【正文】 技術(shù)。利用紋理映射，可以 用 很低的代價來生成復(fù)雜的視覺效果。例如 ，在馬路上、廣場上、大量存在著幾何形狀完全一樣的各種路燈，同種燈之間的差別僅在于所處的位置、方向、大小不一樣 （如圖 51 所示） 。 LOD 方法的基本思想是：對場景中的不同物體或物體的不同部分，采用不同的細(xì)節(jié)描述方法。下面就常用的幾種場景生成與顯示的優(yōu)化 策略和相關(guān)技術(shù)作一介紹和分析。這種方法好處是路燈立體感強(qiáng)，效果好，但是建立過程比較繁瑣，需要組合很多的小短線和一些類似于球體的小燈，燈的大小，高度都要反復(fù)實踐才可以設(shè)計的美觀。讓樹成一條直線的情況除了出現(xiàn)在馬路邊外，在其他情況中是要避免使用的。在插入的過程中還應(yīng)該注意，要注意樹與樹之間的搭配、樹與灌木之間的搭配、灌木于灌木之間的搭配。第二類是綠化，包括樹木、灌木、植被、花壇等；第三類是路燈； 第四類是綠化帶，包括噴泉、假山、雕塑?；▔慕Y(jié)構(gòu)很簡單，它包含一個花壇的邊框，中間 放上一些小 草 、 樹、灌木和路燈等 。例如，馬路上的花壇長度可能比實際花壇長度長出一些。所以，建造道路的時候，一般是先 建出一段有代表性的道路，然后不斷復(fù)制這段路。這樣，模型所包含的信息量大、三維立體感強(qiáng)，體現(xiàn)豐富的細(xì)節(jié)。一般來說，對于越重要的建筑，模型就建得越詳細(xì)，面片數(shù)也越多；對于越不重要得建筑，模型就建得越簡單，面片數(shù)也就越少 。得到的模型如圖 45所示。利用 3D max 的各種建模工具和修改器可以很方便的將模型建造出來。 第一步，先進(jìn)行實地考察，也可參照效果圖，觀察樓房的結(jié)構(gòu)。這樣在編輯的過程中也可以只打開要編輯的層，避免由于各種地物雜亂的放置在相同的層里面。所以需要對得到的 CAD 圖紙進(jìn)行整理。然后，把各區(qū)域場景與總地形相匹配并集成進(jìn)總地形中 ，并對總集成場景進(jìn)行環(huán)境修飾，例如添加天空、白云、樹木、植被等 。第二，模型必須與原型具有某種程度的相似性。每個部分可以看 成 是 原型的 一個子模型。模型的精確性是指模型要能精確地反映出原型的基本特征以及準(zhǔn)確位置。 通常情況下，一個大的場景都是由 許多各種不同的對象構(gòu)成的，每個具體對象有自己的坐標(biāo)位置。 幾何建模是 利用 用計算機(jī) 產(chǎn)生 出許多各式各樣的多邊形 面片 ， 用 這些面片 拼構(gòu)成所 虛構(gòu)的模擬對象的立方體外形， 以 達(dá)到與真實物體在外觀上“形似”。向?qū)W院相關(guān)部門索取資料和自己的就地取材后，得到以下材料： CAD 地形圖； ； 、復(fù)雜地形基本幾何數(shù)據(jù)； ； 、植被基本綠化數(shù)據(jù)； 、樹木、植被、文字等紋理 (可以 用數(shù)碼相機(jī)采集然后用圖像處理軟件進(jìn)行處理 )。 ，其中包括流水、行車、太陽、天空、霧效等。主要的包圍盒算法有 ： 軸向包圍盒 ( AABB )、包圍球 ( Sphere)、方向包圍盒 (OBB)、離散方向多面體 (KDop)、固定方向凸包 (FDH)。進(jìn)行精確的碰撞檢測 ， 對于提高虛擬環(huán)境的沉浸感有著至關(guān)重要的作用 ， 而虛擬環(huán)境自身的復(fù)雜性和實時性對碰撞檢測提出更高的要求。第一種是采用反走樣技術(shù)。當(dāng)各屏幕像素中的可見曲面區(qū) 域與紋理象素大小相匹配時，它們之間形成一對一的映射。 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，所謂“走樣現(xiàn)象”指的是， 計算機(jī) 在 實時繪制圖像時出現(xiàn)的計算機(jī)屏幕某些區(qū)域不斷“閃爍”的現(xiàn)象。為此，本系統(tǒng)使用的主要的解決方法有：做簡模、模型場景的優(yōu)化、合理分布模型的密度、刪除看不見的面、用紋理映射技術(shù)表現(xiàn)復(fù)雜造型等 。 9 第二章 技術(shù)難題及解決方法 在三維場景 的建造過程中，比較大的問題往往出現(xiàn)在場景的制作階段和最后的場景優(yōu)化階段。 它具有校園對外宣傳的功能 ， 給普通用戶搭建一個了解校園的良 好平臺 ， 使用戶可以全面直觀地了解校園 ， 對校園的各種景觀建筑的屬性進(jìn)行查詢。CG 國家重點實驗室開發(fā)出 一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出 在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算8 法；哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術(shù)問題；清華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進(jìn)行了研究；西安交通大學(xué)信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關(guān)鍵技術(shù) —— 立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究，提出 一種基 于 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼新方案，以獲得 較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度。 本主要致力于建立大規(guī)模VR 知識庫的研究，在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研 究也處于領(lǐng)先地位。北卡羅來納大學(xué) (UNC)的計算機(jī)系是進(jìn)行 VR 研究最早的大學(xué)，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。 后來美國宇航局 (NASA)的艾姆斯空間中心利用流行的液晶顯示電視和其它設(shè)備，開始研制 了 低成本的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，推動了該技術(shù)硬件的進(jìn)步。到現(xiàn)在，人們已經(jīng)不滿足于僅僅是校園環(huán)境的欣賞，而是要體驗到其中全方位的教育，形成一個完整的虛擬校園體系。 美國國防部和軍方認(rèn)為：虛擬現(xiàn)實將在武器系統(tǒng)性能評價、武器操縱訓(xùn)練及指揮大規(guī)模軍事演習(xí)三方面發(fā)揮重大作用。 （ Imagination） 強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 最理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng) 具有一切人所具有的感知功能 [2]。概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。運用 VRPBUILDER 虛擬現(xiàn)實編輯器模塊實現(xiàn)地圖引擎、人機(jī)交互等功能，為用戶提供一個友好的人機(jī)界面。本章分析各種問題出現(xiàn)的原因及注意事項，并給出解決方法。這就是三維實時漫游技術(shù)的魅力，也是未來數(shù)字城市、數(shù)字校園、數(shù)字小區(qū)等的發(fā)展方向。作為一門嶄新的綜合性 學(xué)科 ，虛擬現(xiàn)實技術(shù) (Virtual Reality)實時的三維空間表現(xiàn)能力、自然的人機(jī)交互式操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境 的感受，將從根本上改變?nèi)伺c計算機(jī)之間枯燥、生硬的現(xiàn)狀，使人能以視、聽、觸等人類習(xí)慣和自然的方式來感受和認(rèn)識計算機(jī)生成的虛擬世界，促進(jìn)人與環(huán)境的 交流，從而更 深層次地開發(fā)人類 智慧。系統(tǒng)對校園實景進(jìn)行仿真建模，將學(xué)校的各種地理信息都收集、整理、歸納，然后按照學(xué)校建筑的地理坐標(biāo)建立完整的三維模型。對于場景模型的優(yōu)化，文中給出了四種常用的優(yōu)化技術(shù)的原理和應(yīng)用方法。隨著計算機(jī) 軟 、 硬件 的發(fā)展，三維可視化展示在越來越多的領(lǐng)域都表現(xiàn)出很大的優(yōu)點 ，虛擬現(xiàn)實技術(shù) 的發(fā)展前景 也越來越 廣闊 。 本項目設(shè)計的三維校園漫游系統(tǒng)是為校園參 觀者或?qū)в握咛峁┑囊环N更為便捷的 三維 虛擬 漫游，主要用于幫助不了解校園的參觀者或?qū)в握咴诓坏綄W(xué)校的情況下能對校園景觀進(jìn)行了解，另外也解決了這些人群在進(jìn)行采訪或參觀時所遇到的校園路徑方向問題，為此，設(shè)計該系統(tǒng)能夠給帶來他們一種比較方便快捷的導(dǎo)航幫助。系統(tǒng)設(shè)計的目的是最大限度地運用系統(tǒng) 分析的結(jié)果，設(shè)計出能最大限度地滿足要求的系統(tǒng)。使用者進(jìn)行位置移動時，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運算，將精確的 3D 世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。 虛擬現(xiàn)實 技術(shù) 的特征 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要特征 包括 ：多感知性（ MultiSensory）、浸沒感（ Immersion）、交互性（ Interactivity）、構(gòu)想性（ Imagination）。 它讓用戶置 身于一種虛擬環(huán)境中，就像在真 實的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺。輸入設(shè)備給VR 系統(tǒng)提供來自用戶的輸入，并允許用戶在虛擬環(huán)境中改變自己的位置、視線方5 向和視野，也允許改變虛擬環(huán)境中虛擬物體的位置和方向。在虛擬環(huán)境中， 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可 應(yīng)用于仿真組織、器官的解剖結(jié)構(gòu)，包括虛擬人。 著名的游戲公司暴雪娛樂（ Blizzard Entertainment）所制作的一款大型多人在線角色扮演游戲 《魔獸世界》 就是最成功的一個典范，截至 2020年底，全球的魔獸世界付費用戶已超過 1150 萬人，并成功打進(jìn)吉尼斯世界紀(jì)錄大全。 美國作為 VR 技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上就代表國際 VR 發(fā)展的水平。華盛頓大學(xué)華盛 頓技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)實驗室 (1ilT lab)，將 VR 研究引入教育、設(shè)計、娛樂和制造領(lǐng)7 域。 我國 VR 技術(shù) 的 研究起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家 還有 有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國家 相關(guān) 部門和科學(xué)家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定了開展 VR 技術(shù)的研究計劃。 本課題的研究背景及意義 隨著計算機(jī)技術(shù)，特別是計算機(jī)圖形學(xué)、三維仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，信息管理的數(shù)字化和實物模型的虛擬化已成為當(dāng)今世界非常重要的技術(shù)應(yīng) 用領(lǐng)域。 2020 年 2 月經(jīng)教育部批準(zhǔn)，在原廣西大學(xué)梧州分校的基礎(chǔ) 上 建立梧州學(xué)院，是一所多科性的地方全日制普通高等本科院校。下面介紹利用 3DS Max 建模軟件在梧州學(xué)院三維場景過程中遇到的幾個關(guān)鍵問題和解決方法。為了解決 該 問題， 將 水平高度差不大的校園面積規(guī)劃為同一高度，這就可以根據(jù)實際情況將學(xué)院校區(qū)面積分為三個高度平面，如表 21所示 。這就意味著圖形處于不斷的“運動”狀態(tài)中。當(dāng)計算機(jī)繪制的圖像是靜止的時候，計算機(jī)在 該 像素點內(nèi)只繪制多個紋理象素的其中一個，不會發(fā)生走樣現(xiàn)象。 幾何模型走樣 模型走樣是相對于模型的紋理走樣來說的，它是指因模型的多邊形有問題而引起的走樣 。如果對構(gòu)成物體的基本幾何元素進(jìn)行碰撞檢測 ， 那么復(fù)雜度將達(dá)到 O(n2)， 顯然很難滿足碰撞檢12 測的實時性要求。 模型 數(shù)據(jù)量問題 建造大規(guī)模場景，就必然要求盡量減少內(nèi)存的消耗來提高漫游速度。該系統(tǒng)根據(jù)梧州學(xué)院的各個場所、建筑和景點而設(shè)計，它的建立方便用戶了解梧州學(xué)院里的各個場所和景點以及學(xué)校的一些相關(guān)信息。 16 第 四 章 場景模型的建造 三維模型的幾何建模包括地形建模和建筑物建模兩部分。幾何形狀的各種屬性，例如顏色、質(zhì)地等可以通過使用建模工具直接在描述對象幾何形狀的多邊形里進(jìn)行添加。這樣，就能方便地把所感興趣的對象獨立出來，單獨對它進(jìn)行修改，然后再把它集成到整個三維場景中。模型的簡要性是指模型在描述原型的基本特征時，要對原型作某種簡化，突出其主要部分，略去次要部分，集中反映原型最本質(zhì)的特征，或者反映人們最感興趣的部分。 建模原則 建造模型時，要明確建模的目的和要求。模型建好后，還應(yīng)該反復(fù)驗證，直到滿意為止。下面對三維場景庫的建造需求做 出 具體分析。然后將不需要的標(biāo)注與細(xì)節(jié)清除，以便將導(dǎo)入 MAX 里的參考元素精簡到最少，這樣導(dǎo)入 MAX 的過程中也會因此更快些。 (1) 建筑物建模的一般過程 建模的時候，要先仔細(xì)觀察建筑物的造型，對建筑物的幾何特點有清楚的認(rèn)識。通過實地考察 可以 知道 體育館主樓 的一、二層在外觀上為一個整體，高度約為 10 米。其中包括頂點 、線段、樣條線層級，每個層級下有分別由不同的卷展欄，如圖 44(a)(b)(c)所示。 圖 47 樓頂曲線 對曲線進(jìn)行輪廓操作，在給其增加一個擠出命令，擠出高度為 80 米，調(diào)整到合適的 位置。 CAD 圖紙精確給出 了 建筑物各個方面的尺寸，建模時要按照這些尺寸來建。前面介紹的 體育館 的建造過程就是一個典型的建造標(biāo)志性建筑的例子。路面的兩側(cè)有花壇、樹木、灌木、植被、路燈、 花園燈 等各種東西。這種方法處理速度快，但在馬路出現(xiàn)拐彎的時候效果不太好。 對于這些東西，做些小模型，然后把小的模型復(fù)制到馬路模型中。 （ Skybox）建造 在三維程序中，實現(xiàn)天空環(huán)境 的制作 主要采用天空盒和半球面 兩種方法。一般來說，在場景綠化中要注意這幾點。第五，在草地上放些地?zé)?、還有，建立一些供人休息用的椅子等也會增加場景的真實感。 26 第 五 章 漫游場景生成技術(shù) 在大規(guī)模三維漫游系統(tǒng)中，三維模型的多邊形面片數(shù)量一般都很大。在三維場景模型中，為 了 充分利用 計算機(jī) 硬件的有限資源，就必須充分利用物體空間的相關(guān)性 來 加快 物體 可見性的判定，減小 計算機(jī)的繪制深度。否則，不但影響視覺效果，還 浪費 大量 的 CPU資源 ?？梢圆捎?Instance 的方法，相同的物體只在內(nèi)存中存放一份實例，將這份實例進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放之后得到所有相同結(jié)構(gòu)的物體，從而大大地節(jié)約內(nèi)存空間。 這時就 可以采取紋理映射技術(shù)來很好地解決問題。程序運行時，只要找到紋理的映射地址就可以準(zhǔn)確地把相應(yīng)的紋理映射到三維視景中。第一類的透明紋理例如樓梯的欄桿、車站的站牌等，其自身的厚度可以近似為零，即從它們的頂面看，只是一個單面，對于這類透明紋理處理比較簡單， 可以直接映射上去 ；第二類例如樹木、雕塑等的透明紋理，本身的厚度不可忽略，即從任何角度看 ，都應(yīng)該出現(xiàn)一個類似柱體的透明紋理。 例如對于樹木的模擬，如果用實體模型去模擬，可能要一棵就要好幾千個面片；如果采用 BillBoard 技術(shù)，只要一、二個面，這樣可以節(jié)省大量的資源并提高速度。 因此這種方法用得很少。 它 能夠依據(jù)物體在渲染場景中的 物理環(huán)境創(chuàng)建紋理帖圖，然且將帖圖“烘焙”回物體之上，也就是說通過帖圖使當(dāng)前的 環(huán)境條件 成為物體的一部分。當(dāng)然不同的項目要求，設(shè)置燈光的32 類型也不一樣。 圖 56 烘焙效果 33 第 六 章 三維引擎制作 模型的導(dǎo)出與導(dǎo)入 選擇所有烘焙完