（计算机应用技术专业论文）虚拟校园建模与场景漫游技术研究.pdf

摘要 三维可视化仿真技术是当今图形举的热门研究方向，其中焦点 之一就是热餐瓣淡场豢囊实惑和绘嘉l 涟度匏矛潘。 针对这个问题，本文提出了一种麓于视点的场景数据分块策略， 并为冀上的地物信息建立了场景乎露索弓l 表，以保证访淘每个地形 块时，能够猿确的甄断出其上场景实体的组成情况。根据场祭数据 空间做墨的相关性，撮出了地形块的幼态调度策略，并由此懿略衍 生出了毛援鍪甥换方法以及碰撞捡溅熬霞绽方法。滁姥之终，本 文还对场景模裂的简化、绘制效果的优化等方面进行了具体的醯明。 并最终在v e g a 平台上，实现了基于p c 机的桌面级非沉浸式的虚拟 漫游系统。该系统在爨示效栗搴瑟运章亍遮度方西都牧蚕了满意的效栗。 关键谰；鏖擞凌实三缝建横数据分块数据调畿o 羚 碰撞检测麋拟漫游 a b s t r a c t t h e 协c h n 涵u eo f 3 dv i s u a l i z a t i o n 远攮e p 心甜f 。s e a f c hd i f e e 鞋o n 主n c u f r e n tc o m p u t e rg f a p h i c s ，o n eo ft h ef o c u s e si sh o wt os o l v et h e c o n n a d i c t i o nb e t w e e ns c e n er e a l i t ya n d p a m t i n gs p e e d 均s o l v e 畦畦sp f o b l e 嫩，t 鞋st h e s i sp r o 羚s e sa 馘耐o f 妇t 鑫套射宅主t i o n s 锄钯g yb 鑫s e do nv i e w p o i n t ，a i l ds e t su pt h ei n d e xf o r mo f t 量l es c e n ef o r t l cs u r f a c e 矗墨m j r oi n f o r m a t i o ns ot h a tu s e st l ei n d e xt o u d 蜡e 也es u r f a c e e n t i t yi 藏f o 船a t 诗娃8 c 傀f a 域yw h e ne 鑫c ho ft e 琳溆b l o e k si sv i s i t e 畦， a c c o f d i n gt o 铂es p a e ep o s i t i o n 揩l a t i v i t yo f 国es o e n ed 撕ap r o s e st h e d y n a m i cs c h e d u l os n a t e g yw h i c hi sb a s e do nt e r r a j nb l o c k ，a n dd e r i v e s o u tt h eo 瓣i 描i z a 毫i o nm e 墩o do fl o ds w i t c h 题dc o l l i s i o nd e t e c t i o 矬1 建 翔壹d i ! t i o n ，也i s 乇h e s 担a l s oi n t r o 出l c e st h em o d e is i n l 讨l i 矗c 矗矗o nm e t h o da n d o p t i m i z a t i o nm do fd r a w i n ge f f e c t f i n a l l yo nt l l ev e g ap l a t f o 彻 c 戤 e so u ak i f 通西d e s k t o 蓼c l a s s 豫i m m 颤s i v ev 溆l 疆lr o 鑫m i n 窖s v s t e m 主n 也ec o m m o np c t h i ss y s t e mh a sr e c e i d 也es a t i s f a c t o 叫r e s u hi nt h e a s p e c t so f t l l ed r a w i n ge 拜b c ta n dr u n n i n gs p e e d k 昭w o r d ：v i r t u 射r e 鑫l i t y 、3 dm o d e l i n g 、t e r r a i np a r t i t i o n 、t e r r a i n s c h e d u l e 、l o d 、c o i h s i o nd e t e c t i o n 、v i r t u a ir o a h l i n g 第一章绪论 。 寝拟芰莞实技零的基本撅念 1 1 1 虚拟现窳技术概述 艨羧现实( v i r l 诖a ir c a i 坶，v 鼢楚远2 0 世纪8 0 年代才兴起的一 门崭新的综合性信息技术。它依托于计算机图形技术、多媒体技术、 传感爨技术、人规交互技术、网络技术、立传显示按零以及爨寞按 术等多学科技术，并随着这些信息技术的突破丽迅速发展起来。近 年来，计算机的硬件技术的发展以及廉拟现实技术的推广，威拟现 实技术邑广泛痰惩在奉幸学磅究、蘧学斑矮、王程设诗、军事、潺学、 娱乐、教育培训等众多领域。 。 。2 虚羧褒奖技零鹣褥 芷 美i 园科学家b u r d e ag 在和p h i l i p p ec o i 触曾在1 9 9 3 年的 e l e e 韵9 3 国隧会汶上发表戆戳懿a l 孙藤沁s y s e 越a n 蘸细p l i c 蕊。珏” 一文中，提出一个“盘拟现实技术的三角形”，简洁说明虚拟现实系 统的基本特征，即三i ”特性：i m m e r s i o n i m e r a c t i o n i m a g i n a l i o n ( 沉 浸一交嚣一擒惩) 熬凝l 。l 掰示。 图1 1 v r 技术的3 i 性 ( 1 ) 沉浸性即用户置身予一个麓发“真实”的多维售感空滔， 感知被虚拟 鼗界所包溺，好像宪全融入其中样，产生身临其境的 感觉。理想虚拟环境威该使用户到达滩以分辨真假的程度，要达到 这个嚣檬，藏葵衷虚拟强凌鬟供人类掰其骞懿一诱惑缎能力，雹摇 视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉。 ( 2 ) 交互饿指用户通过自然的动作与虚拟世界中餐种对象进行 裰互交匿静撬力。交互能力傻褥瘸产黥够对虚按环境遽行实辩操作， 从虚拟环境中得到反馈。交互过程中最重要的因素是寅时性，实时 性魁指计算机响应用户输入并立即改变虚拟环境状态的时间。实时 性不好，在交互时就存在较大的延迟。 ( 3 ) 穆怒是摇鼹声逶过对虚拟琢壤中甥体熬搡缀与褒察搬深对 褰貔鹃认疆器瑾瑟，掇麓惑毪与理缝试谚 ，驮蠢癌发蒙戆稳憨。v r 系 统中虚拟环境设计不仅可以来自真实世界，也可来自入的想象世界。 特别是将现实生活中出现的复杂、危险环境，用虚拟技术最城出来， 馒月j 户得到亲历与锻炼机会，从而提高认识问题、解决问题的能力。 作为虚拟世界的创造稽，想象力已成为虎拟系统设计中的一个关键 闯题。 总之，这三令“l ”强调了在盥搭臻凌中入夔主导终瘸，_ l 筵去人 其髓从计算极系统豹多 帮去褒察诗算凳遴豹结采，逶遘寝港璃实技 术能使用户沉浸到计算机系统所创建的虚拟环境中，通过鼠貅、键 盘、头盔等外设与虚拟环境发生交互作用；过去人只能从定爨计算 为主的结果中得到启发而加深对事物的认识，现在则可以从定性定 量综台集成的环境中得到灵感和理性认识而深化概念和萌发新的创 意。 。3 蠹撅鬟实系绫豹分类 虚拟现实系统可分为三大类 2 j ：桌面臌拟现实系统、沉浸式虚拟 现察系统、分布式虚拟现实系统。 桌面虚拟现实系统：是利用个人计算机或低级工作站实现虚拟 仿真，参与者把计算机屏幕或者投影屏幕作为观察虚拟世界的一个 鬻嗣，露素畹效粱楚逐过安放在案嚣上的豢簸实蕊。在这耪黢羧瑗 实强中，蔫户荠没蠢宠全投入，联淡逐楚会受努赛魏于魏，怒一耱 翻缀的虚拟状态，沉浸程度也不是很高。本文所开发的v r 藏用系 统就是这样的一个类型。这种虚拟现实由于不需要昂贵的硬件支持， 投入不是很高，目前艘用已较为广泛。 沉浸式虚拟现实系统：要求用户戴上头盔显示器、数据手套、 数掇衣服等，使用户柱与计算机产生三缎阁形交互中，形成一个虚 拟戆三维嚣壤。按照滚浸设备爨不嗣，溅浸式震撼瑗实系绫又弼努 为蒸予头盔显示静v r 系统、诵矗鼙斌l 系统、w 国e s k 系统簿。 分布式虚拟现实系统：是更为高级的斑拟系统，它结合了虚拟 现实及网络技术，在沉浸式v r 系统的蘸础上将多个用户连在一起， 熬鬻同一个虚拟环境，使用户协同工作达剿一个更高的境界。 2 1 2v r 技术研究现状 1 2 1 国外虚拟现实技术发展现状嘲 荧嚣是v r 技零鲍发源圭| 鏊。荚莺v r 磷究技术鲍本乎蕊本上裁 戟袭嚣际v r 发怒静承乎。嚣藩荚莺在该镁域静基疆磷究主要集中 在感知、用户界衡、后台软件和硬件四个方酾。 燕国宇航局的a m e s 实验瀣：将数据学套工程化，使其成为可 用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。 大鬟运矮了垂淘嶷鲶鹊飞行模缀技寒。对埝灏太空望远镶豹谤奏。 现程正致力予一个日q “虚拟行星探索”( v p e ) 的试验计划。现在 n a s a 己经建立了航空、卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训练 系统，并且已经建立了可供全国使用的v r 教育系统。 扰卡罗采纳大学( u n c ) 戆诗算援系憝进嚣v r 磺究聂晕最著 名懿大学。谴 | 、j 主要研究分子建模、航窒驾驶、矫科手术仿真、建 筑仿真等。 l o m al i n d a 大学医学中心的d a v i dw l n l e r 博士和他的研究小组 成功媳将计算枧阁形及v r 的设备用于探讨与聿率经疾疯襁关的闯 莲，篱割7v 廷j l 稀治疗法。 在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中，另一居于领先地位 的国家就是日本，同本主要致力于建立大规模v r 知识库的研究。 另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。 零塞大学斡褰级辩擎磅究中心凑缝饲黥疆变重点款焱远程整嗣 方萄，最近的研究项髫是主从系统。该系统可以使_ 蓦l 户撩制远程摄 像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。 筑波大学研究一些力反馈撼示方法，开发了九自由度的触觉输 入器，盛拟行走琢型系统。 富圭逶实验整蠢藤公司歪在研究虚掇生物与v r 繇壤豹相互俸 用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，融经开发了一套神经网 络姿辫识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号 语言。 2 2 我国纛攮鬻实技术发袋浚状【4 j 我国v r 研究起步较晚，现在基本上魑处于跟踪阶段。另外经 济又相对落后，装配得起虚拟现实技术所需设备的实验室还比较少。 但遮馨寒出于政毖蠢关部门积摹i 学家们豹璧援，援据我嚣麴国壤， 铡定了开震v r 技术豹磅究。丸五筑巅、国容自然科学綦金委、国 家黼技术研究发展计划筹都把v r 列入了研究项目。在紧跟圈际新 技术的同时，国内一魑熏点院校，已积极投入到了这一领域的研究 之中。 j 塞航空舷天大学计算瓤系是鋈蠹簸攀避雩亍v r 酝究最有投藏 的肇饭之，并在以下方面取得进展；卷麓研究了虚拟环境中物体 物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分 硬l 牛，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设 计，可以提供实时三缎动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行 员诫练的虚拟现实系缀、虚拟现实应用系统的开发平台等。 漩汪大学c a d c g 霆家重熹实验室秀发遗了套桌嚣黧寝熬 熊茨环境实露漫游系统，还研镧密了在纛镶环境中一耪颏敬快速浸 游算法和一种递进网格的快速生成算法；嗡尔滨工业大学已缀成功 地威拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的台成和唇 动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和 临场感的方面进行了研究：西安交通大学惯息工程研究所对廉拟现 实中蜓关键技术一立体鑫示技术进行了磺究，提出了一耪基予j p e g 辕漆蘧绞缡弱瑟方寒，获褥了较毫熬嚣缭魄、绩礤篦浚及群悉速度； 北方工业大学c a d 磷究中心是我国鬟孚开展计算机动西礤究的单 饿乏，中国第一部究全用计算机动画技术制作的科教片相似 就出自该中心。 1 。3 研究意义 零文激长毒瑾王大攀东菠区为镶，袋示了将三维霹褫纯技术应 瓣予校困蕊菇和建设中豹良蟹蘸景。建立纛缀校霜戆嚣豹是巍瓣翅、 设计阶段就使人们能够在一个虚拟的三继环境中，用动态的交互的 方式对未来的建筑或圈区进行身临其境的众方位的审视，这怒传统 的舰划设计效果图和颊 ；宦染回放的三维动碱所无法达到的【6 j 。艘拟校 园设计具有如下重要慧义； ( 1 ) 为校园规划设计剖建遥真豹纯三缎的场景；( 2 ) 实藏全方位、 多方式、鑫枣控裁载绥装浸游：( 3 ) 多耱校霆矮楚与设诗方絮貔对 援：，不嗣时期、不同阶段的较园发展交化对魄；( 4 ) 形成标凇的三 维校园信息平台为校阉管理服务；( 5 ) 满怒公众参与校园规划方案 的需求；( 6 ) 实时展承规划设计方案。 通过虚拟现实技术，在向公众展示棱网规划设计项目成果时， 不仪可以实时地根据溉众的需求来转换不同的场景，而且还可以通 过受菇、数据手套等纛羧羚设繁绘滋众光与论皖静感塞 孛毒效莱。 1 。4 本文的内容缀绠 奉文藿走缀述了感越现实鼗本静蓥本概念、嚣连外瑟究动鸯以 敦漾麓熬硬究意义；暴惩莲子强影学豹几侮瀵染方法( g b 鬏) 与基 于图像渲染( i b r ) 技术楣结合魏三维建模披术f ，建立了漫游场景的 模型。接羞辩模鍪! 爨纯殴爱熬速绘裁繁醛遴嚣。r 详缨熬谈骥，獒中 瓴括；模型数獬库的优化、b s p 、m i p m a p 游控术，以及地形蟪调度 策略和由此衍生出来的l o d 模型切换方法。然后介绍了碰撞检测的 蒸本潦壤稻方法，辩缩会所邃试验区域酶实际情况，激进了驻鸯包 鞭焱舞法。最嚣，撵述了寝攘漫游系统瓣竣诗窦瑗遘疆。 率文共努六章，主簧内器辩下爨述： 第一章：绪论，简蒹介绍了虚襁魂安技术豹基本辆念，翻前研 究的热点和相哭技术的特点，指出了本文研究的问题。 第二章：谨缯费缨了三维模型建搂熬避狡。蓉重讨论了d # l a 黼a y 地形港构算法。对树术、楼麝等三维地物模型的建模方法也做了具 体蟪说暇。 第三章：讨谂了模型麓键方法鞋及热逮绘豢鼓拳，壤豢安簌强 瀵觞特点，撵粥了摊基于视点的地形妖动态调度策酶。 第耀章：奔缨了蹙时漫辩系绞弱辫澎学瓣理，并砖磁攮稔测算 法的实现及优纯过稽遴行了详细的说明。 黧五章：详细描述桌面虚拟漫游系统的蜜观过程。 蘩六睾：结束谮，黠全文旋工俸黧剁赣煮逡霉总缝戮疑瓣未来 王佟瓣展望。 鹪二章场景建模 2 1 建模王具 m u i t i g e ne r e a t o r 系列软俘是美国m 啦t i c 淹n - 壬a 糟d i g m 公司专门 针对可视化仿真行北应用特点推出的寅时可视化三维建模软件系 统，它提供了分别运行于高端s g i 工作站和低端p c 平台不同版本， 最大限度地满足不同的应用需求。 在p c 平台下的m u l t i g e nc r e a t o r 同样也集成了多边形建模、矢 爨建模秘遗形生成等多穆奁级功能，所以可以在满足实踺傍粪要求 静蓊疆下，毫效圭| 筵创建大嚣积虚掺场豢模整数据痒强 。m 娃l t i g 锺 e r e a t o r 与传统三缀建模软件的主要区别辩不在于它强大的多遮形建 模功能，而在于它独创的用于描述三维廉拟场景的层次化数搦结构 o p e n f l i g h t 数据结构。该数据结构区别于传统的三维模烈数据 组织形式，它采用种节点式的分层结构，可以快速方便地对场景 内的任意元素进行直接的编辑、修改和控制，特别适合图像生成器 瓣冀进行实鞋渲染掇髂【9 l 。j 迸乡 ，宅恣鼹供了诸如多屡次绥节 ( l o d ) 、蠡由覆控翻( d o f ) 、先煮系绫镰蠢级实霹功巍，著支持 逻辑筛选、分离面裁麓、纹理动画序列、公告板渲染等多种黼级渲 染功能。目前，m u l t i o e nc r e a t o r 软件所使用的o p c n f l i g h t 格式事实 上已成为业界的标准数据格式。 2 2 三维地形模型 三维逮形模型魄称失数字建髟搂鳖( 转逸i l a l 瓷糯i nm o 如l ， d t m ) ，是虚数遣理环境研究中静重要组成部分。目前馥较热门的地 形w 视化技术就是门研究数字地形模擞的显示、仿真等内容的学 科【1 0 】。d t m 是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的 统称，是带有空间位鬣特征和地形属性特征的数字描述，是建立不 同朦次的资源与环境馁恩系统不可缺少的缀成部分。d t m 的袭示方 法主要有三穆：等毫线、怒刘穆丽( r s g ) 秘不撬粼三角网( t 默) 。 葵中t 具有赢籍浚、窝效率霹荔予鲶溅壤径线( 絮藜袋线、筏遣 线等) 等特点，并且等簖线和r s g 均可猩构建t i n 的基础上内插获 得。因此，构建t i n 怒建立d i m 的关键。其中，由于d e l a u n a y t i n 其柯良好的形态，在袭达地表形态方面表现较为出色，得到蒋遍认 可。 6 2 2 1 三维地形模型的表示方法 翘则网格和不缎则三焦嘲格都是应粥比较广泛的数字地形模 黧，宅翻冬毒萁砉| 乏漆点。麓弱潮耱豹弦患不言秀浚，如数鬃缀稳麓 肇、易于构网、数据存储量，j 、吾穗分孛斤与诗算菲常方便蠢散、建 模方法直接等【i 玎。它的缺点是存在数据冗余，在地势起伏不大的地 麟数据冗余量较大；不规则三角网能够充分地表达地形的结构特征： 具有可变的分辨率，即当地形表面粗糙溅变化剧烈时，t i n 能包含 大蹙的数据点，而当敷形表面相对平缓肘，t i n 只需要最少的数据 点h 副；t 烈还其鸯考爨重要表霭数据点豹麓力，便于遮形模黧豹簿 纯驻“。当熬，这登傀焘遣霉致了其鼗摄露德与搽箨穗对复杂。墨醛 的三角形西以及三角形鹃点、边之闯的辆扑关系比较复杂，难以对 t i n 进行地形分析，占用存储空间较大替。 从以上的比较可以看出，规则网格和不规则三角网格备有其优 点和缺点，没有一种能够完全适应各种需求的模型，在实际皮用中 究蘸选择哪一释模黧，还要根据具体情援来定。关于规则阙楱裙不 簸鄹三受网逮较夔褰黢磷突，m 瓢k ( 1 9 9 窝w 鑫珏g f l 9 9 蛰分裂零 髑a r c 疆n f o 软 孛对筑等离线帮鼗字线潮圈数据产生豹鬣稍潮格帮不 规则三角网进行了分析，得出了一致的结论： ( 1 ) 从等高线数据中选取重要的点构成t i n 并生成r s g ，在= 者 数据量相同的情况下，删具有更小的谈熬； ( 2 ) 根据d e m 产嫩的地形晕渲图与溅射影像的比较也w 以看出 蒸予t l n 驰图像与正射影像嘲合褥更好 3 ) 当震于建立转嚣辩表嚣憝采群鼗攥熹减少露，交s g 豹藤曩馥 簸魄t l n 降低褥莰，蕊随着采样点或数捺密度的增翻，二者之间的 性能差别越来越不明鼹l i ”。 由于本文所选的实验区地形较为平坦，如果采用r s 0 将会造成 大爨的数据冗余，因此，本文选用t i n 张建立地形模型。 2 + 2 2 三维地形模型滋搀建过程 对予哥褪纯傣爽漫游系统来说，稳澎模型瞧能静菇蟒耱赢接决 定整个漫游系统豹骸能，因此地形模型构建之初就要考虑构建合理 的数据结构，采用适獭的模型简化方法对地形模型进行简化，以提 商场景绘制乃至场景漫游的速度【l 。 2 2 2 1 地形分块 一个十几平方公熙的地形场景，要处理的多边形数量可达几万、 十几万个。若要想把熬个地形数据一次调入内存，对整个场景避行 鬟梭、鑫示、漫游蛉攥佟都是不可能豹。羰以器要对场景进行分割， 然麓对每会场景模块避萼亍其俸弱建模，簸螽再将笼理鼯豹戆形模块 遴行无缝拼接，形成对整个场景的重构。分割前要对硬 牛静性能、 场景的复杂程度及纹理的数据量进行综含考虑，以确定每一块场景 的大小。 本文采用o p e n f l i 蚺t 数据库支持的屡次划分技术将整个数据库 场缀划分为多个组，繇缀代表一个地形块，并以树状桃构进行缎织。 鄹2 1 地形块存储结构 如图2 1 所示，d b 代表整个o p e n f l i g h t 数据库；t e r r a i n 代表整 个地彤场景模型。g r o u p 代表场景中的嫩形块。这样在地形熬构时 就可以分别对每个越形块进行独立建模，并将其保存为( n q 文件， 然麓再在一令憨文 孛审，蘧终都弓l 趸载澎式，将这些圭| 亟形浚攒接怒 来，形成整个建形璐最模覆。 地形块的大小划分将直接影响地形可视化漫游的效果。分块太 大将耗费系统资源，太小又将增加数据拣选的计算量。业界的一个 基本准则为：在每一帧影像的显示中，多边形的图形数据爨、纹理 数据量之和不能超过图形硬件的显存大小，否则将无法达到灾时显 示的嚣匏。 零文是逶：蓬纬度( 己贰l 捷d e ) 嚣经凌( 1 0 拄蠡纯d e ) 翡参数毽，来 控制d e l a u n a y 算法生成的最高l o d 地形模型中每个矩形遗块的长 度和宽度的。事实上鼹定义每个地形块翻勺高程点的采样率。比如， 将两个参数设为8 ，则最高的l o d 地形模烈的每个地形块对应商程 数据中8 8 的一组高程点。而相邻的l o d 的同样地形块所对廒的高 獠点为1 6 1 6 个一组。 采样率是选中成为地形多边形顶点的高程点占所有被选高程点 的比率。凰2 。2 力采捞搴为6 时( 躲在每6 6 数攒块中，读取该块 四个角的高程点的高程值作为地形多边形的顶点坐标) 的高程数据 采样示意围。 鼓采样戏 为地形多 迭形矮点 的旆程点逐 j 铲、? ；嗡；， 被忽略 的离程 图2 2 采样率为6 时的地形高程数据采样示意图 2 2 2 2 d e i a u n a y 方法重构地形块 静e l a u n a y 三兔丽被认为是最优韵。其最优性怒由它本身所具有 的两个重要性质米保 芷的：定外搂圆j | 生质及最大的最小角性质。出 于这两个穗质，傻它能最大限度地保证网中三角形满足近似等边( 角) 性【1 9 1 。经证明，在币多于三个楣邻点共鼹的欧几里德平藤中， d e l a u n a y 三角耐是唯一的。同时稠为d e l a l l l l a y 三角网算法将离散 的高强点数据转化为与地形吻会螅许多三熊霆，形残一个不规则三 角网来表现地形起伏交化。当地形起伏较大的时候，就生成较多的 三焦形寒模拟；当地形比较乎缓时，裁黛成较少的三角形寒搂拟1 2 “。 在同等精度的情况下d e l a u n a y 算法能用较少的点模拟复杂的地形 模型。因数，本文瞧慕援& l 鑫u n 酬方法寒重梅遮影。 农用d e l a u n a y 算法重构三级l o d 地形模型的过程中，只有每 缝亵糕点豹焦点参与三角讫，毽冀宅采棱采群静燕程点龟不煞被壹 接忽略，因为d e l a u n a y 算法是从最低的l o d 地形开始难成，包含 在 毳级嗣l o d 模鼙审翁其它商糕点信感可能会参与蓟后继高级鬟 l o d 模型的计算。因此在地形模型未完成前，所有的高程点信息都 霈要被 莱甏。 下面就来详细说明如何廒用d e l a u n a y 算法生成不同的l o d 地 形。蓠先，应用蘩本的d e i a i m a y 算法，以1 6 为采样率生成低级别 的l o d 地形。如图2 。3 所示，( a 囊，c ，d ，e ，缝 就是当地形采样率为1 6 时生藏的一组低缴剐地形的顶点。然盾，对顶点集合进行分类，保 瞬位于地形块边界线上的顶点( a b ，c ，( 1 ，e ，f ) ，删除地块中间灼顶点g 。 再以8 为采样率，对除地形块边界线以外的高程数据点避行采样， 褥到毅的一组离级别地澎顼点集合f 礅x ，y ，z 。簸层，憋毅生残的顶点 9 与原来边界线上的顶点相连，形成高级别的l o d 地形。 低级l o d 地形 高级l o d 地形 圈2 3 地形重构示意图 由于d e l a u n a y 算法是通过保留较低的l o d 边界顶点到较高的 l o d 中进行边界匹配。因此，较高一级l o d 的边界上并没肖增加 赫豹壕点。又因为较麓的l o d 模型包含了较多的多边形，所以可能 蠢魏顶蠡会缀接远逑赛，当逮赛夔嚣令疆煮稳蓬缀远瑟第三令顶点 又接近这条边时，裁袅产生细长豹三蕉形。为了解决这个闽艨，本 文给较低的l o d 分配熙多的多边形，这样可以得到更多的边缘点， 佩怒这样做将减少分鼯己焓高一级l o d 的彩边形数量。所以，相邻 l o d 的平滑过渡和d e l a u n a y 地形模型的精确度之间就存在一个微妙 的平衡关系，需要根搬实际需求加以调熬。 2 。2 ，2 ，3 缝彩块戆攥攘 采用d e l a 吼科弊法对每个地形进行鬣建后，需将各个地形块再 拼接起来形成一个蹙体。这就要求原来相邻的地形块( g r o u p ) 模型， 能够实现边的无缝拼接，否则就会出现漏洞。 同级相邻地块在建模的时候，由于浆样点是相同的，所以公共 边上的顶点数和顶点饿嚣都是相同鲍，爨然能够实现无缝捞接；不 隧缀剽稳邻遣获熬无缝掰穰，是纛裹缓剩魂块麓b 在邃雾线羔不 爝翱采样煮，维持低缀掰遗块豹边界煮不变来保证的。 在模型数据库中，将相同地块不同级别的l o d 放在一个g r o u p 节点下；将相邻的地块放在相邻的g r o u p 节点下，以此来保证地形 块绘制的连续性。如图2 4 所示。 发g r o u p 公欺边右g r o u p 翱2 ，4 ( a ) 冠级蛾块鲍无缝拱接 左g r o u p 公共边右g r o u p 匿2 4 ( b ) 不同级地块盼嚣缱拼接 2 3 三维地物模型 组成场景的模型是丰富多彩的，其中既肖复杂的三维地形地貌， 也露简单的具有觌则外形的房燧建筑；甄鸯树术、花草、潲溶等静 态秘鑫然蒙袋，纛窍凌慕、汽车、抒天等韵态静天文豢躐。瑟顼有 这一切将成为整个场景漫游系统的根基，它的复杂性、逼真程度将 直接影响整个漫游系统的实时性、真实感。因此，在建模前就要对 整个场景的总体构架进行详细的设计，对每个建模实体所耍采用的 建模方法专令大豁上熬了解。 2 3 1 楼体模型 c r e a t o r 这种优秀建模工具，拥有强大的多边形建模能力，可以 先利用宅凡傍工舆籀墨提供鲍耀、体建模z 舆，生成不圜大小懿三 舞瑟、矩形嚣、戮拄俸、球体。然后，辗瓣需要任意瓣接，生成蟊 标模型框架。这种类似于搭积术的建模方式，特别适合规则楼体的 建模。最后再映射上相关纹理，一栋楼房就完成了。 图2 5 ( a ) 楼体模型框架图图2 5 ( b ) 楼梯实体网 2 3 2 树术、花丛横整 作为场景孛数嚣最多麴矫部景蕊，树本懿遥囊程度直接影鞠整 个场景的真实感。因此，单株树木的寝示方法也是场景建模中的霞 萎研究肉容硼。 一般说来，按照真实树术的形体进行详细建摸是报难实现的。 峦乎耱豹彤狡不规粼，穰难像纛筑物建模那样嗣长方体、西柱等藻 本几何体来表示一棵树木。现在凰然商很多的树木的快速绘制方法， 僵怒这释方法不适麓子较多稿术酶场景，戳为它会往弱景建模的多 边形数目达到一个较高的数量级，从瓶导致场景的实时性受到很大 的影响，这显然是不可取的。所以，怨通淑详细建模的方法来表示 大鬃的树木是行不邋的。利用纹理映射来实现撼本的越单表示是一 条不错的捷径。该方法是场景真实感和实时性的一种折中。用纹理 来表示埘本有以下鼹秘方法： ( 1 ) 公钉牌( b i l l b o a r d ) 技术 公告游是辫定予某一患，霹潋绕一辘或煮囊转静多逑形，该多 边形的法向量永远面指向观测者。它的本质是用二维图像来代替三| 维静实俸模鍪，鼓霜节省大量的资源，提裔速度。宅豹税煮是速度 快，在平地观测视觉效果好。它的缺点是，如绕麓b i l l b o a r d 的面快 速转动，可敬餐密这个瑶在转动，获离空葫，氇散架不好；另外编 程相对麻烦。如图2 。6 就怒采用b i l l b o a r d 技术，只有一个面。 图2 。6 单厦旋转撼 ( 2 ) 用交叉的面模拟树术 一敷采用十字交叉西来模狻单禄树木，该方法甭蕊个誊相垂蕊 的交叉耐来模拟一棵树木。应用这种技术，所有交叉颟都要双面绘 翻，并瑟上褶阉静绞疆。魏图2 7 神掰示，为一个二叉简，为使它飘 各个方向上看起来都能被糟到，就必须绘制4 个面，嚣则当视点转 蜀遮两个平面法商量的负方向上时，将什么也看不到。 1 2 图2 7 ( a ) 十字交叉丽圈2 7 ( b ) 交叉阵列 丽对予像灌本、裁煞这类密集的植物，采用上面的方法建模就 会严重失寞，疑渡簸褥增热藿来疆蓦寞安疫。奉文是采建菱澎交叉 辫残来黠这类箍耪遴行模瓠的，船圈2 7 佟) 所示，就是该方法在花坛 娥模中的应用。需鼷说明的是，该方法也同样需要对每个平面都进 行双面绘制。无论鼹两个面还是四个面，甚至可以用八个谳来模拟 熙高精度要求的树木，其原理都是一样的，这种技术远看效果好， i 琏看效果一般，容易瓣出破绽【2 ”。相对于b i l l b o a r d 方法，它鼹然省 袅了编程上的麻矮，键是也增热了不少豳形绘制鳃受担。戮戴这摹孛 方法爱鹃麓娱要滨羹考感。 2 3 3 国栏建模 在场景建模中围栏、草地、广场是另一类比较有代表性的模型。 宅们的纹理大都是一样的，对于这种有麓大量重复纹理的场最逐 去映射纹理，显然楚十分麻烦的。纹理的拼接技术恰恰能够缀好的 麟决这兮阉蘧。 纹理鹣簿接按零在残熬褒实豹建横中寄着缀广泛豹盛蠲。它翦 主要思想是：先聚熬一小块有代表性的、w 重复拼接的纹理藻元作 为旗本拼接单元，例如一小段围栏的纹理、一小段地面砖的纹理等， 然衙用基本拼接单元不断重复拼接，最精拼接出一幅大图像的效果。 如图2 8 ( a ) 所示，就怒以一小段围栏纹理作为基元纹理，然聪将基元 纹理重复拼接，就褥剿翔图2 。8 ( b ) 所示瓣接条衡道的嚣栏横溅。 圈2 8 ( a ) 基元纹毽 豳2 8 国) 纹理攒接 第三肇模型优化及加速绘制技术 3 1 模型优化 巍建簇王羹裁褥爨夔禳墼楚繁鼠无枣熬，大量豹多逸澎占瘸了 巨大的内存空闯，使绘制速度大大减慢；荫锚乱排列顺序也降低了 系统的实时交互速度1 2 ”。为此，需要对模型数据库进行调憋和优化。 可视化仿真实时性和交互性的本质特征以及实时渲染的底层实 瑰道鼷，凌定了愆予可视纯铰爨系统懿三维攒嫠数据库露要毒不蘑 予传统三维稹墅数据霹熬一些将意，镶魏： 檬型的多边形数量要尽可能的少； 模型数据的结构要尽可能的简单； 模型数据库的结构要便于送行遍历操作； 模鳌鼗蠢痒簧g 穆竣瘟焉鼷穿莰速懿读取 模型数据要允许包含各种约束限制信息； 下面就依据以上的特点对模毅数据库进行优化。 3 1 1 面的合并与删除 衽c e a t o r 中建模时，为了建模过程的方便，不可能一次将模型 做的徽简化，面片冗余、破碎的现象很普遍。删除那些任何视点都 不可见的面以及含辩同平面内琐碎的面片，是减少模型数据量最 直接戆手段 z ”。 旋c f e 采o f 中，瓣要迸李亍嚣简纯处理静实体部是隘毒摹节蔗( o b i e e t ) 形式存储的，组成该实体的各个俩都是以面节点( f 如e ) 的形式存储 于体节点之下的。因此，需要对躲个模型数据库中的体节点进行遍 历。张每个体节点中，找出所肖必面的和永远不可见的平甄分别进 行会并秘霪 | 狳操馋。下覆鞋台除为镶寒滋弱溪熬颡豫帮会劳。 熙3 ，l ( a ) 未简化鲤模型圈3 1 蕊讫后的模型 翔銎3 。| ( a ) 爨示，3 缓奁玲麴模型是强三个长方薅罗舞在一起来 4 模拟的( 共i 8 个萄) 。西为台阶本身都是鞠楼体连接在起的，所 以台阶背面( 蓝甑) 的三个面以及每个长方体的下表面都是不可见 面，对于这些不可见面应直接将其删除。图中紫色的三个面片同属 于台阶的侧面，可以台著为一个嚣。这样缀过篱化磊模裂仅用8 个 嚣藏可敬表达了，弼圈3 ，| f b ) 掰示。经魏方法篱纯磊，摸黧馥覆片数 可减少3 0 5 0 。 3 1 2 调整模型数据库结构 放模型数撵纛秘存甓缝秘上霉，0 p e 拄 l i 彗谴接式蓬一耪撼状鳃 层次化结构，采用这种结构主簧是基于两点考虑：一跫这种结构可 以方便地将模型按照几何特性进行有效的缀织；二是这种树状结构 非常适合实时系统进行各种遍历操作。因此，模型数据库创建的合 理与否，将直接影响到场景静演染效率和效果。霹以谈一个练掏溃 鞭合疆靛模鍪数凝痒是一令离瞧缝场景漫游系统静萋瑟。为此，在 用c r e a t o r 对场景进行建模后，必须对其数据库进行调整和完善。 图3 2 模型数据痒的层级结梭视图 本文是奉饕疆鍪鼗据疼豹绪籀要矮子逡行遍瑟搽终熬源爨，对 模型数据库进行修改和调整的。具体采取了以下做法： 将整个场景中的模型按类别和功能分别放置在不同的组节 点之下； 将模墅豹霆要缝残部分魏多逮形方程独立夔髂繁点中； 按照一定的空闻顺序缀织节点； 将同级别的节点放置在同一层中，避免出现面节点直接放到 组节点下丽的情况； 测豫横溅中不必要鲍窆节点； 傻溪l o 矜按本为复杂模型设置多释维节层次。 3 1 3 实例技术( i n s t a n c e ) 实铡技术在实时场景绘制中是十分璧黧的。在鏖拟现实场景的 铡佟串，疰襞存太爨冗 霉形羧糖怒毽其缎嚣、大夺、方逡不撵鹣 物体存在。铡如，城市豹马路上、广场上、街区中大量存京麓几何 形状完全一样的各种潞灯，同种灯之间的蓑别仅在于所处的位鬻、 方向、大小不一样。如果把每个灯都放入内存，将造成极大地浪费。 这里就涉及到拷贝( c o p y ) 和实例( i n s t a i l c e ) 两个概念的区别 了。拷贝是通过在模溅数据库中完全复制横型对象几何体创建的副 本，褥实例仅仅是指囱模型数据库中模型对象鲍指睾 ，它并蠢；整嘉 貘臻l 对象靛蔻露形体。 采鬣i n s 纨k e 靛方法，楣弱的魏侮只在癍存中存放一份蜜伴， 将遮份实体进行平移、旋转、缩放之后得到所有相同结构的其它物 体，从而大大地节约了内存空间。那么谴烘平移、旋转、缩放操作 又怒如何实现的呢? 现在主要的实现方法为矩阵变换【2 “。三维空间 中物体的几何变换矩降可鼹k d 表示。 = 圈3 3 ( a ) c f e 8 c o r 中的实倒袭示图3 3 ( b ) 变换矩阵 从变换功能上t 3 0 可分为4 个子矩陴，其中子矩阵i 产生比例、 旋转等几何变换；子瓶阵i i 产生投影变换；予矩阵i i i 产生平移变换； 予矩阵产生整体比例变换。下面是具体的变换公式。 ( 1 ) 平移变换 设瑟象静当蓊谴嚣为( x ，y ，z ) ，莺椽餐嚣在三令麓方囊豹镶移为 t x 、t y 、t z ，尉变换公式为： l + y mz + 1 】= kyz1 】 io o 1 o 0 瓦瓦 o o 0 0 l0 互l = k 十cy + lz + t1 ( 2 ) 比例变换 设缩放比例为( s x ，s y ，s z ) 比例变换的参考点为( x 6y f ，z t ) 其变换公式为： lo蛰0 o1oo oolo 一苫，一y ，一z ， t s 。 o 0 e 哎) t x ， s ： o q s 。 o0 oo ；1 o s 。 o 咚sy 如f l0o0 0 1oo oo1o x ， 一y z ， l oo oo s o 垂一屯) z ， l ( 3 ) 凝转燹粳 设在右手坐标系下相对于嫩标原点绕坐标轴旋转舻角的变换公 式为： p 8静 8 1 蚓燃h 叩啦b 】l ：置黧：l b o o l c o s 妒豳妒o 绕y 轴旋转，b 4 y + 扩t 】= kyz ， l 。：矿j 。曼妒：i i ooo 】j fc o s 伊 s i n 妒oo 绕z 轴旋转b v 州m y 刈r p 。苫妒蚓 |oool | 1 7 在c r e a t o r 中，实例化的这萃申变换斑阵被分涮存储程层次结构的 实例化节点的辅助记录中。当进行该类含有i n s t a n c e 模型的显示时， 哭霉搀艨黠象熬数据售慧与对应懿变换矩阵裙象，即哥褥戮摆应戆 实例信息。 采用内存实例的主囊目标怒节省内存，从这个意义上来讲，内 存占躅少，显示速度会勰抉，毽嗣薅由于妨俸静凡侮位嚣要遴遥几 何变换得到，又会影响速度1 2 ”。但考虑到计算机的内存对大规模场 景来说糨对缺乏，面诗簿则是诗算车凡的强项。弱两，实例技术在大 窥模场撩豹建造中有着十分广泛的应用。 实例技术实质就是在存储空间和显示速度这两个关键性能间， 食理调酝资源熬一耪方法，溪激采爱实铡技术嚣要对这发与内存综 合考虑才能较好的达到翻的。 3 1 4 纹理映射技术( 搬抽臻黻a p p i 蛙g ) 在现实环境中，存在这大爨不规则的物体，例如树木、花筚、 擐栏、广告牌、路灯、雕塑等。对于这些环境装饰物，著不是霆点 鼹示的物体，如渠都用实体表示，所带来的资源耗费将是无法接收 的。可以采取纹理映射技术来很好地解决问题。 纹瑗是一耱霪来麓纯复杂a 彝落懿骞效办法。翻麓绞理获瓣， 可以以很低的代价来生成复杂的视觉效果。比如房屋的表面，并不 是一个筒单的平面，而是具有门、窗等复杂图案的表霹，如果对这 整绍节滋采溺兰维模垄寒表示，耨大大蹭翻摸黧复杂度，丽且孰实 际效果来看也未必会比一张映射了墙面纹理的表面效果好。因此， 本文都怒采用纹理映射蛇方式采模拟这魑细节的。 纹瑷映射拽术的使用将极大降低场景的复杂性，实现逼真度和 运行速腹的平衡。纹理的意义可简单归纳为：用图像来替代物体模 型中夔霹模熬或不霉横撅缨节，提裹禳羧遥真发秘显示速度瞄l 。 总而言之，使用纹理映射技术有以下优点： 增加了细节水平及景物的真实感； 自予透铙交换，纹理掇供了庭好静三缭线索； 纹理大大减少了环境模型的多地形数掰，提高阁形显示的刷 新频率。 3 1 5 三叉空间制分技术( b i n a r ys p a c ep a r t i t i o n ) 3 ，5 器s p 按零嚣瑾 b s p 技术充分利髑了平面的定铡性质，即空间的任一平葡总是 将整个空间剖分成两个部分，一部分为正侧，另一部分则为负侧。 校据这一连臻，f 娃e h s f 2 h 予1 9 鞠年蓄次将该瞧矮应嗣予乎嚣瑟在空 间的剖分，从而建立越空间二叉树结构。该二叉树的每一节点表示 一个子空间及篡所包含的多边形。对簿一个枝结点空间取一平面再 进行二叉誉分，分象乎誉隽该结点静两个子结煮。递；j 执行戳上遭程， 对每个一个结点继续按此法再分，直到满足一定不再削分的条件f 如 每个叶缝点空瓣中只包含一个空闻对象) 。再划分过程中，与分割乎 面有交的多边形被分割成两个多边形，被分别纳入到桐应子空间中。 一个b s p 二叉树的根结点代表躲个空间，叶结点即为最后剖分产生 懿子空阕。图3 4 绘窭了一令翡暴载乎覆示意粼及其转s p 二叉树翻 分。a 歪g 代袭最后剖分所产生的子空间，分别对应于二叉树的叶 结点。 ef a g bcd 圈3 4 空澜二义分割 3 1 。5 2 透明物体绘制中的遮档问题 在第二章第三节中介绍了遴明贴圈的纹理漱射( t e x t u r em a p p i n g ) 方法在复杂地物的重建中的具体应用，它不仅具有较离的真实感， 焉置能够改善系统静绘裁性能，大大撬离场景静绘裁速度。然而， 在实际应用过獠中，当场景中鼹有许多需要绘制的透明物体时，透 弱物体绘制的先后次序对绘制效果鼓影嘲很大，甚至决定善绘铡结 果的正确与否。跟人们生活着的真实三维世界中的情彤类似，在虚 拟场景空间中，由于物体的具体位置不同也会存在着相互遮挡的情 嚣。毽就是说，要这弱骞整锈髂看莛采要魄其 l 羹筑秘髂远黧或者 近一些的效果，近处的物体必须挡住遗处的物体。在实时仿真系统 中虢涉及到绘毒顾序的闽题，帮先绘制哪黛秘俸石绘制哪蹙物体， 鼹然远离视点的物体应该先于靠近视点的物体绘制，这样才能达到 戆糖黯效果，鲡鬃绘铡瓣_ | l | 囊序不正礁f 2 s l ，簸会窭瑰整3 5 ( a ) 中失奏筑 漕况； 盈3 5 ( 矗) 不芷确溅挡 翻3 5 批) 溅确遮挡 常用的绘制顺序存三茸孛，即固宠顺序、潆发缓存和b s p 隔麓。 嚣定壤痔 鼷定次孝( 瓤铽 i 魏懿绘粼方式魏照宠全按照模墅数掇簿中餐 蔷节惠豹先螽颞黟进行绘翻，磊| i 不考虑瑟鼓体豹空闽证鬟。实际的 绘制顺序是由实时累统读取模型数据库的避所顺序决定的，m u l t i g e n c r e 趣t o r 读取层次数据库节点的顺序为由上至下，由左至右。在c r e a t o r 的嘲粉襁匿中显示撰熬数据库时，所用的默认啦绘制顺序就趋这种 方式。这样不同翁节点摊刭矮垮涛怼骥黧豹寰舔绘丧效果产生一定 豹影潦。蓬3 。s 汹审寒粪现象戴楚霾为，数据疼孛疆诿蕊节点羧覆颓 序幕数的。 深度缓存 涤凄缓存( z - 转u 鳓f ) ，裁蹩撰显卡懿鬻瓣z - b 珏f 辩，葵枣z 代 淡z 辘的深度。礤对予其继静两种绘制方式，使疆深度缓帮绘制方 式的骥型数据库是最方便被创建的，因为不徽要考虑模型数据痒节 熙之溜瓣宠爱蹶黟，瞧不震要壤露额终熬黼离覆等。取磊代乏瓣是， 深凌缓存方式逶逶跑铰图像懿豫索潦震德来镶定蒌旗蕊模墼几薅俸 浚絷绘囊l l 羲痔。豫豢深度篷莛臻鼠褫煮爨多逡影表嚣上一点躲距离， 像索深度值越低，代袋该多边形离观察者越溉。 般说来，使用深度缓存方式进行濑染绘制通常需要爨多的内 存空问，而这种方式弗不适合处理具有较大深度复杂度或肖大量重 爨骢聚舱模型。爱谓豹深度复杂嶷如p 斑琳砖虹母) ，是指键一楼 中某个像素被重复绘制的次数，由于模型中相互重叠的多边形具有 捆同的深度值，所以濑被渲染到屏幕空闻时，这些像素就会被重复 绘裁。这撑随着深度复杂度戆瑶加，实时系统渲染场景所糕爨鲍时 瓣瓿会穗应兹瑷麓，觚磊影确实时绘翻豹效率。 b s p 隔离耍 b s p 隔离面，就鼹在模型中加入b s p 隔离面，这样实时系统就 会根据隔离面快速判断绘制模型几何体的先后顺序。所谓b s p 隔离 灏，是指一些可以插入被隔离的不同部分几何体之间的不可见面， 模型数据库节点就是椴据它们相对于b