VRP全面支持3ds Max版本，包括最新推出的3ds Max2010以及3ds Max Design 2010，從而實現(xiàn)了VRP平臺和3dmax軟件的無縫結(jié)合。

（2）支持VRP-MMO多人在線，VRP-MMO多人在線模塊是一種 3D虛擬社區(qū)，支持多人登錄到VRP-MMO多人在線服務(wù)器。

（3）增加了相機(jī)轉(zhuǎn)場特效和環(huán)境特效等，使得虛擬可視化仿真效果更加絢麗多彩。

（4）支持Lua腳本語言，VRP自帶的腳本編輯器和Lua腳本語言的結(jié)合，使得VRP腳本編輯更加方便和靈活。

（5）VRP強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，同時還支持Firefox的插件安裝包，滿足不同瀏覽器的需求。

3 使用 VRP-Platform 平臺實現(xiàn)唐山震前可視化仿真

使用VRP平臺開發(fā)唐山震前虛擬可視化仿真系統(tǒng)，需要經(jīng)過3dmax建模—渲染—烘焙—導(dǎo)出到VRP進(jìn)行二次開發(fā)等一系列過程，在開發(fā)過程中，為了提高開發(fā)效率、增強(qiáng)系統(tǒng)的實用性、靈活性和可操作性，需要注意以下幾個關(guān)鍵性問題。

3.1 3ds Max模型優(yōu)化

唐山震前的大多數(shù)建筑還是以木材、磚瓦為主要建筑材料，以木構(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)方式。除此以外，唐山震前的一些有特色的建筑尤以屋頂造型最為突出，主要有廡殿、歇山、懸山、硬山、攢尖、卷棚等形式。因此模擬唐山震前建筑相對現(xiàn)代建筑的三維建模要復(fù)雜的多，為保證最后的虛擬仿真系統(tǒng)能流暢運(yùn)行，無論是建模時模型個數(shù)還是模型的貼圖都有更高的要求。

圖2 1972年的唐山火車站

圖3 1963年的唐山鐵道學(xué)院西講堂

圖2、圖3是唐山震前唐山火車站和唐山鐵道學(xué)院西講堂的實景照片，從照片中不難看出，唐山震前的建筑模式和現(xiàn)代建筑大不相同，很有時代特色。所以這也就要求在對唐山震前實景進(jìn)行模擬的過程中，把握建模原則和技巧，歸納為三個字：也就是精、簡、小，在保證模型質(zhì)量的過程中，要考慮到模型的面數(shù)，和模型的個數(shù)。

VRP系統(tǒng)運(yùn)行過程中，圖像顯示的流暢程度和CPU實時計算的快慢取決于模型中多邊形的數(shù)量，如果模型面數(shù)太多，文件運(yùn)行起來將增加運(yùn)算負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致畫面不夠流暢。在建模過程中，不能采用建效果圖的建模方法，在建模過程中我們主要把握以下要點(diǎn)：（1）模型的數(shù)量不宜太多；（2）三角形的三條邊盡量相等，不宜延長；（3）盡可能創(chuàng)建長而薄的物體，或者無紋理貼圖模型；（4）注意建模模式的生產(chǎn)效率和高精密模具的變化；（5）得到的模具表面之間的間距，模具的各個面之間的間距不能太大；（6）對于形狀復(fù)雜的模型，盡量用它的紋理貼圖或照片替代[5,6]。

唐山震前虛擬仿真系統(tǒng)主要是對室外模型進(jìn)行仿真，所以對室內(nèi)漫游沒有要求，在建模過程中我們應(yīng)該省去看不到的墻體內(nèi)面，同樣，唐山震前一些有特色的建筑中比較常見的屋檐和橫梁不能用一根根的串子和木房子按照實際結(jié)構(gòu)來搭建，這樣建模直接導(dǎo)致的后果就是造成模型的面數(shù)成千百倍增加。在處理這些模型的過程中，我們盡量用面層次疊放和貼圖處理來實現(xiàn)。對于室外的綠化問題，樹木和花朵則使用十字面片物體、貼圖鏤空實現(xiàn)，當(dāng)然，比較重要的景點(diǎn)，我們可以使用模型樹，但是遠(yuǎn)景樹木盡量使用十字面片或者面片來實現(xiàn)。以唐山鐵道學(xué)院尖頂歐式一部分建筑為例，優(yōu)化后的模型如圖4所示。

圖4 唐山鐵道學(xué)院優(yōu)化模型

通過圖4我們可以看出，為了在VRP中保持畫面的流暢性，在實現(xiàn)此類比較復(fù)雜的虛擬模型過程中，我們盡量使用貼圖來模擬實際模型，如圖5所示。

圖5 唐山鐵道學(xué)院建筑模型貼圖

3.2 貼圖烘焙技術(shù)

貼圖烘焙技術(shù)也稱為Render To Textures，簡單地說就是當(dāng)使用 3dmax建模完畢并賦予貼圖后，為了提高虛擬仿真系統(tǒng)的渲染速度和提高工作效率，我們需要將3ds max中物體的光影以貼圖的方式帶到VRP中，才能產(chǎn)生真實感。這種技術(shù)是一種把 max光照信息渲染成貼圖的方式，然后把這個烘焙后的貼圖再貼回到場景模型中去的技術(shù)。這種技術(shù)一般主要應(yīng)用在光能傳遞等比較費(fèi)時的計算上，用烘焙的貼圖替換計算，這就在一定程度上節(jié)省了開發(fā)時間，提高了工作效率。

雖然在3dsmax中自帶了烘培功能，但對于較復(fù)雜的場景，在3ds max中用Render To Textures進(jìn)行供培，效果不是很理想。從渲染效果和渲染速度上綜合考慮，我們選擇現(xiàn)在比較流行的Vray軟件，使用Vray軟件烘焙 3ds Max場景，能將場景中的光景信息導(dǎo)入VR-Platform平臺，能為我們制作出更加逼真的虛擬現(xiàn)實場景。

3.3 VRP場景交互技術(shù)

在建模、渲染、烘倍完成之后，通過VRP-Max插件將其導(dǎo)入到VRP中進(jìn)行交互設(shè)計。使用VRP平臺進(jìn)行交互設(shè)計，主要包括以下三個方面的內(nèi)容。

3.3.1 VRP材質(zhì)設(shè)置

除了使用3dmax為對象賦予材質(zhì)，VRP編輯器又提供了四種基本材質(zhì)，包括 Normal、Muhipass、Fxshader、Bttmp四種材質(zhì)類型。Normal材質(zhì)使用得比較多，一般常用的金屬、玻璃、陶瓷、地板、布料等材質(zhì)都是用Normal材質(zhì)類型來實現(xiàn)的。Muhipass材質(zhì)類型也常用做水的材質(zhì)，目前使用得不是很廣泛。經(jīng)常使用的是Fxshader中的菲涅爾水材質(zhì)，Bttmp材質(zhì)類型常用于凹凸材質(zhì)貼圖的使用，F(xiàn)xshader材質(zhì)類型常用于菲擔(dān)爾水材質(zhì)、法線貼圖、頂點(diǎn)設(shè)置等材質(zhì)的制作。

3.3.2 角色控制和添加

VRP平臺為了使用戶更加方便的進(jìn)行虛擬仿真平臺開發(fā)，在編輯器中提供了角色庫，用戶可以隨意地從角色庫里調(diào)用這些角色到 VRP場景里。當(dāng)然，用戶也可以自己設(shè)計3dmax角色模型，導(dǎo)入到VRP角色庫。用戶從VRP的角色庫中調(diào)用一個模型之后，就可以從動作庫中為模型添加一個或者是多個動作。VRP平臺還為用戶提供了路徑綁定功能，用戶可以在場景中繪制任意形狀的路徑，并通過角色綁定路徑，來控制角色按照固定路徑運(yùn)動。

3.3.3 腳本交互和編寫

VRP腳本編輯器主要用來設(shè)置VR虛擬仿真場景的強(qiáng)大交互功能，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)要求來設(shè)置場景豐富的交互功能。系統(tǒng)中可以對各類行為設(shè)計可以通過腳本程序來實現(xiàn)，每段腳本程序可作為獨(dú)立的對象保存為行為庫，方便對虛擬對象進(jìn)行封裝時進(jìn)行調(diào)用。常見的腳本編寫可用于背景音樂的添加、二次單擊事件和多次單擊事件、剛體動畫控制和觸摸屏互動功能設(shè)置等。

4 總結(jié)與展望

本文針對唐山震前虛擬建筑仿真的設(shè)計和實現(xiàn)的原則和方法及評價體系作了一些分析與研究。對于虛擬景觀仿真開發(fā)來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用還有很多阻礙因素，如高昂的制作成本，相關(guān)的技術(shù)難題和模擬軟件的開發(fā)等。但從其應(yīng)用前景看，虛擬景觀仿真有可能是未來展示設(shè)計向高技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)軍的一個重要方向。

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