畢業(yè)設(shè)計論文虛擬現(xiàn)實中三維建模的優(yōu)化實現(xiàn)

1、目錄目錄摘要摘要.1 1關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞.1 1abstract:abstract:.1 1keykey words:words:.1 11 1 引言引言.2 22 2 multigenmultigen creatorcreator 建模工具軟件建模工具軟件 .2 23 3 三維建模項目中使用的關(guān)鍵技術(shù)三維建模項目中使用的關(guān)鍵技術(shù).4 43.1、實例化技術(shù).43.2、層次細節(jié)（lod）技術(shù).53.3、公告牌（billboard）技術(shù) .63.4、自由度技術(shù)（dof）.63.5、外部引用模型數(shù)據(jù)庫技術(shù).73.6 陰影技術(shù).84 4 項目設(shè)計及實施項目設(shè)計及實施.9 94.1 虛擬視景仿真系統(tǒng)的建模流

2、程 .94.2 地形建模.94.3 實體建模.94.4 模型紋理.104.5 模型整合.105 5 建模技術(shù)中遇到的難題及解決方案建模技術(shù)中遇到的難題及解決方案.11115.1 使用紋理來取代模型細節(jié).115.2 刪除冗余多邊形.125.3 刪除背面多邊形.135.4 面片技術(shù).146 6 結(jié)束語結(jié)束語.14147 7 致謝致謝.15158 8 參考文獻參考文獻.1515虛擬現(xiàn)實中三維建模的優(yōu)化實現(xiàn)摘要摘要：為了研究虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在現(xiàn)實中的應(yīng)用，討論了基于 multigen creator 建模的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實施了一個少數(shù)民族文字“女書”碑林園的視景仿真漫游系統(tǒng)。在建模過程中采用了以紋理

3、代替模型細節(jié)、使用面片、刪除多邊形等技術(shù)來優(yōu)化建模，從而使虛擬仿真系統(tǒng)可以實時高效運行。系統(tǒng)運行結(jié)果表明，實例化技術(shù)、面片技術(shù)、外部引用技術(shù)和陰影技術(shù)等優(yōu)化建模技術(shù)降低了三維模型的資源開銷，提高了虛擬視景仿真系統(tǒng)的渲染效果和運行效率。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；視景仿真；三維建模；面片技術(shù)；實例化；外部引用the optimized realization of three-dimensional modeling in visual realityabstract:abstract: in order to study the application of virtual reality sys

4、tem in the reality, the key technologies based on multigen creator are studied, and a virtual cruise system, stele garden of ethnic minority language “nshu”, is realized. during the reality of the system, encountered the problem of system resource which cant be used reasonable, and proposed some met

5、hods to solve the technology problem ,some like use texture to replace the details of models, use patch, cut polygons, so the system can work efficiently. experiment result shows that optimization modeling methods, such as instantiation, patch, external reference and shadow etc, reduce the resources

6、 cost, and enhance rendering effects and running efficiency of system.keykey words:words: virtual reality; visual simulation; three-dimensional modeling; patch; instantiation; external reference1 1 引言引言仿真（simulation）技術(shù)或稱為模擬技術(shù)， 即用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)1。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步自成體系，成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實驗之后人類認識自然界客觀規(guī)律的第三類基本

7、方法，而且正在發(fā)展成為人類認識、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項通用性、戰(zhàn)略性的技術(shù)，對于推進人類社會的進步具有重要作用。當(dāng)今，人們對仿真技術(shù)的期望也越來越高，過去，人們只用仿真技術(shù)來模擬某個物理現(xiàn)象、設(shè)備或簡單系統(tǒng)；今天，人們要求能用仿真技術(shù)來描述復(fù)雜系統(tǒng)，這就要求仿真技術(shù)需要進一步發(fā)展，并吸納、融合其他相關(guān)技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實（ virtual reality）技術(shù)，簡稱 vr，是 20 世紀 80 年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等。它由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，人投入到這種環(huán)境

8、中，立即有身臨其境的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環(huán)境進行交互。 vr 技術(shù)主要有三方面的含義：第一，借助于計算機生成的環(huán)境是虛幻的；第二，人對這種環(huán)境的感覺(視、聽、觸、嗅等 )是逼真的；第三，人可以通過自然的方法（手動、眼動、口說、其他肢體動作等）與這個環(huán)境進行交互，虛擬環(huán)境能夠?qū)崟r地作出相應(yīng)的反應(yīng)。 虛擬仿真技術(shù)2是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級的仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實體。實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，也

9、可用一些簡單的數(shù)學(xué)模型表示。實體在虛擬環(huán)境中相互作用，或與虛擬環(huán)境作用，以表現(xiàn)客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征，充分滿足了現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展需求。三維建模技術(shù) 利用模型再現(xiàn)現(xiàn)實中的環(huán)境 、任務(wù)和交互事件以達到虛擬顯示的效果。為了保護少數(shù)民族文化，本文實現(xiàn)了 虛擬“女書”碑林園，通過虛擬仿真漫游系統(tǒng)再現(xiàn)“女書”文化的園林效果，達到傳承“女書”文化的目的。 項目實施過程中，由于模型復(fù)雜度的增加使得系統(tǒng)資源 開銷增大，會影響到虛擬漫游的實時演播效果。本文重點討論并實施了三維建模的優(yōu)化技術(shù) ，旨在降低三維模型的資源開銷，提高虛擬視景仿真系統(tǒng)的渲染效果和運行效率。2 2

10、 multigenmultigen creatorcreator 建模工具軟件建模工具軟件multigen creator 系列軟件由美國 multigen-paradigm()公司開發(fā)，它擁有針對實時應(yīng)用優(yōu)化的openflight 數(shù)據(jù)格式，強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實時三維（ rt3d）數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實時仿真軟件緊密結(jié)合，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實時仿真領(lǐng)域有著世界領(lǐng)先的地位3。multigen creator 是一個軟件包，專門創(chuàng)建用于視景仿真的實時三維模型。creator

11、 使得輸入、結(jié)構(gòu)化、修改、創(chuàng)建原型和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫更容易。不僅可用于大型的視景仿真，也可用于娛樂游戲環(huán)境的創(chuàng)建。本文選用了 multigen creator 軟件實施三維建模 ，其軟件界面如 圖 1 所示。圖 1 creator 軟件主界面在視景仿真中會用到以下一些元素：1、 實時應(yīng)用程序此程序控制圖形場景、用戶如何在場景中移動，以及多種其他在場景中的動態(tài)事件。汽車駕駛和飛行動態(tài)模型、碰撞檢測以及如爆炸等的特殊效果都包含在實時應(yīng)用程序中。2、 圖形生成器（lg）圖形生成器，或 ig，是繪制場景的圖形硬件?？筛鶕?jù)仿真要求的不同而有不同的配置。典型的 ig 是 sgi 的圖形系統(tǒng) indigo i

12、mpacts、reality enginers或 infinite realitys。ig 也可以是一般的 pc 或游戲控制臺。 圖形生成器的性能多以多邊形數(shù) /幀，而不是多邊形數(shù) /秒來衡量。根據(jù) ig 硬件平臺中的圖形、 cpu、帶寬性能等， ig 的性能會有很大的差別。術(shù)語 “target ig（目標(biāo) ig）”用來指仿真運行的特定的 ig 硬件平臺。3、 視景數(shù)據(jù)庫4視景數(shù)據(jù)庫是描述用什么、何時以及如何渲染場景的數(shù)據(jù)。creator 用公開的openflight 格式來存儲這些信息。 creator 和 openflight 是雙精度的，使得描述復(fù)雜物體和非常大面積的地形數(shù)據(jù)庫時能按要求

13、盡可能地精確。4、 建模包5以前，在實時仿真應(yīng)用中，簡單的視景數(shù)據(jù)庫是用基于文本的編輯器、cad系統(tǒng)或特定數(shù)碼的幾何形狀來創(chuàng)建的。如今，multigen creator 能夠被用來創(chuàng)建視景數(shù)據(jù)庫中每個單獨的元素。5、 視覺真實度在視景真實度后面的策略是非常有趣的，常常是視景仿真中被忽略的元素。 高效的模型是指以符合觀眾希望看到的或體驗的基礎(chǔ)來設(shè)計的，而不是圖像的精確度。 真實的感覺來源于符合最終產(chǎn)品或仿真的期望。如果用戶發(fā)現(xiàn)對既定內(nèi)容的期望確實有效，所有其他的細節(jié)就可以在不影響仿真的前提下減少或去除。 3 3 三維建模項目中使用的關(guān)鍵技術(shù)三維建模項目中使用的關(guān)鍵技術(shù)3.13.1、實例化技術(shù)、實

14、例化技術(shù)模型的實例和模型的拷貝看起來是一樣的，但實際上實例和拷貝有著本質(zhì)的區(qū)別：拷貝是通過在模型數(shù)據(jù)庫中完全復(fù)制模型對象幾何體創(chuàng)建的副本，而一個實例是指對模型數(shù)據(jù)庫中某個對象的一個參考副本，僅僅是指向模型數(shù)據(jù)中模型對象的指針，并沒有復(fù)制模型對象的幾何形體。所以，節(jié)省了計算機運行的開銷。如果同一物體在場景中被使用多次，也就是說除了空間位置，幾何形體和屬性都相同，那么可以建立一個模型，在以后的使用過程中采用實例化技術(shù)引用該模型即可。對于對稱的模型也可以采用實例化技術(shù)，這樣可以節(jié)省大量的硬盤和內(nèi)存空間。實例化技術(shù)是一個簡化模型6數(shù)據(jù)庫的有效方法，特別是對于模型數(shù)據(jù)庫中簡單的、重復(fù)性的模型對象尤其如此

15、7。創(chuàng)建模型對象實例的一般步驟8如下：創(chuàng)建一個新的組節(jié)點（實例節(jié)點的父節(jié)點不能有其他的子節(jié)點） ；點擊“parent”按鈕使新建的組節(jié)點作為實例的父節(jié)點（按住 alt 并單擊該節(jié)點即可使之成為父節(jié)點） ；選擇目標(biāo)模型對象（即要加載的模型對象） ；打開模型工具箱；單擊創(chuàng)建實例工具按鈕。 此處應(yīng)當(dāng)注意的是，模型對象實例的默認位置與模型對象本身相同，所以在圖形視圖中并不能立即看到模型對象實例，必須給實例重新進行定位，具體方法如下： 選擇實例節(jié)點的組節(jié)點（不要只選擇實例節(jié)點） ； 打開操作工具箱； 單擊移動工具按鈕； 單擊移動對話框中的“to point”選項，然后在圖形視圖中設(shè)置目標(biāo)點； 將實例放置

16、到一個不同位置后，單擊“ok”按鈕。因為所有實例都是一個原始模型對象的參考，所以在層級視圖中選擇其中一個實例，全部的實例都會被選中。同樣，對其中任意一個實例進行編輯，其結(jié)果會影響所有的實例。如果要單獨選擇某個實例，必須在圖形視圖中進行。在層級視圖中的實例節(jié)點是由一個小箭頭指向標(biāo)志的，如圖 2 所示：圖 2 實例化層級視圖3.23.2、層次細節(jié)（、層次細節(jié)（lodlod）技術(shù)）技術(shù)lod 是一組代表模型數(shù)據(jù)庫中同一物體而又具有不同的細節(jié)程度的模型對象，不同細節(jié)程度版本模型的多邊形復(fù)雜度9也不一樣，細節(jié)程度越高模型對象所包含的多邊形數(shù)量也越多10。在 creator 建模中利用 lod 技術(shù)具體而

17、言就是，如果視點離物體較遠，則使用由多邊形數(shù)相對較少的低 lod 顯示模型對象，隨著視點的移動，實時系統(tǒng)會逐漸用越來越復(fù)雜的高 lod 代替，反之亦然。因為每一個實時系統(tǒng)能顯示的多邊形的數(shù)目都是有限的，所以使用 lod 技術(shù)可以有效提高模型數(shù)據(jù)庫的多邊形利用率，在有限的條件下取得最佳的視覺效果。其實 lod 技術(shù)是基于我們在觀察周圍的環(huán)境時物體離我們越遠越模糊、越近越清晰的常識，也就是說，對于遠離我們的環(huán)境無需運用太精細的模型去描述它，如果硬要用太細的模型去描述的話反而會造成資源的浪費，同時也不符合我們的觀察習(xí)慣,還會造成失真，可是說是百害無一利。一般來說，lod 方法11就是按照距離視點的遠

18、近而用不同的細節(jié)模型來進行描述，如果模型離視點比較遠，我們就用比較粗糙一點的lod 模型來進行繪制；而如果模型里視點比較近，我們就用比較精細的 lod 模型來進行繪制（通過設(shè)置屬性 switch in 和 switch out 來設(shè)置模型的可視范圍） 。繪制不同lod 模型的方法12有兩種：一種是以不斷逼近的相似集合體來描述，其核心思想是通過降低無需重點關(guān)注的模型的面的數(shù)量來形成粗糙的 lod 模型，離視點越遠，則所需的面就越少，反之則會需要精細的 lod 模型，所需的面數(shù)會比較多；另外一種方法是通過改變紋理的分辨率來形成不同的 lod 模型。具體的操作步驟：在層級視圖中選擇一個組節(jié)點或其他同

19、級別的節(jié)點，單擊“parent”按鈕使其成為當(dāng)前父節(jié)點（亦可按住 alt 然后單擊該節(jié)點使其成為父節(jié)點） ； 單擊按鈕，打開創(chuàng)建工具箱；如圖 3 所示：圖 3 創(chuàng)建窗口 單擊創(chuàng)建 lod 按鈕，就可以創(chuàng)建一個新的 lod 節(jié)點，節(jié)點創(chuàng)建好后顯示藍色，如圖 4 所示：圖 4 lod 節(jié)點 在 lod 節(jié)點下創(chuàng)建或者粘貼一個模型對象，如圖 5 所示：圖 5 lod 節(jié)點模型及對應(yīng)的層級視圖雙擊 lod 節(jié)點以打開 lod 屬性窗口，設(shè)置“switch in”和“switch out”參數(shù)值來定義該 lod 的可視范圍。見圖 6：圖 6 lod 屬性窗口重復(fù)上面的步驟，可以添加其他的 lod 節(jié)點。

20、3.33.3、公告牌（、公告牌（billboardbillboard）技術(shù)）技術(shù)multigen creator 中的公告牌，是那些模型數(shù)據(jù)庫中可以在實時仿真過程中始終面對視點的多邊形，本質(zhì)是用二維圖像來代替三維的實體模型，從而節(jié)省大量的資源，進一步提高系統(tǒng)的運行速度。公告牌通常用于創(chuàng)建場景中具有對稱性的物體，甚至可以用一個多邊形來表現(xiàn)具有大量細節(jié)的模型對象。可以使用兩個交叉的面來，用兩個二維的面來創(chuàng)建整體的三維效果，可以節(jié)省大量的資源并較大程度的提高系統(tǒng)運行速度。使用這個技術(shù)的多為電線桿，路燈以及樹木等物體。3.43.4、自由度技術(shù)（、自由度技術(shù)（dofdof）在一些視景仿真系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)

21、實時互動，比如門或窗戶的打開和閉合、閥門的開關(guān)等，這就需要由 dof 技術(shù)13來實現(xiàn)，dof 節(jié)點控制當(dāng)前樹結(jié)構(gòu)下面的所有節(jié)點，這個節(jié)點的 dof 屬性為這個 dof 節(jié)點上的所有子節(jié)點定義了一個平移和旋轉(zhuǎn)的范圍。例如，dof 能夠指定一扇門的旋轉(zhuǎn)角度或者是一扇窗打開的水平或直線距離，這樣門或窗戶就可以只停留在一定的框架內(nèi)從而以符合邏輯的方式運動。運動范圍由局部坐標(biāo)系統(tǒng)來指定，它所包含的轉(zhuǎn)換被應(yīng)用于 dof 節(jié)點的所有子節(jié)點，這確保多自由度的影響自然累加到數(shù)據(jù)庫層次。考慮一條胳膊上的手的情況，當(dāng)你移動手臂時，手也隨著移動，這是因為手這個節(jié)點是手臂 dof 節(jié)點的子節(jié)點。手腕彎曲相對于手臂繞著旋

22、轉(zhuǎn)是因為手腕由一個指定它的移動范圍的 dof 節(jié)點來控制，而手腕dof 節(jié)點是手臂 dof 節(jié)點的一個子節(jié)點。在閥門的例子中，由于閥門的方向和位置都不一樣，所以都由相對坐標(biāo)來具體指定 dof 節(jié)點，以確保閥門轉(zhuǎn)動的方向和旋轉(zhuǎn)軸垂直。3.53.5、外部引用模型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、外部引用模型數(shù)據(jù)庫技術(shù)跟模型對象實例相類似，在一個模型數(shù)據(jù)庫中還對其他模型數(shù)據(jù)庫進行外部引用，也相當(dāng)于一個指向其他模型數(shù)據(jù)庫的指針，而不需要將其中的模型對象復(fù)制粘貼至當(dāng)前的模型數(shù)據(jù)庫中。通過外部引用，可以有效的降低模型數(shù)據(jù)庫的規(guī)模，節(jié)省內(nèi)存空間和存儲空間，方便建模操作，提高系統(tǒng)資源的利用率，提升系統(tǒng)運行的順暢度。外部引用的內(nèi)容在

23、層級視圖中會被放置在外部引用節(jié)點中，外部引用節(jié)點必須以跟組節(jié)點同級別的節(jié)點作為父節(jié)點，在層級視圖中用鼠標(biāo)左鍵反復(fù)單擊外引用節(jié)點，可以展開或收回其下級節(jié)點，如圖 7 所示：圖 7 外部引用層級視圖跟實例化模型對象不同的是，外部引用的模型對象在當(dāng)前模型數(shù)據(jù)庫中具有只讀屬性，也就是不能在當(dāng)前模型數(shù)據(jù)庫中對外部引用的模型對象進行編輯。但是可以對外部引用進行整體的移動、旋轉(zhuǎn)或者縮放，如果要編輯外部引用的內(nèi)容，則必須打開該模型數(shù)據(jù)庫本身進行操作，進行的修改會在引用它的模型數(shù)據(jù)庫的圖形視圖中反映出來。向模型數(shù)據(jù)庫中添加外部引用的一般步驟如下：（1）在層級視圖中選擇適當(dāng)?shù)慕M節(jié)點；（2）單擊“parent”按鈕

24、，將其作為外部引用節(jié)點的父節(jié)點；（3）選擇“file/external reference”菜單命令，彈出圖 8 所示對話框：圖 8 external reference 窗口（4）在外部引用對話框的“external file name”文本框中輸入被引用的模型數(shù)據(jù)庫文件名或單擊文件瀏覽按鈕進行選擇；（5）點擊“read external file”按鈕，讀入外部引用的模型數(shù)據(jù)庫；（6）設(shè)置外部引用的應(yīng)用變換方式，默認的是“translate/rotate”方式；（7）在圖形視圖中，用鼠標(biāo)設(shè)置外部引用的位置；（8）如果繼續(xù)單擊鼠標(biāo)，則會再次引用該模型數(shù)據(jù)庫；（9）如果使用 put 方式，則需

25、要先在外部引用模型上設(shè)置三個起始點（from points） ，然后再在模型數(shù)據(jù)庫中設(shè)置三個相應(yīng)的終點（to points） （這個過程類似于使用操作工具箱中的放置工具，但并不能按比例縮放外部引用的模型） ；（10）單擊“ok”按鈕完成外部引用，或者單擊“next”按鈕外部引用下一個模型數(shù)據(jù)庫。另外一種常用的外部引用模型數(shù)據(jù)庫的方法是直接在層級視圖中，通過創(chuàng)建外部引用節(jié)點來進行外部引用操作。具體而言就是，首先選擇適當(dāng)?shù)慕M節(jié)點，然后打開創(chuàng)建工具箱單擊創(chuàng)建外部引用工具按鈕，在層級視圖中雙擊創(chuàng)建的外部引用節(jié)點，可以在外部引用屬性窗口中進行方便的選擇和設(shè)置。3.63.6 陰影技術(shù)陰影技術(shù)multige

26、n creator 可以給模型加入適當(dāng)?shù)年幱靶Ч?4，凸顯模型的真實性，如調(diào)整光源的位置改變光照強度等。creator 提供了 flat、lit、gouraud 和 lit gouraud四種陰影的模式，可以按照不同的需求選擇適合模型的陰影模式，達到最佳的陰影效果。4 4 項目設(shè)計及實施項目設(shè)計及實施4.14.1 虛擬視景仿真系統(tǒng)的建模流程虛擬視景仿真系統(tǒng)的建模流程虛擬視景仿真系統(tǒng)的建模流程15如圖 9 所示圖 9 虛擬視景仿真系統(tǒng)的建模流程4.24.2 地形建模地形建模數(shù)字高程模型是指在某種存儲高程信息的方法和規(guī)格下，在特定的投影面上按照一定的水平/垂直間隔選擇地面參考點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合。

27、mutilgen creator 提供了功能強大的地形仿真模塊（terrain module） ，包括 polymesh、delaunay、terrian culture、triangulation(tct)和 continuous adaptive terrain 等四種不同類型的算法16將各種高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形模型數(shù)據(jù)庫。通過 creator 提供的具有統(tǒng)一界面的地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具 ded 文件生成器（ded builder）,可將獲取的原始高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 creator 專用的ded 格式17。本文使用 polymesh 轉(zhuǎn)換算法。4.34.3 實體建模實體建模creator 擁有優(yōu)秀的多

28、邊形建模工具，可以利用三角形、錐形、圓柱等拼接形成不同的實體模型。多邊形建模的過程18如下： 根據(jù)實體模型的要求收集數(shù)據(jù)，到實地去拍攝照片或在網(wǎng)上搜索相關(guān)圖片，為模型的紋理做好準(zhǔn)備工作。 確定整個場景中各個模型的分布情況，并由此確定模型的層次結(jié)構(gòu)。 按照所確定的模型層次結(jié)構(gòu)逐層實體建模，即在各個分文件中創(chuàng)建子模型，再進行模型的整合工作，最終構(gòu)建出整個園林。 在模型的建設(shè)中不可避免的會出現(xiàn)冗余的多邊形，致使多邊形相互重疊出現(xiàn)反光現(xiàn)象，須刪除多余的面以優(yōu)化整體。 對照模型照片進行模型的紋理處理，從而加強在漫游中的虛擬現(xiàn)實效果。本系統(tǒng)中涼亭的實體模型如圖 10 所示。圖 10 涼亭實體模型4.44.

29、4 模型紋理模型紋理 紋理技術(shù)是將二維圖像映射到三維模型的表面，在不增加節(jié)點結(jié)構(gòu)的同時獲得逼真的視覺效果，這是整個建模過程中的關(guān)鍵步驟19。二維圖片處理使用 photoshop 軟件，在圖片處理過程中必須注意其紋理圖像在 x 和 y 方向上的數(shù)值必須為 2 的次冪。紋理操作如下：將紋理圖片調(diào)入紋理調(diào)板，選中紋理圖片，使用工具箱中的紋理工具（texture）對所選的模型對象進行紋理操作，在紋理的屬性窗口中設(shè)定紋理的屬性值，最常用到的是紋理圖片的重復(fù)方式，包括 clamp 和 repeat 兩種方式。clamp 方式指無論多邊形的實際大小是多少，紋理圖像只顯示一次，如果紋理圖像無法覆蓋多邊形表面，

30、就使用紋理圖像的邊緣顏色涂抹覆蓋的多邊形部分。而 repeat 方式則是盡可能的重復(fù)顯示紋理圖像，直至覆蓋多邊形的表面。兩種方式可視具體情況而定，如在紋理女書碑林園的墻體的時候，則是采用repeat 方式將墻體的紋理圖片不斷的重復(fù)直到覆蓋整個墻體。而博物館墻體表面的紋理時則是使用一張紋理圖片，不需要對其進行重復(fù)。女書園林中的長廊紋理后的效果如圖 11 所示。圖 11 長廊的紋理效果4.54.5 模型整合模型整合模型整合即按照預(yù)先設(shè)計的園林場景的大致分布，將子模型放置在合理的位置，生成全局的整體三維效果。本文引入園林地形，然后將地表地貌模型放在相對位置，把各個子模型按照一定的結(jié)構(gòu)組合在一起，形成

31、總體模型提供給場景調(diào)用，最后實現(xiàn)系統(tǒng)的視景漫游。在 multigen creator 中，模型的集成是通過外部引用實現(xiàn)的，外部引用是指在一個模型中設(shè)置外部參考節(jié)點，在節(jié)點下能夠調(diào)用另一個模型的部分或者全部，并且可以重新定義被調(diào)用的子模型在空間中的位置。使用外部引用可以讓用戶直接把其他數(shù)據(jù)庫中的模型引用到該模型中，需要注意的是被引用的數(shù)據(jù)庫20的位置要確定，引用之后不能改變它的存儲位置。本系統(tǒng)整合之后的全景仿真效果如圖 12 所示。圖 12 “女書”碑林園視景仿真系統(tǒng)整合全景效果圖5 5 建模技術(shù)中遇到的難題及解決方案建模技術(shù)中遇到的難題及解決方案任何實時系統(tǒng)的圖形硬件，在一個給定的幀頻率下都只

32、能對有限數(shù)量的多邊形進行各種實時的計算處理，這個限制也被稱為“多邊形預(yù)算” 。建模應(yīng)當(dāng)力求模型的真實性，真實性的同時就免不了模型構(gòu)造的復(fù)雜度的增加，由各個面組成的模型占用的系統(tǒng)的資源就會增加，如果模型數(shù)據(jù)庫中的多邊形數(shù)量超出了實時系統(tǒng)的處理能力，那么仿真應(yīng)用就無法流暢地運行，這就給后續(xù)的虛擬仿真系統(tǒng)的漫游帶來壓力，使得系統(tǒng)在漫游時會變得緩慢，不順暢。 。所以在不影響視覺效果的前提下，怎樣用可能少的多邊形來表達盡可能豐富的場景內(nèi)容，成為三維建模亟需解決的一個難點項目中通過幾個有效的方法來解決資源利用率的問題5.15.1 使用紋理來取代模型細節(jié)使用紋理來取代模型細節(jié)在不使用更多附加多邊形的情況下，

33、使用紋理可以從視覺效果上極大地豐富模型細節(jié)。圖 13 女書園林墻面截圖如圖 13 所示的實例中，建筑物模型是女書園林模型的圍墻部分，該建筑物本身就是一個簡單的長方體型幾何體，但是在每個面上映射了適當(dāng)?shù)募y理后，不需要進行每個磚塊，每個瓦片的構(gòu)造，只需要添加圖片，建筑物就顯得很寫實了，磚塊和瓦片等細節(jié)都有所反映，而沒有用到一個額外的多邊形，既減少了多邊形的數(shù)量又使得模型更加真實。圖 14 的這個例子則是用紋理來實現(xiàn)了滾動的河水的效果，整體感覺就是流動的河水，減少了很多多邊形，給系統(tǒng)帶來更大的空間，運行順暢。圖 14 女書園林周圍流動的河水對于使用了 lod 技術(shù)的模型，用戶還可以在不同細節(jié)層次的模

34、型上映射不同分辨率的紋理。具體來說，就是在高分辨率細節(jié)模型上使用高分辨率的紋理，在低分辨率細節(jié)模型上使用低分辨率的紋理。這樣，模型在不同細節(jié)層次之間進行轉(zhuǎn)變的時候就會自動地使用不同分辨率的紋理。一般地，當(dāng)視點在 3m 左右觀察模型時，模型紋理的分辨率大約為每紋素（texel）0.005m，而當(dāng)視點在 100m 左右時，模型紋理的分辨率只需每紋素（texel）0.164m 即可。使用 lod 模型配合多分辨率的紋理，可以有效減少系統(tǒng)所繪制的多邊形數(shù)量，從而減少對系統(tǒng)資源的占有量，達到提高系統(tǒng)運行速度的目的。5.25.2 刪除冗余多邊形刪除冗余多邊形可以通過手動去刪除模型數(shù)據(jù)庫中不易察覺的冗余多邊

35、形來減少數(shù)據(jù)庫中總的多邊形的數(shù)量，這些冗余的多邊形主要指那些在實時仿真運行的過程中始終不會被顯示出來的多邊形，包括模型幾何體內(nèi)部的多邊形、一些過度的模型細節(jié)河北其他多邊形完全遮蔽的多邊形等。圖 15 是一個靠在墻面上的房屋，在墻面的那邊是不被觀察點看到的，這時就可以手動刪除這些冗余的多邊形。圖 15 女書園林中畫軒除了憑借自己經(jīng)驗進行手動刪除外，還可以使用 virtue 3d 公司出品的 vsimplify 之類的第三方工具來自動對模型多邊形進行自定義的精簡。使用這個工具，可以在保留原有模型多邊形各種屬性的基礎(chǔ)上按照指定的百分比對模型進行簡化。vsimplify 相當(dāng)于creator 的一個插

36、件，調(diào)用它的命令經(jīng)常出現(xiàn)在 lod 菜單中。5.35.3 刪除背面多邊形刪除背面多邊形在模型數(shù)據(jù)庫的圖形視圖中，creator 會自動剔出模型的背面，而只顯示模型的前面（即法向面對視點的多邊形） 。對于實時系統(tǒng)而言，在建立模型數(shù)據(jù)庫時就刪除模型的背面多邊形有助于減少系統(tǒng)的繪制時間。例如在女書園林視景仿真系統(tǒng)中，整個地面下的多邊形，以及無法進入的房屋內(nèi)部的多邊形，實時系統(tǒng)只需繪制出地面表層以及建筑物的外圍即可，而內(nèi)墻面，甚至包括建筑物的地面都不需要被渲染出來，所以可以將它們從模型數(shù)據(jù)庫中安全刪除。如果仿真效果需要顯示多邊形的兩個面，可以使用面節(jié)點的雙面顯示選項，用戶可以在圖 16 所示的面節(jié)點屬

37、性對話框中方便進行設(shè)置，雙面顯示的多邊形的正面和背面共享色彩、材質(zhì)、紋理等所有屬性。圖 16 面節(jié)點屬性對話框但是，對于類似建筑物內(nèi)部的仿真引用而言，使用雙面渲染多邊形就可能達不到預(yù)想的效果，因為往往室內(nèi)和室外的多邊形會使用不同的紋理。對這樣的情況，可以選擇多邊形的前面，復(fù)制后將其反轉(zhuǎn)代表內(nèi)部的多邊形，從而可以使用不同的面屬性來獲得更逼真的效果。當(dāng)然，這樣共面的兩個多邊形可能會導(dǎo)致實時仿真過程中的深度沖突現(xiàn)象，所以最好將它們分開適當(dāng)?shù)木嚯x。5.45.4 面片技術(shù)面片技術(shù)在三維建模中會遇到某些模型細節(jié)要求很高的建筑模型，例如“女書”園林漫游系統(tǒng)中四面環(huán)繞的大山，若按照普通的方法，該模型要進行多層

38、次的構(gòu)建，包括山的起伏，菱角的實現(xiàn)等相關(guān)問題，最重要的是，模型很大，細節(jié)實現(xiàn)之后，模型對資源的利用率很高，達到整個系統(tǒng)資源的 40%左右，系統(tǒng)運行緩慢，顯然這樣實施的系統(tǒng)在運行后效率會很低。面片21技術(shù)其實是公告牌技術(shù)的擴展，就是通過一個面來實現(xiàn)所有效果，主要的思想就是利用觀察者在不同觀察角度所看到的效果不同。系統(tǒng)中觀察者的角度設(shè)置的是正常人的身高，也就是說在這個角度觀察到的東西即實際出來的效果。即在場景的四周設(shè)置圍欄，貼上山體的紋理圖片，用幾個面代替了大量的山體面，從而大大節(jié)省模型占用的內(nèi)存和磁盤空間，方便了建模的操作，有效地降低了模型數(shù)據(jù)庫的規(guī)模，而且在視覺效果上絲毫不遜色于完整的山體構(gòu)建

39、，增加真實性。模型實際外貌如圖17 所示（高空觀看） ，觀察者觀看效果如圖 18 所示： 圖 17 山體模型構(gòu)建圖 圖 18 山體效果圖6 6 結(jié)束語結(jié)束語本文在項目的開發(fā)過程中，研究了三維建模的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化方案，采用了優(yōu)化建模策略，有效地減少了模型占用的存儲空間，提高了系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。少數(shù)民族文字“女書”碑林園視景仿真漫游系統(tǒng)的運行結(jié)果表明，優(yōu)化的建模技術(shù)有效地提高了系統(tǒng)的運算速度，增強了渲染效果，為系統(tǒng)的真實性和實時性奠定了基礎(chǔ)。7 7 致謝致謝時光飛逝，四年的大學(xué)生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。這四年的時光是我人生中一個不可磨滅的

40、印記，奮斗過也收獲過，在論文即將付梓之際，思緒萬千，感慨良多。從論文的選題到順利完成，一直都離不開諸多良師益友和同學(xué)的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意。我的論文是在童小念老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，從題目的選擇到論文的最終定稿，童老師都給予了我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。童老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，樸實無華、平易近人的人格魅力都對我影響深遠，她循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予了我無限的啟迪。雖然和童老師接觸的時間不算太長，但我從她身上學(xué)到的東西卻受用終生，再次感謝童老師在論文的完成過程中為我指點迷津以及熱忱的鼓勵。在此，謹向童老師表示崇高的敬

41、意和衷心的感謝。此外，我還要感謝我的父母，在我最迷茫最失落的時候，給了我希望和力量；在我最難過的時候，給了我安慰；在我最無助的時候，給了我支持；在我最失望的時候，給了我信心。是父母的支持和鼓勵，讓我戰(zhàn)勝了一切困難，勇往直前。在未來的日子里，我也一定會繼續(xù)努力，不辜負父母對我的殷切希望，將來好好孝敬他們，回報他們。再次對他們說一聲“謝謝，您們辛苦了” 。又到了一段學(xué)習(xí)的尾聲，學(xué)習(xí)的過程無處不在，我愿意永遠做一個趕路的行者，勇往直前，在屬于自己的舞臺上演繹自己的精彩。對于培養(yǎng)了成千上萬學(xué)子的中南民大來說，我只是一個過客，但對我來說，民大已經(jīng)融入了我的人生，感謝民大給予了我一個很好的學(xué)習(xí)平臺，感謝四

42、年來給予我學(xué)習(xí)上和生活上提供幫助的所有老師和同學(xué)，讓我在求學(xué)的路上不斷變成一個智者。我的人生即將進入另一個階段，但我永遠不會忘記“篤信好學(xué)，自然寬和”！8 8 參考文獻參考文獻1 金偉新，基于 multigen vega 和 creator 的視景仿真j,系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用,2005,7:112-1142 寧翔，淺議虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用j，商場現(xiàn)代化，2008，(36):127.3 王延紅、楊平利、仇小鵬、陳暉，仿真建模軟件 creator 的應(yīng)用技術(shù)j，計算機仿真，2005，22(7):179-181.4 耿維忠，基于 creator 和 vega 的視景仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)j,東華大學(xué)學(xué)報，2010,