谈几何建模技术在虚拟校园漫游系统开发中的应用

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1、谈几何建模技术在虚拟校园漫游系统开发中的应用　　论文关键词：虚拟现实虚拟校园漫游几何建模场景优化人机交互技术　　论文摘要：虚拟漫游系统的开发是虚拟现实技术的一个重要应用。以华北电力大学保定二校区为虚拟仿真环境，使用3DMAX建模工具对校园中的各种模型进行建模，使用多种基于几何建模的场景优化措施，并基于GoogleEaCh卫星截图进行场景的精确布局设计。结合Virtools虚拟现实开发平台，设计了虚拟校园漫游系统的开发流程，并在微机平台上实现了一个场景复杂的校园实时漫游系统。该校园漫游系统不但为用户提供了友好的e是这类

2、漫游系统的代表。　　基于多边形的实时漫游系统也称为基于几何渲染的漫游系统。这类漫游系统一般具有很好的交互性，既可以在导航器的指导下漫游，也可以根据用户的意愿自由漫游。但是一个高逼真的基于多边形的虚拟校园漫游场景通常包含上千万甚至更多的多边形，大规模虚拟校园场景复杂度的增加势必影响场景绘制的实时性。　　混合漫游系统既使用图像也使用多边形来参与绘制，试图融合前两者的优点，但是目前该技术不是很成熟，基于图像的漫游系统固有的缺陷仍然存在。因此，本系统选择采用基于多边形建模的方法构建虚拟校园漫游系统。　　1基于多边形的虚拟漫游

3、关键技术　　目前从技术角度来说，建筑物虚拟漫游的最大难点在于建模和实时绘制。虽然随着计算机技术的发展，个人计算机的处理能力有了极大提升，甚至已经超过了以往专业图形工作站的水平。尤其是CPU和GPU(graphicsprocessingunits)的迅猛发展，使得在微机上开发虚拟漫游系统具备了一定的物质基础，但是由于室外建筑漫游所看到的景象距人们很近，因此需要绘制得非常逼真并且建模时需要构造得非常精细，这往往消耗计算机大量的时间和空间资源。同样，对于构造出来的如此复杂的模型，在对其进行绘制时，由于GPU性能的制约也往往

4、很难达到实时效果。因此，围绕解决大规模室内外漫游场景绘制的质量与实时性的矛盾也就必然成为开发虚拟漫游系统要解决的关键问题。本系统主要实现一个基于多边形的校园室外漫游，需要考虑使用的关键技术主要包括：可见性裁减技术，LOD(1evelofdetail)技术。　　1．1可见性裁减技术　　可见性裁减处理从某个视点来说场景中可见部分的确定问题，即只将潜在的可见部分送入绘制管道，从而提高场景实时绘制的性能。如图1所示，根据场景中不可见面片的种类，可以将可见性裁减分为视见体裁减和遮挡剔除。视见体裁减主要裁减位于视见体外部的多边形

5、，简单场景的视见体裁减可以基于OpenGL等图形绘制软件包在基本图元一级进行裁减，而对复杂场景的视见体裁减一般根据预处理阶段构造的层次数据结构对场景空间数据进行合理组织，可以在场景对象一级进行裁减，因此使用CPU进行视见体裁减的时间开销更低。遮挡剔除是对于当前视点剔除掉位于视见体内且被其前面的遮挡物(Occluder)遮挡住的对象。另外，可以将裁减那些背向视点的多边形的背面裁减理解为一种最简单的遮挡剔除。综合国内外在这方面的研究情况，可见性裁减算法主要分为预处理与实时处理，保守型与近似型，点与区域型，图像空间与物体空

6、间，还有单独遮挡物与遮挡物融合5种类型。　　　　1．2LOD技术　　LOD绘制技术是指对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，根据视点与物体的距离或物体的重要性等因素决定删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂度，加快图形的绘制速度。因此这里采用LOD技术充分利用了人眼的视觉特性，在模型的精细程度与绘制的速度方面取一个折衷，既要保证一定的绘制质量，以满足良好的视觉效果，又不造成用户漫游的不适感。地形这一特殊的复杂模型一般采用多分辨率建模技术绘制。所谓多分辩绘制算法可以认为是LOD技术的延伸，即算法实时地根据视点

7、的变化而简化地形绘制的一种方法。由于校园地形较为平坦，地貌特征并不复杂。基于以上情况，如图2所示，本系统参照卫星地图构建了华北电力大学保定二校区地形的平面模型，用它来替代地形模型。　　　　2虚拟漫游系统流程设计与开发　　在虚拟校园漫游系统开发过程中，对现有的建筑及其它场景采用实地拍摄，实地观察，使用几何建模的方法来进行场景搭建。工作流程如图3所示。　　　　2．1Virtools开发工具　　本系统构建使用的V~tools是一套集创作应用程序、交互引擎和渲染引擎和发布模块于一身的3D虚拟现实开发系统。该系统除了提供给用户

8、方便易用的拖拉模块式构建方法，还为程序员提供了编程SDK、脚本编程语言以及对图形编程语言ceTx的支持，以便于程序员开发更适合实际需求的高效解决方案。　　2．2三维虚拟场景数据库的构建与优化　　逼真的三维场景模型是构建高逼真虚拟漫游系统的关键，本系统的场景构造主要按照实地考察结果进行。建模同时还要实现场景细节表现与图形负荷之间的高效平衡。为了使