【正文】 此外，Virtools還允許定義多個(gè)虛擬角色群體組合以實(shí)現(xiàn)高級(jí)碰撞。首先用Get Distance、Get Radius運(yùn)算獲得物體半徑以及物體之間的距離，然后功能模塊Test檢測(cè)物體距離是否小于兩個(gè)半徑之和，若小于或等于則設(shè)置Object Slider功能模塊讓物體滑動(dòng)以避免碰撞。一般來(lái)說(shuō)，在Virtools中實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)有以下幾種具體的實(shí)現(xiàn)方法：首先在3Ds max或Maya中為建立所需要的場(chǎng)景和物體模型并導(dǎo)入至Virtools，然后在Virtools中設(shè)置運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)作并為場(chǎng)景中障礙物設(shè)置碰撞屬性Fixed Obstacle或Moving Obstacle和碰撞檢測(cè)BB腳本Collision Detect，然后為運(yùn)動(dòng)物體編輯用于實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)或碰撞避免的Prevent Collision和Object Slider等BB腳本。圖41 包圍盒Fig41 surrounding box球體軸對(duì)齊AABB型方向矩形OBB型離散方向多面體（8dop） 碰撞檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)Virtools有兩種方法進(jìn)行碰撞檢測(cè)：屬性和BB腳本、Grid網(wǎng)格。kdop(discrete orientation polytopes)：kdop是一種凸多面體，它的面由一些半空間所確定，這些半空間的外法向是從k個(gè)固定的方向中選取的。協(xié)方差矩陣是一個(gè)對(duì)稱矩陣，根據(jù)對(duì)稱矩陣的性質(zhì)其特征向量互相垂直，用的三個(gè)特征向量可以確定OBB的方向軸。假定幾何模型是由三角形構(gòu)成，利用模型對(duì)象頂點(diǎn)坐標(biāo)的一階(均值)及二階(協(xié)方差矩陣)統(tǒng)計(jì)特性來(lái)計(jì)算包圍盒的位置和方向。OBB(Oriented Bounding Box)：OBB是三維空間中的一個(gè)任意方向的長(zhǎng)方體包圍盒，與包圍球和AABB相比，OBB可提供非常緊湊的逼近效果，而且修改OBB簡(jiǎn)單。通過(guò)“變換后的AABB”計(jì)算新的AABB速度更快一些，但有可能不能獲得包圍物體的最小邊界從而影響碰撞檢測(cè)精度；通過(guò)“經(jīng)過(guò)變換的物體”計(jì)算AABB速度慢一些，但比較精確?？梢钥闯?，明確地定義一個(gè)AABB只需要確定、這5個(gè)向量的任意2個(gè)（除和不能配對(duì)以外），使用和表示一個(gè)邊界框更加容易一些。AABB也是一種易于做重疊測(cè)試的包圍盒，但它的缺點(diǎn)與包圍球相似，與物體的逼近程度可能較差，可減小和，但同時(shí)可能增加了。軸向包圍盒AABB（Axially Aligned Bounding Box）：軸向包圍盒AABB是一個(gè)包圍碰撞體的最小六面體，且各軸的方向與坐標(biāo)軸的方向一致，描述一個(gè)AABB僅需六個(gè)標(biāo)量。包圍球：包圍球指包圍碰撞物體的最小球體。對(duì)于碰撞檢測(cè)算法，可借助一個(gè)耗費(fèi)函數(shù)來(lái)分析[9] (41)其中是碰撞檢測(cè)的總耗費(fèi)，是參與重疊測(cè)試的包圍盒的對(duì)數(shù)，是為一對(duì)包圍盒做重疊測(cè)試的耗費(fèi)，是參與求交測(cè)試的幾何元的對(duì)數(shù)，是為一對(duì)幾何元做求交測(cè)試的耗費(fèi)是物體運(yùn)動(dòng)后其包圍盒層次中需要修改的結(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，是修改一個(gè)結(jié)點(diǎn)的耗費(fèi)。一個(gè)復(fù)雜物體通常由很多幾何子部分組成，求出這些幾何子部分的包圍盒，這些子部分又遞歸到由更小的部分組成，由此可將物體及其子部分的包圍盒組織成層次結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行碰撞檢測(cè)可進(jìn)一步加速算法。實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)和碰撞避免，只要充分考慮這些細(xì)節(jié)，才能使得整個(gè)系統(tǒng)更加逼真。一個(gè)好的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)該充分考慮虛擬物體及角色的碰撞效果。當(dāng)物體依據(jù)虛擬世界物理學(xué)行動(dòng)時(shí)，其姿態(tài)應(yīng)能隨著地形的高低而起伏、左右旋轉(zhuǎn)，如果沒(méi)有地形碰撞檢測(cè)，則物體將會(huì)在一個(gè)固定的高度上行走，當(dāng)走到較低地勢(shì)時(shí)物體距離地面太高，如同浮在空中一樣，而走到較高地勢(shì)時(shí)，物體將會(huì)進(jìn)入地面一下；另外，運(yùn)動(dòng)物體之間以及物體與障礙物（如建筑物及其他固定物體）之間難免會(huì)發(fā)生相互碰撞，這時(shí)需要設(shè)置滑動(dòng)效果以避免碰撞，否則將會(huì)互相穿透。第4章 “虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 碰撞檢測(cè)與避免 基本概念在虛擬漫游系統(tǒng)中，碰撞檢測(cè)對(duì)增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景漫游的真實(shí)感和逼真感有重要作用，一般分為與地形的碰撞檢測(cè)和與障礙物的碰撞檢測(cè)，其目的是檢測(cè)碰撞的發(fā)生、確定碰撞的位置和計(jì)算碰撞后的響應(yīng)，主要用于兩種情況：檢測(cè)應(yīng)用程序允許碰撞的任意兩個(gè)物體之間的碰撞。為此，在進(jìn)行模型整合時(shí)，需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)試和修改，才能達(dá)到預(yù)期的效果。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的建模過(guò)程中，分別對(duì)道路、樓群、樹(shù)木、魚(yú)、人等各種對(duì)象進(jìn)行建模，然后使用Virtools根據(jù)需要將各種模型組合在一起，并進(jìn)行控制。對(duì)于文字的建模與顯示，可以通過(guò)TextDisplay以及Create System Font、Set Font Properties、2D Text或3D Text等BB實(shí)現(xiàn)文本的顯示，一般還需要2D Frame或3D Frame的配合使用。在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，文字和聲音建模主要使用了Virtools。人的行走建模同理也是同樣的。圖38 樹(shù)木和草地Fig 38 tree and grassland modeling 其他對(duì)象建模游動(dòng)的魚(yú)人的行走、魚(yú)的游動(dòng)等建模都離不開(kāi)骨骼的使用?？梢韵胂?，如果所有樹(shù)木和草地都如此處理，將耗費(fèi)大量的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)及硬件資源。因此，在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的樹(shù)木和草地建模時(shí)，主要采用了貼圖技術(shù)，僅對(duì)少量樹(shù)木和草地進(jìn)行了詳細(xì)建模。圖37 25號(hào)宿舍樓模型Fig 37 model of 25th dormitory 樹(shù)木與草地建模每個(gè)校園中都有大量的樹(shù)木和草地，山東工商學(xué)院的校園更是如此。就這樣一間房間就蓋好了。現(xiàn)在門(mén)窗都安裝好了。圖36 墻壁模型Fig 36 wall modeling（2）安裝門(mén)窗單擊菜單“File→Merge”，在彈出的“Merge File”對(duì)話面板中選取剛才建好窗戶模型，單擊打開(kāi)，將窗戶模型合并到場(chǎng)景中來(lái)，用同樣的方法將門(mén)模型也合并進(jìn)來(lái)，在場(chǎng)景中按需要調(diào)整它們的朝向和位置。同時(shí)，根據(jù)窗戶及門(mén)的大小，進(jìn)行相應(yīng)的布爾運(yùn)算，摳出門(mén)框和窗框。圖35 門(mén)模型Fig35 door modeling制作房間（1）制作墻壁單擊菜單“File→reset”清空?qǐng)鼍?，用“Rectangle（矩形）”工具畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)“5000”，寬“4000”的矩形，單擊右鍵在彈出的菜單中，單擊“Convert to Editable Spline”將它轉(zhuǎn)換為“Editable Spline”，在修改面板中進(jìn)入“Spline”次物體級(jí)，在“Outline”輸入框內(nèi)輸入“200”，然后單擊“Outline”鈕，形成墻壁輪廓，在修改面板中給它加入一個(gè)“Extrude（擠出）”修改器，在“Amount（數(shù)量）”輸入欄中輸入“3000”，擠出“墻壁”模型。（4）效仿制作門(mén)框的放樣圖形的方法，用兩個(gè)圓、一個(gè)矩形和一個(gè)橢圓構(gòu)成門(mén)柄輪廓，再給它加入一個(gè)“Lathe（旋轉(zhuǎn)成形）”修改器，形成手柄，將它鏡像成兩個(gè)分別放置在門(mén)兩側(cè)適當(dāng)?shù)奈恢茫?）打開(kāi)“Material Editor（材質(zhì)編輯器）”，激活第一個(gè)示例球，將它賦予場(chǎng)景中的門(mén)，在“MAP”卷展欄中給“Diffuse Color”加入一個(gè)木紋貼圖，給“Bump”加入一個(gè)凹凸貼圖，將這個(gè)材質(zhì)命名為“門(mén)”。（3）進(jìn)入層級(jí)命令面板，按下只影響軸心點(diǎn)鈕，用移動(dòng)工具將它的軸心點(diǎn)移到左邊上。用Line畫(huà)線工具，打開(kāi)點(diǎn)捕捉，沿門(mén)邊畫(huà)一條線作為放樣路徑。打開(kāi)“Material Editor（材質(zhì)編輯器）”，分別將兩個(gè)示例球賦予場(chǎng)景中的窗架和玻璃，并分別命名材質(zhì)為“窗架”和“窗玻璃”。（3）在修改面板中給它加入一個(gè)“Extrude（擠出）”修改器，在“Amount（數(shù)量）”輸入欄中輸入“70”，擠出“窗架”模型。制作窗戶（1）將3DS MAX的系統(tǒng)單位設(shè)為1=1米，用“Rectangle（矩形）”工具在前視圖中畫(huà)一個(gè)四邊形，長(zhǎng)寬都為“2800”，單擊右鍵在彈出的菜單中，單擊“Convert to Editable Spline”將它轉(zhuǎn)換為“Editable Spline”，在修改面板中進(jìn)入“Spline”次物體級(jí)，在“Outline”輸入框內(nèi)輸入“70”，然后單擊“Outline”按鈕，形成窗框輪廓。樓群建模是虛擬校園系統(tǒng)建模的重要部分。使用3Ds max制作球形天空背景時(shí)，可以制作一個(gè)半球面，然后附加背景貼圖即可快速實(shí)現(xiàn)天空效果，更加真實(shí)的做法在完整的球天上進(jìn)行貼圖，這樣光能傳播較慢，并且是全方位的傳遞光。 “虛擬山商”系統(tǒng)模型的詳細(xì)實(shí)現(xiàn) 背景的設(shè)計(jì)與安排為了更加真實(shí)地反映山東工商學(xué)院的校園狀況，必須為不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)相應(yīng)的背景。水流和波浪建模訪問(wèn)者漫游至校園內(nèi)的池塘邊時(shí)，應(yīng)該能夠看到水中的波紋。聲音建模將mpwav、mid等外部聲音資源導(dǎo)入場(chǎng)景以后，CD Player、Wave Player、MIDI Player等BB用來(lái)控制各種聲音的播放與停止。攝像機(jī)建模當(dāng)角色在場(chǎng)景中移動(dòng)（前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)、跳躍等）時(shí)，其視野將有一定的變化，在Virtools中，可以通過(guò)跟隨攝像機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一效果。更重要的是使用Virtools進(jìn)行模型整合、角色控制與作品發(fā)布。 使用Virtools建模方法Virtools只具有簡(jiǎn)單的建模功能（如燈光、網(wǎng)格、3D Frame、曲線、攝像機(jī)、材質(zhì)與貼圖等等），不支持復(fù)雜場(chǎng)景和對(duì)象的建模，但其僅有的建模功能尤其是運(yùn)動(dòng)建模功能對(duì)于虛擬校園漫游系統(tǒng)卻非常重要，大大減小了建模工作量和作品的大小，是對(duì)3Ds max建模技術(shù)的重要補(bǔ)充。放樣(Loft)建模放樣是來(lái)自造船業(yè)的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，它借用了造船業(yè)的思想，先創(chuàng)建并定位橫截面，然后定義一個(gè)放樣路徑，讓橫截面沿路徑拉伸，從而得到三維對(duì)象。第一種方式是先畫(huà)出代表模型橫截面的樣條曲線，然后添加Cross Section（橫截面）修改器和Surface（曲面）修改器，從而產(chǎn)生曲面。NURBS建模的計(jì)算量太大，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求太高，不適合大場(chǎng)景建模，比較常用的還是Surface建模和Patch建模。曲面建模又分為Surface建模、Patch建模和NURBS建模。在虛擬人、魚(yú)等物體的建模中，多邊形建模起到了重要的作用。多邊形建模適合光滑表面的建模，但對(duì)于非常復(fù)雜的物體表面需要太多的控制點(diǎn)，而使模型難以控制。例如，使用Plane（平面）結(jié)合Ripple（漣漪）修改器，可以制作出水面的漣漪效果；使用平面結(jié)合Displace（置換）修改器，可以制作出山地、巖石等各種模型。在樓體等規(guī)則物體建模中，主要采用幾何體建模及復(fù)合幾何體建模方法。為此，采用了多種建模方法對(duì)不同類(lèi)型的物體和角色進(jìn)行建模[3235,4245]。最后，所有模型統(tǒng)一在Virtools開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行整合，并進(jìn)行作品的發(fā)布。Virtools雖然不具備強(qiáng)大的三維建模功能，但其具有的建模功能再配合行為交互模塊的使用恰好可以彌補(bǔ)3Ds max的這一不足之處。 系統(tǒng)建模方法虛擬場(chǎng)景模型是整個(gè)實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響運(yùn)行的效果和場(chǎng)景的逼真度，過(guò)多的模型細(xì)節(jié)會(huì)嚴(yán)重降低基于Web場(chǎng)景圖形的繪制效率，因此在建模過(guò)程中往往要在模型的細(xì)節(jié)度和復(fù)雜性之間尋求平衡，必要時(shí)用紋理貼圖代替模型細(xì)節(jié)。層次細(xì)節(jié)顯示和簡(jiǎn)化技術(shù)是實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)中應(yīng)用比較多的一種技術(shù)，通過(guò)這種技術(shù)，可以較好地簡(jiǎn)化場(chǎng)景的復(fù)雜度，同時(shí)，采用不同分辨率的模型來(lái)顯示復(fù)雜場(chǎng)景的不同物體，使在生成的真實(shí)感圖像質(zhì)量損失很小的情況下，來(lái)實(shí)時(shí)地產(chǎn)生真實(shí)感圖像，滿足某些關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。與原模型相比，每個(gè)模型均保留一定層次的細(xì)節(jié)，當(dāng)從近處觀察物體時(shí)，采用精細(xì)的模型，而當(dāng)從遠(yuǎn)處觀察物體時(shí)，則采用較粗糙的模型，這樣對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜場(chǎng)景而言，可以減少場(chǎng)景的復(fù)雜程度，同時(shí)對(duì)于生成的真實(shí)圖像的質(zhì)量的損失還可以在用戶給定的閾值以內(nèi)，而生成圖像的速度也可以大幅度地提高。細(xì)節(jié)層次分割層次細(xì)節(jié)（Level of Details, LOD）顯示和簡(jiǎn)化技術(shù)的基本原理是：在不影響畫(huà)面視覺(jué)效果的條件下，通過(guò)逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來(lái)減少場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。在“虛擬山商”系統(tǒng)的建模中，多次對(duì)較大模型進(jìn)行了單元分割，提高了系統(tǒng)訪問(wèn)速度。每個(gè)視野中的多邊形數(shù)基本不隨視點(diǎn)的移動(dòng)而變化，除非越過(guò)某個(gè)閾值。該方法對(duì)于大型建筑模型非常適用。單元分割單元分割的主要思路是將虛擬環(huán)境分割成較小的單元。 模型分割虛擬環(huán)境的幾何體和物理建模所得到的是一個(gè)非常復(fù)雜的模型，大量的多邊形使得繪制速度大大減慢，另外，由于內(nèi)存需求過(guò)大而導(dǎo)致的內(nèi)存交換也降低了交互速度。就像是人和任何的動(dòng)物一樣，都是在皮膚和血肉的包裹下，有著堅(jiān)實(shí)的骨骼做支撐，人才能動(dòng)起來(lái)，主要還是骨骼帶動(dòng)皮膚的運(yùn)動(dòng)，皮膚只是隨著骨骼的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，而3DS MAX正是根據(jù)這樣的道理，設(shè)計(jì)了一套適合四足動(dòng)物的骨骼，特別的適合實(shí)現(xiàn)人的行走等日常動(dòng)作。而諸如車(chē)輛運(yùn)動(dòng)、樹(shù)葉飄落之類(lèi)的動(dòng)作則不需要使用3Ds max建模，可以將車(chē)輛、樹(shù)葉等模型導(dǎo)入Virtools作品后使用BB、屬性、參數(shù)運(yùn)算等來(lái)實(shí)現(xiàn)。在“虛擬山商”虛擬校園系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)建模中，采用了3Ds max與Virtools混合的建模方法。逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題更有用,它確定產(chǎn)生系統(tǒng)中規(guī)定運(yùn)動(dòng)的力和力矩。基于動(dòng)力學(xué)的建模方法用動(dòng)力學(xué)控制虛擬物體的運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的真實(shí)性，運(yùn)動(dòng)規(guī)律性非常強(qiáng)。為此,人們對(duì)關(guān)節(jié)軸進(jìn)行了大量的特殊安排,以便在動(dòng)畫(huà)進(jìn)行過(guò)程中得到唯一解。這是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,因?yàn)樘摂M人的各獨(dú)立變量就是關(guān)節(jié)角。逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法在一定程度上減輕了正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法的繁瑣工作。參數(shù)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)是正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的最初應(yīng)用,通過(guò)插入對(duì)應(yīng)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)鍵關(guān)節(jié)角來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)肢體的運(yùn)動(dòng)。關(guān)于固定參考坐標(biāo)系,求解末端效應(yīng)器的位置,而與引起運(yùn)動(dòng)的力和力矩?zé)o關(guān)?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)的建模方法正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是設(shè)置虛擬人、魚(yú)及其他動(dòng)物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的有效方法。物體的運(yùn)動(dòng)建模主要有幾種方法：關(guān)鍵幀方法采用關(guān)鍵幀方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模主要利用插值技術(shù)，即只需要定義物體在起始幀、關(guān)鍵幀、結(jié)束幀處的位置、旋轉(zhuǎn)角度以及其它屬性，而相鄰關(guān)鍵幀之間的過(guò)渡動(dòng)作完全由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并插值。因而，在對(duì)象坐標(biāo)系中對(duì)象頂點(diǎn)的位置和方向保持不變。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，不僅要涉及到絕對(duì)的坐標(biāo)系統(tǒng)，還要涉