基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬校園漫游系統(tǒng)優(yōu)化算法研究

　虛擬現(xiàn)實 (virtual reality，VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，是指利用高性能的計算機生成逼真的視、聽、觸、嗅覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的專用設(shè)備(如數(shù)據(jù)手套、頭盔)以 自然的方式與虛擬環(huán)境中的虛擬對象進行實時交互，相互作用，相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺．

　　近年來，隨著計算機硬件技術(shù)的加速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑環(huán)境實時漫游中的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點．虛擬校園漫游是城市規(guī)劃應(yīng)用的基本功能之一，構(gòu)造一個虛擬校園漫游系統(tǒng)，必須綜合應(yīng)用計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種計算機領(lǐng)域的最新技術(shù)．文中根據(jù)第 2炮兵士官學(xué)校規(guī)劃設(shè)計，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了基于桌面系統(tǒng)的“虛擬校園實時漫游系統(tǒng)”，該系統(tǒng)以中檔 Pc機為硬件平臺，對實時漫游系統(tǒng)的各種優(yōu)化算法進行了深入研究。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　為了保證整個場景能順利、流暢地在普通高檔微機上運行，同時達到實時漫游的功能，保證其安全、可靠地運行，按照任務(wù)側(cè)重點的不同，可將整個系統(tǒng)分解成場景模型子系統(tǒng)、漫游引擎子系統(tǒng)、輸入子系統(tǒng) 、渲染輸 出子系統(tǒng)等，它們在功能上相對獨立，通過數(shù)據(jù)接口相互聯(lián)系，其總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示．

　　2 模型及貼圖的優(yōu)化

　　2．1 三維復(fù)雜模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　虛擬校園中有許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型，如果模型數(shù)據(jù)庫中多邊形數(shù) 目超過系統(tǒng)的計算能力，在虛擬場景中漫游時幀處理將無法及時完成，場景變換的平滑性會受到破壞 ．為了提高運行系統(tǒng)的實時性，必須對模型進行簡化處理，以減少數(shù)據(jù)庫的多邊形開銷，從下面幾個方面對模型進行簡化：

　　1)使用 LOD表達復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型．虛擬校園中有許多復(fù)雜模型必須用 LOD來表達，以使運行系統(tǒng)中的多邊形數(shù)控制在預(yù)算之內(nèi)，有利于提高運行系統(tǒng)的實時性．

　　2)用紋理代替多邊形表達結(jié)構(gòu)細節(jié)．紋理映射能夠在不增加多邊形數(shù)目的前提下提高場景表達的詳實程度，用 LOD模型配合一定細節(jié)程度的紋理來代替多邊形模型會大大降低系統(tǒng)的繪制負載．

　　3)刪除冗余多邊形．刪除數(shù)據(jù)庫中的冗余多邊形可以在一定程度上減少系統(tǒng)中的多邊形數(shù)量，這些多邊形可能是模型內(nèi)部的細節(jié)結(jié)構(gòu)，某些多邊形的背面可能是位于某平面上的模型的底面，如地面上內(nèi)部不需漫游的房屋的底面等．可以用 3DSMAX中的 Optimize修飾器進行簡化 ，主要用于減少模型的面數(shù)．值得注意的是，Optimize必須在貼圖之前進行，否則貼圖會發(fā)生扭曲．

　　4)移除多邊形的背面．虛擬校園環(huán)境中組成絕大多數(shù)模型的多邊形都是單面可見，3DSMAX能 自動剔除多邊形的背面，僅顯示其前面，虛擬校園環(huán)境中除構(gòu)成樹木模型之外的絕大多數(shù)多邊形都是單面可見的．為減輕系統(tǒng)的運行負載，提高渲染速度，如果多邊形是單面可見，應(yīng)確保其狀態(tài)沒被設(shè)定為 2side．

　　2．2 紋理映射優(yōu)化

　　虛擬校園中所使用的紋理是用數(shù)碼相機拍攝景物表面細節(jié)獲得的數(shù)字圖像來離散定義的，之后用3 DSMAX的紋理工具進行紋理映射和對紋理進行編輯 ；但系統(tǒng)中紋理的大小、數(shù)量和分辨率受運行系統(tǒng)中紋理存儲空間的限制．所以為了在不降低模擬真實性的前提下，使紋理占據(jù)的系統(tǒng)資源(如存儲空間)盡可能少，必須對紋理數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的運行實時性．

　　從以下幾個方面對紋理數(shù)據(jù)進行優(yōu)化：

　　1)紋理大小的合理確定．紋理大小應(yīng)根據(jù)圖形加速卡性能、運行系統(tǒng)的內(nèi)存及人的視覺生理特性等合理確定．為有效節(jié)省內(nèi)存，虛擬校園中所用紋理多數(shù)是512×512或更?。叻直媛实募y理只有當(dāng)虛擬場景需近距離觀看時才使用．

　　2)紋理內(nèi)部格式分辨率的優(yōu)化配置．紋理內(nèi)部格式分辨率決定了如何改變紋理數(shù)據(jù)各顏色分量的字節(jié)配置，以得到不同格式紋理在諸如性能、效率或圖像質(zhì)量等方面的不同效果．虛擬校園中的紋理數(shù)據(jù)做了如下的優(yōu)化處理：為節(jié)省內(nèi)存 ，將源數(shù)據(jù)采集效果較好 的多數(shù) RGB文件 內(nèi)部 格式分 配為 TX— RGB一5，RGBA文件的內(nèi)部格式分配為 TX—RGBA一4；有些紋理數(shù)據(jù)因為采集效果不理想，為保證圖像質(zhì)量，將其內(nèi)部格式設(shè)定為 TX—RGB一12．

　　3)子紋理的運用．虛擬校園中有些表面的紋理細節(jié)差別較小，如不同路段的路面紋理等，采用子紋理進行處理，既避免了明顯的雷同，又節(jié)省了內(nèi)存．[

　3 漫游引擎子系統(tǒng)的優(yōu)化

　　3．1 建立一個好 的層次結(jié)構(gòu)庫

　　由于建立的模型的各個部分在層次圖中分別對應(yīng)一塊面板，實時漫游系統(tǒng)將通過層次結(jié)構(gòu)圖來展示數(shù)據(jù)庫組成，一個有序的、有條理的層次結(jié)構(gòu)圖將使您的模型在實時漫游系統(tǒng)中以最快的速度和最正確的方式顯示出來．層次結(jié)構(gòu)庫也是一個可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)庫．這種結(jié)構(gòu)像一棵倒立的大樹，根在最上面，樹枝、樹葉在下面．它將展示出模型的結(jié)構(gòu)組織，各個組成部分以小面板的形式按照一種或多種樹形結(jié)構(gòu)排列，這樣的方式十分有利于模型的修改．通過在層次結(jié)構(gòu)圖中用鼠標(biāo)點擊并拖動小面板來編輯任意一個面，例如，單擊便可編輯視圖中的任一模型結(jié)構(gòu)體，雙擊便可得到或修改結(jié)構(gòu)體的屬性．而且由于面在組中或?qū)嶓w中時按從左到右的順序排列，如果其中有一部分是按錯誤的順序排列，可以左移或右移面板來調(diào)整它們的順序．在顯示時，對于任意一點，Z—buffer將計算這一點附近所有物體到屏幕的距離 ，最近的物體的顏色將被賦給這一點，從而防止在建立面時需要對面進行轉(zhuǎn)換或排序．另外，好的層次結(jié)構(gòu)庫能夠更加方便地用于場景的挑選．換句話說，此虛擬場景結(jié)構(gòu)可以根據(jù)當(dāng)前視點來挑選場景中的哪一部分是可以看到的．在渲染開始時，對不可視的幾何體元素不予處理，從而加強虛擬現(xiàn)實場景的渲染階段的性能．