基于EON的虛擬化工場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)的研究

虛擬現(xiàn)實(shí)VR(Virtual Reality)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其本質(zhì)特征要求能夠生成實(shí)時(shí)且真實(shí)的虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境生成從本質(zhì)上是一種限時(shí)的計(jì)算機(jī)圖形繪制技術(shù)，這與傳統(tǒng)的單一強(qiáng)調(diào)逼真性的真實(shí)感圖形繪制技術(shù)有著根本的不同。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所要求的是實(shí)時(shí)圖形生成，一方面渲染出來(lái)的虛擬場(chǎng)景要能滿足一定的視覺(jué)效果，否則就違背了模擬真實(shí)的初衷；另一方面由于實(shí)時(shí)性的限制，有時(shí)不得不降低虛擬環(huán)境的幾何復(fù)雜度、降低生成圖像質(zhì)量，或采用優(yōu)化技術(shù)來(lái)提高虛擬環(huán)境的速度。本文應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為模型，建立了多處虛擬化工場(chǎng)景，制作過(guò)程中結(jié)合多種優(yōu)化理論及技術(shù)的具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了具有工藝流程培訓(xùn)、漫游交互等功能的漫游系統(tǒng)，可使用戶有身臨其境的真實(shí)模擬操作的感覺(jué)，同時(shí)讓用戶對(duì)實(shí)際化工生產(chǎn)中的管路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備和車間布置有更加感性的認(rèn)識(shí)。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)概述

EON Studio是美國(guó)EON Reality公司開(kāi)發(fā)的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開(kāi)發(fā)工具，它能夠讓用戶自定義行為及交互方式，也能夠進(jìn)行仿真測(cè)試及實(shí)時(shí)更改測(cè)試的參數(shù)，可應(yīng)用在設(shè)計(jì)、研究、制造、生產(chǎn)、教育、訓(xùn)練與維護(hù)等領(lǐng)域。EON Studio基于最新的PC技術(shù)，是在OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)和微軟的DirectX多媒體功能的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。通過(guò)與OpenGL和DirectX的聯(lián)系，使得利用EON所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序在將來(lái)圖形卡渲染能力加強(qiáng)的同時(shí)其渲染效果也會(huì)得到提高。EON強(qiáng)調(diào)資源(軟件/硬件)的集成與延展、基于Web的交互式三維文件的安全維護(hù)、逼真度及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合。EON Studio技術(shù)和VRML技術(shù)在結(jié)構(gòu)上十分相似，可以認(rèn)為，EON Studio技術(shù)是VRML技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)充，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

EON Studio應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，不僅使得對(duì)三維世界的描述變得清晰，還通過(guò)封裝屬性和建立模擬場(chǎng)景內(nèi)部消息路由，很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體的交互和行為動(dòng)作等功能。虛擬場(chǎng)景的基本元素為節(jié)點(diǎn)(node)，節(jié)點(diǎn)是EON Studio為多媒體和交互對(duì)象定義的一個(gè)對(duì)象集。節(jié)點(diǎn)[1]的屬性包含在域(field)和事件(event)中。EON Studio的節(jié)點(diǎn)類型很豐富，具有超過(guò)100個(gè)預(yù)先設(shè)定好的功能節(jié)點(diǎn)，按功能可以分為以下幾類：預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)；代理節(jié)點(diǎn)；組裝節(jié)點(diǎn)；基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)；碰撞檢測(cè)節(jié)點(diǎn)；可視化節(jié)點(diǎn)；傳感器節(jié)點(diǎn)。

另外，EON Studio在以上基礎(chǔ)上又增加了Script Nodes，可以利用Java script或VB script進(jìn)行編程，處理一些復(fù)雜的仿真，擴(kuò)展了EON Studio中虛擬世界的動(dòng)態(tài)行為。利用EON Studio的功能節(jié)點(diǎn)，能方便地建立滿足用戶要求的三維虛擬場(chǎng)景，完成用戶特定的交互過(guò)程。

2 三維模型建立與優(yōu)化

2.1 三維模型建立

使用3DS MAX可以較方便地建立逼真度很高的三維模型。圖2是建立某化工場(chǎng)景模型的軟件界面。

2.2 模型的優(yōu)化

模型的優(yōu)化對(duì)漫游場(chǎng)景的瀏覽很有幫助，前期如果不對(duì)場(chǎng)景的模型進(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)就需要重新回到MAX里修改模型并進(jìn)行重新烘焙后再導(dǎo)入到當(dāng)前的EON場(chǎng)景里，這樣就出現(xiàn)了重復(fù)工作的情況，大大降低了工作效率。因此，模型的優(yōu)化需要在創(chuàng)建場(chǎng)景時(shí)就應(yīng)受到足夠的重視。

在3DS MAX中建模的準(zhǔn)則基本上可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)制作簡(jiǎn)模

漫游場(chǎng)景中運(yùn)行畫(huà)面每一幀都是靠顯卡和CPU實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的，如果面數(shù)太多，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度急劇下降，甚至無(wú)法運(yùn)行；還會(huì)導(dǎo)致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布還會(huì)導(dǎo)致下載時(shí)間增加[2]。

(2)三角面盡量為等邊三角形

在調(diào)用模型或創(chuàng)建模型時(shí)，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現(xiàn)長(zhǎng)條型。這是因?yàn)殚L(zhǎng)條形的面不利于實(shí)時(shí)渲染，還會(huì)出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)象。

(3)合理分布模型的密度

模型的密度分布不合理對(duì)其后面的運(yùn)行速度有影響，如果模型密度不均勻，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度時(shí)快時(shí)慢，因此，應(yīng)合理地分布場(chǎng)景模型的密度。

在3DS MAX中完成模型烘焙和優(yōu)化后，輸出的Eoz文件格式，可方便地導(dǎo)入EON Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

3 EON中場(chǎng)景的優(yōu)化

初步完成化工場(chǎng)景的建模后，通過(guò)EON Viewer瀏覽的速度緩慢，甚至發(fā)生停頓現(xiàn)象，如果不能解決瀏覽速度問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)就沒(méi)有什么意義了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)該問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)行分析。三維場(chǎng)景的呈現(xiàn)是通過(guò)瀏覽器以默認(rèn)視點(diǎn)為參照對(duì)場(chǎng)景描述文件的解釋而完成的，每當(dāng)用戶拖動(dòng)鼠標(biāo)或按下箭頭鍵在場(chǎng)景中走動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，視點(diǎn)就會(huì)發(fā)生變化。在真實(shí)世界中，人向前行，對(duì)面的事物會(huì)越來(lái)越近，為了模仿這種效果，每當(dāng)視點(diǎn)發(fā)生變化，瀏覽器就會(huì)重新計(jì)算場(chǎng)景中各對(duì)象的新位置并重新進(jìn)行渲染，使得人能走近某個(gè)對(duì)象。當(dāng)場(chǎng)景中對(duì)象較多時(shí)，瀏覽器渲染的速度就跟不上視點(diǎn)變化的速度，從而產(chǎn)生停頓的現(xiàn)象。

由于化工廠場(chǎng)景巨大、管線繁多、工藝流程復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)三維場(chǎng)景的顯示與實(shí)現(xiàn)帶來(lái)一定的困難。筆者曾試著采用貼圖的方法，即在一個(gè)方體上貼上相應(yīng)的紋理圖來(lái)表示裝置，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，瀏覽器解釋速度較快，但最大的缺點(diǎn)是構(gòu)建的對(duì)象缺乏三維立體感和真實(shí)感，因此貼圖的方法不適合化工場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的分析與研究，提出如下優(yōu)化方式。

3.1 大量使用重用機(jī)制

不僅一個(gè)裝置內(nèi)部的對(duì)象可以重用，流程相同的裝置之間也可采用重用機(jī)制。對(duì)于兩個(gè)不同的構(gòu)建模型，有些泵和閥門(mén)是相同的，那么對(duì)相同的部分利用DEF與UES重用機(jī)制就可以極大地簡(jiǎn)化描述文件，最重要的是能夠減輕瀏覽器的負(fù)擔(dān)，從而提高渲染速度。重用機(jī)制的使用有個(gè)前提，即只能在一個(gè)描述文件內(nèi)部使用[3]。因此，需要進(jìn)行代碼重用的2個(gè)或多個(gè)對(duì)象，它們的描述應(yīng)放在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)中。

3.2 利用EON統(tǒng)計(jì)值改善模擬品質(zhì)

復(fù)雜三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制要求包括：場(chǎng)景環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)體的位置、姿態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算與動(dòng)態(tài)繪制；用戶視點(diǎn)改變時(shí)，畫(huà)面的刷新必須達(dá)到人眼覺(jué)察不到閃爍，即相當(dāng)光滑的程度，通常為20~30幀/s，至少不能少于10幀/s；同時(shí)場(chǎng)景的環(huán)境也要求隨著人的活動(dòng)及時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的畫(huà)面，圖形生成必須能立即做出反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境和場(chǎng)景。

可以利用模擬(Simulation)菜單中顯示模擬程式統(tǒng)計(jì)值(Show Simulation Statistics)選項(xiàng)，或是點(diǎn)選工具列中顯示模擬程式統(tǒng)計(jì)值的按鈕，啟動(dòng)模擬統(tǒng)計(jì)值的顯示[4]。HZ：每秒框架數(shù)目。這是一個(gè)利用數(shù)個(gè)框架計(jì)算出來(lái)的平均速率，較小的值表示框架產(chǎn)生較慢；Frm：準(zhǔn)備框架所需的時(shí)間(s)。這個(gè)值可用來(lái)確認(rèn)哪個(gè)框架耗費(fèi)較多的時(shí)間；App：更新傳呼所需的時(shí)間(s)；Eve：事件處理所耗費(fèi)的時(shí)間(s)。Drw：繪圖所耗費(fèi)的時(shí)間(s)，包含下載材質(zhì)、像素填充及頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換；#tri：繪制的三角形實(shí)際的數(shù)目(注意這個(gè)值會(huì)隨視角的改變而改變)。

隨著統(tǒng)計(jì)值的變化，可實(shí)時(shí)判定具體場(chǎng)景的瀏覽速度，同時(shí)利用EON中Mesh節(jié)點(diǎn)下的Polygon Reduction level子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Mesh網(wǎng)格的簡(jiǎn)化，以達(dá)到適合的瀏覽效果。

3.3 合理定義顯示比例

大部分的顯卡使用材質(zhì)的影像記憶體及框架緩沖來(lái)做動(dòng)作?？蚣芫彌_可分為前緩沖、后緩沖及Z緩沖，在屏幕上根據(jù)所看到影像的不同而不同。如果在視窗中執(zhí)行EON模擬程式，前緩沖會(huì)涵蓋整體事件屏幕，但不影響模擬視窗的大小，在記憶體的數(shù)量上，前緩沖由Windows屏幕設(shè)定來(lái)決定。而后緩沖及Z緩沖的大小則依據(jù)目前EON模擬視窗的大小來(lái)設(shè)定。

在屏幕上繪制像素是需要時(shí)間的，當(dāng)相對(duì)于視窗大小的框架速率很大時(shí)，像素填充會(huì)設(shè)定模擬速度的極限。要降低像素填充所花費(fèi)的時(shí)間，可使用較小的模擬視窗，點(diǎn)選大小/方位比例(Size/Aspect Ratio)標(biāo)簽，并輸入模擬視窗大小，降低透支(Overdraw)的程度(例如空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬)，合理地將場(chǎng)景進(jìn)行分割并保存為獨(dú)立的Edz文件，利用改變模擬(Change Simulation)功能節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行切換，也可利用在框架功能節(jié)點(diǎn)的特性視窗中選取隱藏(Hidden)選項(xiàng)，讓漫游瀏覽中尚未看到的幾何物件暫時(shí)不顯示。

3.4 利用場(chǎng)景切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一對(duì)象不同模型的自動(dòng)切換

有針對(duì)性地為場(chǎng)景中面數(shù)復(fù)雜的裝置建立多個(gè)不同的模型，使場(chǎng)景在顯示的時(shí)候以不同模型多方面顯示，如圖3所示。最簡(jiǎn)單的是建立簡(jiǎn)單和細(xì)化兩種模型，當(dāng)視點(diǎn)距對(duì)象較遠(yuǎn)時(shí)采用簡(jiǎn)單模型，視點(diǎn)接近時(shí)自動(dòng)切換為該對(duì)象的細(xì)化模型。采用這種辦法，需對(duì)某對(duì)象建立多個(gè)模型，并利用Switch、LOD節(jié)點(diǎn)或觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)模型的切換[5]。在切換過(guò)程中，要對(duì)切換時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使切換時(shí)間小于人眼眨動(dòng)頻率，畫(huà)面看起來(lái)更加逼真。這種方法既能夠減小面數(shù)、提高演示速度，又能夠使人感覺(jué)不到明顯的切換痕跡，是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)該繼續(xù)沿用并加以延伸的方法。

3.5 漫游系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)試

虛擬現(xiàn)實(shí)漫游技術(shù)的一大困難在于漫游仿真速度與運(yùn)行速度之間的矛盾。在建立最佳仿真程度模型的同時(shí)又要保證速度的運(yùn)行是要重點(diǎn)協(xié)調(diào)的問(wèn)題。本系統(tǒng)運(yùn)行的硬件配置為：處理器Pentiu(R)4 3.0 GHz，內(nèi)存1 GB，顯卡使用NVIDIA Geforce 7300GT(256 MB)，在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行了優(yōu)化測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

利用EON Studio建立的虛擬化工場(chǎng)景，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)景為模型，實(shí)現(xiàn)了該虛擬場(chǎng)景的漫游，如圖4所示。使用者可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行全方位瀏覽，也可對(duì)局部進(jìn)行細(xì)致的觀察；并配合適當(dāng)?shù)闹v解，最終對(duì)該生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)清晰、深刻的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)模型部分優(yōu)化與在EON Studio中進(jìn)行的必要優(yōu)化，符合實(shí)時(shí)交互頻率15幀/s以上的漫游要求，加快了三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制速度，提供了良好的漫游瀏覽速度。該優(yōu)化方法具有一定的普遍性，對(duì)后續(xù)漫游信息系統(tǒng)的完善和二次開(kāi)發(fā)提供了必要的保證。