礦山虛擬環(huán)境三維模型系統(tǒng)優(yōu)化方法研究

顧海霞

摘要：該文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型系統(tǒng)實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化的重要性，探討了虛擬場(chǎng)景中三維模型系統(tǒng)實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化的方法，以礦山虛擬環(huán)境三維模型系統(tǒng)的優(yōu)化為例，對(duì)優(yōu)化前后系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行了比較，說(shuō)明系統(tǒng)優(yōu)化后能夠顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：虛擬礦山系統(tǒng)；三維模型；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）28-0223-02

Abstract： Model system optimization plays an important role in developing VR system. This paper focuses on several aspects of optimizing virtual coal washery system. The running performance of the optimized system is compared with that of the original one， and the result indicates that optimizing the model system enhances the real-time performance of the runtime system.

Key words： virtual mining system；3D model；optimization

1 引言

實(shí)時(shí)性是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要特性，根據(jù)不同的應(yīng)用，實(shí)時(shí)性要求也不同。本文從虛擬環(huán)境中三維模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)的角度來(lái)考慮，結(jié)合虛擬礦山三維模型系統(tǒng)的優(yōu)化，研究虛擬環(huán)境中三維模型系統(tǒng)優(yōu)化的幾項(xiàng)技術(shù)[1]。

2 模型系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

虛擬環(huán)境的建模比較復(fù)雜，礦山虛擬環(huán)境三維模型系統(tǒng)在建模時(shí)，主要關(guān)注模型模擬效果的逼真度，這樣會(huì)產(chǎn)生大量的冗余多邊形，并占用較多的紋理內(nèi)存等，影響了系統(tǒng)的交互性和實(shí)時(shí)性。

另一方面，提高虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，能夠降低計(jì)算機(jī)用于繪制和場(chǎng)景剔除等方面的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，為在虛擬系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)其他應(yīng)用模塊提供計(jì)算能力[2]。

因此，優(yōu)化虛擬環(huán)境三維模型系統(tǒng)，對(duì)于解決模型的復(fù)雜性問(wèn)題和提高系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)性，具有重要意義[2]。本文以虛擬礦山三維模型系統(tǒng)的優(yōu)化為例，分析了虛擬環(huán)境三維模型系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能優(yōu)化的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：三維模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和紋理數(shù)據(jù)優(yōu)化。

3三維模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)配置確定后，系統(tǒng)在某一時(shí)刻的單幀中所能繪制的多邊形數(shù)目是有限的。在構(gòu)建礦山虛擬環(huán)境時(shí)，要建立有許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，有些模型數(shù)據(jù)庫(kù)中多邊形數(shù)目太多，系統(tǒng)將無(wú)法計(jì)算及完成幀處理。

所以，為了提高運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，減少數(shù)據(jù)庫(kù)的多邊形數(shù)目[3]。

3.1 多細(xì)節(jié)層次的使用

細(xì)節(jié)層次是減少運(yùn)行系統(tǒng)中多邊形數(shù)目，提高系統(tǒng)繪制性能的有效手段[4]。虛擬礦山中有廠房和機(jī)器設(shè)備等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型須用細(xì)節(jié)層次來(lái)表達(dá)。多細(xì)節(jié)層次用多邊形數(shù)目不同的一組模型對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行表達(dá)，當(dāng)視點(diǎn)和細(xì)節(jié)層次中心的距離達(dá)到預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)只顯示對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)層次模型，最高程度的細(xì)節(jié)層次只有當(dāng)視點(diǎn)距對(duì)象足夠近時(shí)才顯示[2]。

因此，使用多細(xì)節(jié)層次表達(dá)復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)象，能夠減少運(yùn)行系統(tǒng)中需要繪制的多邊形數(shù)目[4]。

3.2 用紋理代替多邊形

使用紋理映射能夠在不增加多邊形數(shù)目的前提下，提高場(chǎng)景表達(dá)的逼真程度。用紋理映射表達(dá)模型的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，比用細(xì)節(jié)層次占用系統(tǒng)資源少得多，所以用紋理代替多邊形有助于提高運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，用細(xì)節(jié)層次模型配合一些細(xì)節(jié)程度的紋理映射，代替多邊形模型，能夠使系統(tǒng)的繪制負(fù)載有效降低[2]。

圖1（a）是全用多邊形構(gòu)建的路燈模型，共用了幾百個(gè)多邊形；圖1（b）是用多邊形和紋理構(gòu)建的路燈模型，只用2個(gè)多邊形；圖2為這兩個(gè)路燈模型的單幀繪制時(shí)間曲線。發(fā)現(xiàn)用紋理映射代替多邊形，較好地體現(xiàn)了模擬真實(shí)性，它們的單幀繪制時(shí)間相近，但紋理映射大大地節(jié)省了多邊形數(shù)量，表明該技術(shù)非常適用于空間跨度小、細(xì)節(jié)特征比較密集且不需交互的對(duì)象[5]。

3.3 冗余多邊形的刪除

為了減少系統(tǒng)中的多邊形數(shù)量可以刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中的冗余多邊形，例如，模型內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的多邊形，多邊形的背面和平面上的模型的底面，或是在特定的漫游方式下永不可見(jiàn)的多邊形[6]。

4 紋理數(shù)據(jù)的優(yōu)化

虛擬礦山系統(tǒng)中紋理數(shù)據(jù)量很大，紋理數(shù)據(jù)的優(yōu)化顯得尤其重要。多數(shù)情況下，紋理優(yōu)化是綜合考慮硬件的計(jì)算能力和所期望的實(shí)時(shí)性的折中方案。

4.1 確定紋理大小

為了充分利用內(nèi)存，應(yīng)創(chuàng)建大小合適的紋理圖像，從而保證虛真效果和系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。映射紋理的細(xì)節(jié)、多邊形等越多，則需要的內(nèi)存空間就越多。根據(jù)實(shí)際情況，須合理確定紋理大小，本文定紋理大小的規(guī)則如表1所示。

4.2 節(jié)省紋理存儲(chǔ)空間

（1） 內(nèi)部數(shù)據(jù)格式的壓縮

通過(guò)壓縮紋理文件的內(nèi)部格式分辨率，對(duì)紋理數(shù)據(jù)格式進(jìn)行優(yōu)化處理，可進(jìn)一步節(jié)省紋理內(nèi)存，減少紋理數(shù)據(jù)所占據(jù)的存儲(chǔ)空間。例如，對(duì)于512× 512大小的紋理，它占據(jù)的內(nèi)存空間為：

512× 512 ×3 b = 787KB

壓縮該文件的紋理文件內(nèi)部格式分辨率，將24位的紋理數(shù)據(jù)壓縮成16位，紋理數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存相應(yīng)減少了33%。

本文將虛擬礦山中大多數(shù)紋理文件的內(nèi)部格式設(shè)置為T(mén)X_RGB_5；為增強(qiáng)顯示效果，如通告欄上紋理等，將紋理數(shù)據(jù)內(nèi)部格式設(shè)定為T(mén)X_RGB_12。

（2） 子紋理技術(shù)的應(yīng)用

子紋理技術(shù)是將紋理圖像的局部映射到多邊形表面上[4]，使用子紋理技術(shù)可以減少所存儲(chǔ)的紋理數(shù)量，節(jié)省內(nèi)存。虛擬礦山中部分差別較小的紋理細(xì)節(jié)用子紋理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如虛擬礦山中廠房表面紋理等。

5 實(shí)例

圖3為虛擬礦山中的一些虛擬場(chǎng)景。礦山虛擬環(huán)境三維模型系統(tǒng)在建模時(shí)并對(duì)模型和紋理進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后運(yùn)行系統(tǒng)剔除階段的穩(wěn)定性得到明顯提高，同時(shí)繪制性能也有明顯改善，如圖4所示。

6 結(jié)論

本文主要討論了礦山虛擬環(huán)境模型系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能優(yōu)化的幾項(xiàng)技術(shù)，并在模型結(jié)構(gòu)和紋理數(shù)據(jù)這兩個(gè)方面，對(duì)虛擬礦山三維模型系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性得到顯著提高，說(shuō)明了三維模型系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)實(shí)時(shí)性具有重要作用。

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