虚拟校园漫游系统优化算法研究

                    作者：宁慧 原庆凯 潘虹 吴悦

　　论文关键词：虚拟现实  实时漫游  纹理映射

　　论文摘要：虚拟校园是可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛应用在虚拟校园的各个方面，并带来切实的效益．以第 2炮兵士官学校虚拟校园的建设为例，对虚拟校园实时漫游系统的建模技术、实时显示技术、渲染技术的优化方法进行了分析，给出了模型优化、场景调度、渲染加速 、实时驱动的计算方法 ，并对可见性判定和消隐技术、细节层次模型 、纹理映射技术等进行了初步研究．

　　虚拟现实 (virtual reality，VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是指利用高性能的计算机生成逼真的视、听、触、嗅觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的专用设备(如数据手套、头盔)以 自然的方式与虚拟环境中的虚拟对象进行实时交互，相互作用，相互影响，从而产生身临其境的感觉．

　　近年来，随着计算机硬件技术的加速发展，虚拟现实技术在建筑环境实时漫游中的应用成为人们关注的热点．虚拟校园漫游是城市规划应用的基本功能之一，构造一个虚拟校园漫游系统，必须综合应用计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及网络技术等多种计算机领域的最新技术．文中根据第 2炮兵士官学校规划设计，应用虚拟现实技术开发了基于桌面系统的“虚拟校园实时漫游系统”，该系统以中档 Pc机为硬件平台，对实时漫游系统的各种优化算法进行了深入研究。

　　1  系统总体结构

　　为了保证整个场景能顺利、流畅地在普通高档微机上运行，同时达到实时漫游的功能，保证其安全、可靠地运行，按照任务侧重点的不同，可将整个系统分解成场景模型子系统、漫游引擎子系统、输入子系统 、渲染输 出子系统等，它们在功能上相对独立，通过数据接口相互联系，其总体结构如图 1所示．

　　2 模型及贴图的优化

　　2．1  三维复杂模型结构的优化

　　虚拟校园中有许多复杂结构模型，如果模型数据库中多边形数 目超过系统的计算能力，在虚拟场景中漫游时帧处理将无法及时完成，场景变换的平滑性会受到破坏  ．为了提高运行系统的实时性，必须对模型进行简化处理，以减少数据库的多边形开销，从下面几个方面对模型进行简化：

　　1)使用 LOD表达复杂结构模型．虚拟校园中有许多复杂模型必须用 LOD来表达，以使运行系统中的多边形数控制在预算之内，有利于提高运行系统的实时性．

　　2)用纹理代替多边形表达结构细节．纹理映射能够在不增加多边形数目的前提下提高场景表达的详实程度，用 LOD模型配合一定细节程度的纹理来代替多边形模型会大大降低系统的绘制负载．

　　3)删除冗余多边形．删除数据库中的冗余多边形可以在一定程度上减少系统中的多边形数量，这些多边形可能是模型内部的细节结构，某些多边形的背面可能是位于某平面上的模型的底面，如地面上内部不需漫游的房屋的底面等．可以用 3DSMAX中的 Optimize修饰器进行简化 ，主要用于减少模型的面数．值得注意的是，Optimize必须在贴图之前进行，否则贴图会发生扭曲．

　　4)移除多边形的背面．虚拟校园环境中组成绝大多数模型的多边形都是单面可见，3DSMAX能 自动剔除多边形的背面，仅显示其前面，虚拟校园环境中除构成树木模型之外的绝大多数多边形都是单面可见的．为减轻系统的运行负载，提高渲染速度，如果多边形是单面可见，应确保其状态没被设定为 2side．

　　2．2 纹理映射优化

　　虚拟校园中所使用的纹理是用数码相机拍摄景物表面细节获得的数字图像来离散定义的，之后用3 DSMAX的纹理工具进行纹理映射和对纹理进行编辑  ；但系统中纹理的大小、数量和分辨率受运行系统中纹理存储空间的限制．所以为了在不降低模拟真实性的前提下，使纹理占据的系统资源(如存储空间)尽可能少，必须对纹理数据进行优化，以提高系统的运行实时性．

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