【文章內(nèi)容簡介】 一系列的商業(yè) VR 軟件包，都命名為 Superscape；Divison LTD 公司在開發(fā) VISION、Pro Vision 和 su—pervision 系統(tǒng)／模塊化高速圖形引擎中，率先使用了 Tmnsputer 和 i860 技術。日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先地位。京都的先進電子通信研究所(ATR) 正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入；富士通實驗室有限公司正在研究虛擬生物與 VR 環(huán)境的相互作用，他們還在研究虛擬現(xiàn)實中的手勢識別，已經(jīng)開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡姿勢識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語言。日本奈良尖端技術研究生院大學教授千原國宏領導的研究小組于 2022 年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果拉到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術在嗅覺研究領域的一項突破。 我國虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀我國 VR 技術研究起步較晚，與國外發(fā)達國家還有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國家有關部門和科學家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定了開展 VR 技術的研究計劃。九五規(guī)劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發(fā)展計劃等都把 VR 列入了研究項目。國內(nèi)一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。北京航空航天大學計算機系是國內(nèi)最早進行 VR 研究、最有權威的單位之一，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。浙江大學 CADamp。CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法；哈爾濱工業(yè)大學已經(jīng)成功地虛擬出了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問題；清華大學計算機科學和技術系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究；西安交通大學信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關鍵技術——立體顯示技術進行了研究，提出了一種基于 JPEG標準壓縮編碼新方案，獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度；北方工業(yè)大學 CAD 研究中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片《相似》就出自該中心。 本文的主要內(nèi)容及組織結構本文主要介紹了虛擬城市街景小區(qū)的設計。為了能夠建造出小區(qū)的各個細節(jié)與整體面貌，首先要進行建模，在 Creator 中詳細的建立設計所需要的模型，再把這些模型貼上紋理渲染之后，導入到一個場景中，然后結合Vega Prime 技術在 Lynx Prime 軟件中設置所需要的參數(shù)、漫游路徑等，最后結合 C++編程，完成切換視角等具體的工作。全文共分為五章。第 1 章 緒論，介紹課題的研究意義和背景，然后是各國家的的研究現(xiàn)狀，最后介紹論文的主要內(nèi)容及組織結構。第 2 章 工具介紹，簡單的介紹了構建虛擬小區(qū)所用到的工具，建模工具 Creator、環(huán)境配置工具 Vega Prime 和編程工具 Visual 2022，及其簡單的功能和使用方法。第 3 章 系統(tǒng)分析與設計，做了系統(tǒng)的需求分析，確定系統(tǒng)最終應實現(xiàn)的各主要功能，介紹了漫游系統(tǒng)的設計思路并給出了構建城市街景小區(qū)漫游系統(tǒng)詳細的設計流程圖。第 4 章 小區(qū)漫游的系統(tǒng)實現(xiàn)，詳細介紹了整個系統(tǒng)建造的過程和步驟，首先介紹了在 Creator 中詳細建造每個模型的方法與技巧，然后介紹了對模型的紋理制作以及紋理貼圖的方法，使模型看起來更加美觀真實，接著介紹了在 Vega Prime 技術中實現(xiàn)對場景的配置和對漫游路徑的設定，最后則是在 C++語言環(huán)境下的編程。第 5 章 小區(qū)漫游系統(tǒng)結果，通過幾幅主要的系統(tǒng)運行截圖以及小區(qū)平面圖來說明最終系統(tǒng)的運行效果，展現(xiàn)所實現(xiàn)的功能截圖。第 2 章 工具介紹 MultiGen Creator 簡介Multigen Creator 系列軟件，由美國 MultigenParadigm 公司開發(fā)，它擁有針對實時應用優(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合，在視景仿真、模擬訓練、城市仿真、交互式游戲及工程應用、科學可視化等實時仿真領域有著世界領先的地位。 使用傳統(tǒng)三維圖形建模軟件包，比如 MAYA、3DStudio MAX、 SoftImage、LightWave3D 等都可以方便地創(chuàng)建各種各樣的三維模型，然而這些模型都不適用于可視化仿真應用。這些軟件以視覺效果為第一建模目標，不用考慮其模型的渲染效率；這些軟件可以輕易實現(xiàn)炫目的光影效果、復雜的材質(zhì)效果、逼真的光線追蹤效果、惟妙惟肖的人物動畫，進而渲染出質(zhì)感極強的畫面效果；這種以藝術標準指導建模的結果通常是，一個優(yōu)雅精細的模型包含了成千上萬個多邊形和不計其數(shù)的曲線曲面，以及紛繁復雜的材質(zhì)貼圖設定，結果渲染這樣一幀畫面可能需要幾十分鐘甚至更長時間，這顯然不能滿足對模型進行實時渲染的要求。Multigen Creator 軟件包正是在這種背景下誕生的，它從軟件設計理念上完全針對可視化仿真應用，集成了多邊形建模、矢量建模和地形生成等多種高級功能，所以可以在滿足實時仿真要求的前提下，高效地創(chuàng)建大面積虛擬場景模型數(shù)據(jù)庫。Multigen Creator 建模軟件區(qū)別于傳統(tǒng)三維建模軟件包的主要特點，并不在于它強大的多邊形建模功能，而在于它獨創(chuàng)的用于描述三維虛擬場景的層次化數(shù)據(jù)結構——OpenFlight 數(shù)據(jù)結構。OpenFlight 數(shù)據(jù)結構區(qū)別于傳統(tǒng)的三維模型數(shù)據(jù)組織形式，在于它采取一種節(jié)點式的分層結構，可以快捷方便地對場景內(nèi)的任意元素進行直接的編輯、修改和控制，特別適合圖像生成器對其進行實時的渲染操作。此外，它還提供了諸如多層次細節(jié)(LOD) 、自由度控制 (DOF)、光點系統(tǒng)等高級實時功能，同時還支持邏輯篩選、分離面裁剪、紋理動畫序列、公告牌(billboard)渲染等多種高級渲染功能，使得其成為視景仿真領域使用范圍最廣的數(shù)據(jù)格式。目前，MultigenCreator 軟件所使用的 OpenFlight 格式已經(jīng)成為事實上的業(yè)界標準數(shù)據(jù)格式。 MultiGen Creator 的主要功能基于對實時應用優(yōu)化的 OpenFlight 數(shù)據(jù)格式，Multigen 提供了強大的多邊形建模、矢量建模以及大面積地形精確生成等功能，配合多種專業(yè)可選模塊及插件，用戶能夠高效地生成實時三維模型數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實時仿真軟件緊密結合。這些特點使得 Multigen 系列軟件在視景仿真、模擬訓練、城市仿真、交互式游戲及工程應用、科學可視化等實時可視化仿真領域都有著廣泛的應用。Multigen 可視化建模軟件包將 OpenFlight 格式模型數(shù)據(jù)庫的層級視圖無縫地與建模環(huán)境集成在一起，使得用戶可以在創(chuàng)建虛擬三維模型的同時關注模型數(shù)據(jù)庫的結構與狀態(tài)，可以實時地對模型進行觀察、檢查和修改。用戶還可以直接對模型數(shù)據(jù)庫進行操作，通過簡單的移動和調(diào)整就可以達到優(yōu)化 OpenFlight 模型數(shù)據(jù)庫的目的。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 使得輸入、結構化、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。 這個集成的和可擴展的工具集提供比其他的建模工具更多的交互式的實時 3d 建模能力。multigen creator 軟件包是合算的、交互式的、高度自動化的軟件，用它可以高效、實時的 3d 數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生而沒有可視質(zhì)量的損失。它由以下幾部分組成： creatorpro： multgen creatorpro 是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實時三維建模工具，它能夠滿足視景仿真、交互式游戲開發(fā)、城市仿真以及其他的應用領域。creatorpro 是唯一將多邊形建模、矢量建模和地形生成集成在一個軟件包中的手動建模工具，它給我們帶來不可思議的高效率和生產(chǎn)力。它能進行矢量編輯和建模、地形表面生成。 terrain pro： terrain pro 是一種快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫的工具，它可以使地形精度接近真實世界，并帶有高逼真度三維文化特征及圖像特征。 road pro： roadpro 擴展了 terrainpro 的功能，利用高級算法生成路面特征，以滿足駕駛仿真的需要。 interoperability pro：interoperability pro 提供了用于讀、寫及生成標準格式數(shù)據(jù)的工具，主要用于 saf 系統(tǒng)、雷達及紅外傳感器的仿真。smartscene：smartscene 是將實時 3d 技術應用于訓練，考察和保持高效的工作能力方面的先驅(qū)，它使工作者完全融入虛擬環(huán)境過程成為可能。openflight：openflight 為 multigen 數(shù)據(jù)庫的格式，它是一個分層的數(shù)據(jù)結構。openflight 使用幾何層次結構和屬性來描述三維物體，它采用層次結構對物體進行描述，可以保證對物體頂點、面的控制。 MultiGen Creator 建模的關鍵技術方法Multigen Creator 是專門為復雜的虛擬場景實時漫游設計的建模工具，有良好的用戶交互界面，建模速度快，而且它建立的模型較小，不會影響虛擬環(huán)境的實時性。將 MultiGen Creator 應用于三維建模的方法如下。（1）初步建立模型：根據(jù)實物的形狀大概描繪出物體的大體輪廓，建立粗糙模型。然后對建立的各種模型進行數(shù)據(jù)結構的組織、LOD 模型的制作等。（2）制作紋理：利用數(shù)碼相機拍攝建筑物的數(shù)字影像，然后利用Photoshop 圖像處理軟件對其進行糾正、縮放、匹配處理，為了能夠在Vega Prime 中實現(xiàn)實時渲染和漫游時紋理不發(fā)生變形和丟失，將紋理文件轉化為 Vega 中支持的文件格式 RGB、RGBA、INT、INTA 或 BMP，紋理的大小修改為 Vega Prime 規(guī)定的像素長度——2 的 N 次冪。（3）虛擬小區(qū)三維模型的建立：將所有的模型導入場景，形成完整的小區(qū)景觀，并完成各種實例化等技術的后續(xù)工作。（4）三維仿真系統(tǒng)的驅(qū)動：應用 Vega Prime 開發(fā)平臺進行二次開發(fā)，建立數(shù)字三維景觀系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的三維漫游和分析等功能。而以上建模過程中所設計到的技術如下。（1）實例化技術：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)庫中模型對象的指針，并沒有復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，幾何形狀和屬性都相同，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（Instance）引用該模型即可。對于對稱的模型也可以采用實例化技術，這樣可以節(jié)省大量的硬盤和內(nèi)存空間。在虛擬小區(qū)的建模過程中我們發(fā)現(xiàn)校園內(nèi)既有一些建筑是對稱存在的，又有一些建筑的外形是一樣的，還有很多完全一樣的物體，所以對這個類型的建筑我們可以采用實例化技術，以便節(jié)省硬盤和內(nèi)存的空間。（2）層次細節(jié)技術：層次細節(jié)（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雜度也不一樣，細節(jié)程度越高模型對象所包含的多邊形數(shù)量也越多。在 Creator 建模中利用 LOD 技術具體而言就是，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。（3）公告牌技術：Multigen Creator 中的公告牌（ Billboard） ，是那些模型數(shù)據(jù)庫中可以在實時仿真過程中始終保持面對視點的多邊形。公告牌通常用于創(chuàng)建場景中類似于電線桿或樹木等具有對稱性的物體，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。比如，在場景中需要創(chuàng)建一棵樹，就可以用二維的公告牌多邊形，通過給它映射透明紋理使其看起來具有逼真的三維效果。 Vega Prime 簡介MultigenParadigm 的視景仿真渲染工具 Vega 是世界上領先的應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的軟件環(huán)境，它用來渲染戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領域的視景數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)環(huán)境效果等的加入和交互控制。它將易用的工具和高級視景仿真功能巧妙地結合起來，從而可使用戶簡單迅速地創(chuàng)建、編輯、運行復雜的實時三維仿真應用。由于它大幅度減少了源代碼的編寫，使軟件的進一部維護和實時性能的優(yōu)化變得更容易，從而大大提高了開發(fā)效率。使用它可以迅速地創(chuàng)建各種實時交互的三維視覺環(huán)境，以滿足各行各業(yè)的需求。它還擁有一些特定的功能模塊，可以滿足特定的仿真要求，例如特殊效果、紅外和大面積地形管理等。最新開發(fā)的精華實時視景仿真渲染軟件 Vega Prime 代表了視景仿真應用程序開發(fā)的巨大進步。Vega Prime 使視景仿真應用程序快速準確的開發(fā)變得易如反掌，是最具有適應性和可擴展性的商業(yè)軟件。Vega Prime 在提供高級仿真功能的同時還具有簡單易用的優(yōu)點，使用戶能快速準確地開發(fā)出合乎要求的視景仿真應用程