三維建模流程的優(yōu)化和簡化

胡 瑩

(廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代技術(shù)中心，中國廣州 510006)

為了在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中生動(dòng)形象地模擬自然環(huán)境之中人的視覺、聽覺、嗅覺以及運(yùn)動(dòng)等行為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［1］.經(jīng)過近幾年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)新型研究方向，獲得國內(nèi)外學(xué)者以及企業(yè)的廣泛關(guān)注并引起濃厚的研究興趣［2-3］.在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，三維建模是該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵步驟和核心技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)［4］.由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要較高的實(shí)時(shí)性，而三維建模的優(yōu)劣直接影響整個(gè)這類系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性［5］，這使得三維建模成為了此項(xiàng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)，而三維建模流程的優(yōu)化又成為了重中之重.

目前，關(guān)于三維建模流程的優(yōu)化研究主要集中在模型階段，其中部分研究取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果［6-7］.然而，如果在三維建模之前各模型分塊不合理的話，就會(huì)導(dǎo)致建模過程耗時(shí)較大，從而大大降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.針對這種情況，論文基于過程的思想，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型優(yōu)化兩方面對整個(gè)三維建模流程進(jìn)行優(yōu)化.同時(shí)，論文還提出了一個(gè)新型層次模型簡化算法以進(jìn)一步縮減三維建模流程中模型間優(yōu)化的時(shí)間間隔.

圖1 三維建模優(yōu)化總體流程Fig.1 Optimized overall process of 3D modeling

1 三維建?？傮w優(yōu)化

在三維建模過程中，優(yōu)化是提高其性能的一個(gè)重要手段［8-9］，相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果直接決定了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性.論文將優(yōu)化貫穿于整個(gè)建模過程之中，具體流程如圖1所示.

在圖1中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是按照模型分割或場景分塊原則對初始虛擬場景進(jìn)行分割，建立層次結(jié)構(gòu)并依據(jù)建模層次調(diào)整原則對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整.在模型建立之后與模型優(yōu)化之前添加一個(gè)模型簡化，以克服流程中因分別對單個(gè)模型進(jìn)行優(yōu)化而耗時(shí)多，從而導(dǎo)致模型間優(yōu)化的時(shí)間間隔較長的問題.而在模型優(yōu)化階段，則主要使用一些技術(shù)比如 LOD 技術(shù)［10］、消隱技術(shù)［11］、實(shí)例化技術(shù)［12］、紋理映射技術(shù)［13］等對模型進(jìn)行處理.

2 三維建模結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

在三維建模過程中，全部虛擬場景以及相關(guān)實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)一般是根據(jù)其中的各實(shí)體的位置、模型內(nèi)部以及模型間的結(jié)構(gòu)來確定，論文將采用層次結(jié)構(gòu)來加以組織.此種層次結(jié)構(gòu)組織方式可以快速地對虛擬場景進(jìn)行分割，便捷地對實(shí)體模型進(jìn)行管理，能夠?qū)δＰ蜆?gòu)建目標(biāo)一目了然，有效地減輕建模的工作量.

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，論文從微觀和宏觀兩個(gè)方面來優(yōu)化，其中微觀為模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，宏觀為場景結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基本思想就是先進(jìn)行模型分割(或場景分塊)，再進(jìn)行層次建模并最終進(jìn)行集成.

2.1 場景分塊策略

在場景分塊中，論文將根據(jù)實(shí)際情況采用以下策略:①原則上不同類的物品分為一塊，例如:路標(biāo)、消防設(shè)備等;②同類物品原則上分為一塊，衛(wèi)生間、廁所等;③具備不同功能，但所屬大類基本相似且相互瀕臨的物品分為一塊，例如值班室與配電室，實(shí)驗(yàn)室與機(jī)房等;④有時(shí)相互關(guān)聯(lián)度比較緊密的物體可分為一塊，例如大地與樹木等;⑤具有一定連接順序的連接體可以分為一塊，例如地下管線等.可能還會(huì)有其他可以劃分為一塊的策略，這需要在實(shí)際進(jìn)行三維建模時(shí)具體分析來劃分.

2.2 層次建模策略

經(jīng)過場景分塊后，就需要對各種劃分塊的層次進(jìn)行調(diào)整.論文將采用以下策略來進(jìn)行層次建模:

①在建立模型時(shí)，盡力構(gòu)建層次型模型:把復(fù)雜的物體逐個(gè)分解成若干個(gè)簡單物體，盡量按照逐步求精的策略來分解;②在建模時(shí)，不管你是看見一個(gè)物體的全部還是只看見該物體的部分，都必須對這個(gè)物體整體來建模，為了避免對空間跨度較大的物體進(jìn)行計(jì)算，在建模時(shí)應(yīng)盡量避免空間跨度較大的物體.③建模時(shí)，可視范圍內(nèi)相鄰的物體級別相同，對于級別相同的物體，在設(shè)置節(jié)點(diǎn)時(shí)依次從左往右設(shè)置.如果存在部分可見的物體，對這些物體對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除.④對于比較規(guī)則的物體，只要不影響真實(shí)感，就忽略其內(nèi)部等具體細(xì)節(jié)，只對其外形進(jìn)行建模.⑤對于不規(guī)則的物體，依據(jù)各不規(guī)則部分的重要程度來進(jìn)行建模，不重要的部分可用一些比如圓圈、長方形等簡單的形體來表示.

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)解決辦法

采用上述策略進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，會(huì)存在單元分割和層次細(xì)節(jié)技術(shù)這兩方面的難題.對此，本文解決辦法如下:①把虛擬場景進(jìn)行分割以形成較小的單元，并且只渲染當(dāng)前場景中的實(shí)體，這樣就可以在場景調(diào)度時(shí)僅把若干小單元調(diào)入即可，從而提高虛擬系統(tǒng)的速度.②對分割形成的模型進(jìn)行簡化，以保留模型中重要的視覺特征，從而使它們能夠被加速處理.

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略下的場景集成和調(diào)度管理

2.4.1 場景模型的集成 場景實(shí)體模型的構(gòu)建是按照場景層次結(jié)構(gòu)的劃分來進(jìn)行的.各層次實(shí)體景觀構(gòu)建完以后再進(jìn)行組合和集成，最終形成虛擬場景的整體模型.論文使用外部引用技術(shù)來進(jìn)行場景模型的集成.外部引用是指在一個(gè)模型中可以調(diào)用另一模型的部分或者全部，并可以重新定義被調(diào)用模型的空間位置.在論文中的應(yīng)用是:將在外部環(huán)境創(chuàng)建的模型通過外部引用技術(shù)導(dǎo)入到3Dsmax環(huán)境中來，以實(shí)現(xiàn)場景模型的集成.

2.4.2 場景的調(diào)度管理 論文中場景的調(diào)度和管理是通過 Virtools開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)的.遵循的大原則是:靜態(tài)導(dǎo)入，動(dòng)態(tài)調(diào)用.在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，采取的是動(dòng)態(tài)導(dǎo)入，動(dòng)態(tài)調(diào)用.例如:聯(lián)合站系統(tǒng)分為室外場景、游離水脫除器、電脫水器、加藥間、加熱爐、凈化油緩沖罐、離心泵、值班室、配電室等子系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行前，將它們一次性地加載到Virtools中，等待系統(tǒng)調(diào)用，即靜態(tài)導(dǎo)入，動(dòng)態(tài)調(diào)用.在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用戶需求在系統(tǒng)菜單中選擇不同的子系統(tǒng)(如電脫水器子系統(tǒng))，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和操作，即動(dòng)態(tài)導(dǎo)入，動(dòng)態(tài)調(diào)用.

3 三維建模模型簡化策略

為了能較好地模擬現(xiàn)實(shí)，建模過程中構(gòu)建的模型趨向高精細(xì)化、高復(fù)雜化，這就需要較高的存儲(chǔ)量、較快的處理速度和傳輸率等.目前，這些因素嚴(yán)重制約了模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)性，為此，有必要對模型進(jìn)行簡化.為了減少系統(tǒng)的整體耗時(shí)、提高系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)性，論文將采用“總→分→總”的思想對模型進(jìn)行分區(qū)簡化，也即先把某一整體區(qū)域劃分成若干個(gè)子區(qū)域，然后分別簡化各個(gè)子區(qū)域中包含的模塊，緊接著對簡化后的模型進(jìn)行評估以判斷是否符合化簡原則、是否失真等，最后整合簡化結(jié)果.該簡化算法具體描述如下:

Step1:對任意區(qū)域，結(jié)合實(shí)際情況(比如物體位置、操作方位、觀察視點(diǎn)等)和包圍盒層次法來制定較為合理的待劃分的子區(qū)域數(shù)n.

Step2:對選定的某一區(qū)域，根據(jù)選定的n值進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)劃分，以確定待簡化的n個(gè)子區(qū)域;

Step3:利用網(wǎng)格簡化法對確定的任意一個(gè)子區(qū)域內(nèi)的模型進(jìn)行簡化.

Step4:采用誤差測度對簡化的模型進(jìn)行評估;沒通過評價(jià)的模型則繼續(xù)簡化;

Step5:依據(jù)模型實(shí)際布局，選取某種恰當(dāng)?shù)乃惴?，例?基于三角形的區(qū)域合并算法、基于高斯球的近似共面合并算法等，在n個(gè)方向?qū)€(gè)模型的簡化結(jié)果進(jìn)行合并.

4 三維建模模型優(yōu)化策略

對模型進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上可以提高建模整體實(shí)時(shí)性.根據(jù)三維建模過程中的實(shí)際情況，將對模型采取下面一些優(yōu)化策略:

(1)去除多余多邊形策略:在三維建模過程中，有些模型會(huì)存在一些多邊形，這些多邊形在場景瀏覽時(shí)一直處于不可見狀態(tài)，此時(shí)去除它們不會(huì)影響整體瀏覽效果且能降低建模耗時(shí).為此，可以把那些處于場景瀏覽時(shí)實(shí)體模型之外的不可見部分去除掉.

(2)紋理替代策略:在三維建模過程中，若過分強(qiáng)調(diào)物體細(xì)節(jié)，不但工作量較大，而且模型復(fù)雜度也較大，從而大大降低整體建模實(shí)時(shí)性.合理采用紋理不僅能增強(qiáng)場景中物體真實(shí)感，而且還能降低建模復(fù)雜度［14］.為此，論文將把場景中的相應(yīng)模型用合理的紋理來代替.

(3)實(shí)例化策略:在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，實(shí)例化就是對庫中現(xiàn)存模型的引用，表面上同模型復(fù)制相同.但是，實(shí)例并非庫中真實(shí)的實(shí)體，而是眾多模型的一個(gè)影子，此時(shí)實(shí)物其實(shí)僅有一個(gè)，其他同類實(shí)物均可通過一系列變換而得到.這種情況下，在場景中顯示實(shí)體時(shí)，就可以只對某一實(shí)例的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行編輯，此時(shí)所有同類實(shí)體的屬性也隨之相應(yīng)改變.在場景中，如果一個(gè)實(shí)物在不同的位置多次被使用如果同一物體在場景中多次被使用，那么僅對該物體建立一個(gè)模型，以后不論何時(shí)何地使用，僅通過實(shí)例化方法引用此模型即可.這種方法不僅能夠節(jié)省大量內(nèi)存空間，而且還能提高建模速度.

(4)外部引用技術(shù)策略:外部引用可以讓用戶在當(dāng)前場景中根據(jù)需要把相應(yīng)文件或紋理引入進(jìn)來并重新定位，這樣就可以把一個(gè)大的文件按需要分次下載到場景中，從而避免一次載入全部文件而帶來的耗時(shí)問題.因此，在初步建模之時(shí)，首先計(jì)算場景中個(gè)模型的總數(shù)比例，且僅在當(dāng)前場景中建立主干模型;然后在需要的地方或適當(dāng)時(shí)候，使用外部引用將相關(guān)輔助模型導(dǎo)入.這樣在一定程度上節(jié)省了內(nèi)存、提高了建模速度.

在實(shí)際過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選用上述優(yōu)化策略.

圖2 聯(lián)合站系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The joint station system basic structure

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 仿真系統(tǒng)環(huán)境搭建

聯(lián)合站系統(tǒng)作為油田系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其接收各個(gè)中轉(zhuǎn)站的石油，然后進(jìn)行脫水、加熱等一系列工序，之后輸送給相關(guān)單位進(jìn)行存儲(chǔ)和銷售，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性直接影響原油的產(chǎn)量.為了較好地體現(xiàn)論文所給優(yōu)化方法在實(shí)時(shí)性方面的優(yōu)越性，該實(shí)驗(yàn)采用3Dsmax和Virtools開發(fā)工具對聯(lián)合站系統(tǒng)進(jìn)行場景模擬，并使用SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ).在實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建的聯(lián)合站系統(tǒng)基本框架如圖2所示.

5.2 仿真結(jié)果及分析

由于整個(gè)聯(lián)合站系統(tǒng)較為龐大，本次仿真實(shí)驗(yàn)僅實(shí)現(xiàn)了其中的4個(gè)罐體，以此來進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn).表1表示聯(lián)合站系統(tǒng)4個(gè)罐體在傳統(tǒng)三維建模流程和本文三維建模優(yōu)化流程下的總體耗時(shí)對比結(jié)果.圖3和圖4表示光照強(qiáng)度相同條件下，聯(lián)合站系統(tǒng)4個(gè)罐體在傳統(tǒng)三維建模流程和本文三維建模優(yōu)化流程下的最終建模效果對比.

表1 聯(lián)合站系統(tǒng)中4個(gè)罐體在本文流程和傳統(tǒng)流程下總體仿真耗時(shí)對比結(jié)果Tab.1 Compared results of overall simulation time under proposed process and traditional process on joint station system

圖3 傳統(tǒng)三維建模流程下的聯(lián)合站系統(tǒng)中4個(gè)罐體建?？傮w效果Fig.3 Overall modeling effect of four tanks under traditional 3D modeling process on joint station system

圖4 本文三維建模優(yōu)化流程下的聯(lián)合站系統(tǒng)中4個(gè)罐體建?？傮w效果Fig.4 Overall modeling effect of four tanks under proposed 3D modeling process on joint station system

從表1來看，本文設(shè)計(jì)的三維建模優(yōu)化流程能夠在一定程度上降低系統(tǒng)總體耗時(shí)，從而在一定程度上提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性.從圖3和圖4所示的建?？傮w效果來看，在光照強(qiáng)度相同的條件下，利用本文所給的三維建模優(yōu)化流程進(jìn)行的建模效果較逼真，清晰度較強(qiáng).

經(jīng)分析，產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果原因如下:

(1)本文在對建模流程優(yōu)化的同時(shí)，也對場景的真實(shí)性進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化和保證，這使得利用本文所給的三維建模優(yōu)化流程進(jìn)行的建模效果較好，清晰度較強(qiáng).

(2)在保證建模效果的同時(shí)，對模型采用所提的簡化算法進(jìn)行簡化，并利用去除多余多邊形策略、紋理替代策略、實(shí)例化策略和外部引用技術(shù)使用策略對模型進(jìn)行優(yōu)化，這在一定程度上減少了系統(tǒng)總體耗時(shí)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.

6 結(jié)束語

論文對三維建模進(jìn)行研究，基于過程優(yōu)化思想，提出了一個(gè)新的三維建模流程優(yōu)化方法.同時(shí)，針對其中的模型簡化也進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)層次性模型簡化算法.通過模擬聯(lián)合站系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，所提三維建模流程優(yōu)化方法在建模總體效果和實(shí)時(shí)性兩個(gè)方面，都具有一定的優(yōu)越性.

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