基于Multigen Creator/Vega Prime的圖書館漫游系統(tǒng)初探

孫建偉 劉漠 岳陽 張小雷 葉楊

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用日益廣泛，它是一種門集思維科學和計算機技術(shù)的跨學科技術(shù)。系統(tǒng)研究了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的圖書館漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。以天津天獅學院圖書館為例，利用Multigen Creator進行實景建模，完成虛擬場景的構(gòu)造過程，采用VC++6.0開發(fā)平臺結(jié)合Vega Prime1.2開發(fā)漫游系統(tǒng)進行系統(tǒng)的仿真驅(qū)動，結(jié)合多種圖像處理技術(shù)、紋理映射技術(shù)和碰撞檢測技術(shù)實現(xiàn)了圖書館場景的虛擬漫游，為后續(xù)學院漫游系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎。

Abstract： The? applications of virtual reality technology is increasingly widespread， and it is an interdisciplinary technology which is combined with computer technology and scientific thinking.This system introduces the library Roaming System based on virtual reality technology，which using the library of Tianjin Tianshi College as an example.The system applies Multigen Creator to responsible for modeling of virtual scene;and develops roaming system by? combining VC ++6.0 platform and Vega Prime1.2 to simulation and driven it;Finally realizing virtual library roaming scene by using of a variety of image processing techniques， texture mapping and collision detection technology，it can provide the foundation for the following development of the college roaming system.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;MultigenCreator;Vega Prime;圖書館;漫游系統(tǒng)

Key words： virtual reality;Multigen Creator;Vega Prime;library;roaming system

中圖分類號：TP311.5;G250? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0266-03

0? 引言

虛擬漫游系統(tǒng)是基于現(xiàn)實生活的真實存在或者仿真某種對象（構(gòu)想）的虛擬空間。它是集成了聽覺、視覺及觸覺為一體的具有一定范圍的虛擬環(huán)境，體驗者可根據(jù)任意選定的路線進行虛擬環(huán)境的漫游，另外，針對于環(huán)境中的虛擬對象可進行任意角度的三維觀察，并且可以進行一定程度的動作規(guī)劃和操作，讓用戶可以有身臨其境的感覺，并且滿足的其特定的功能要求。我國一些城市和高校已經(jīng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了虛擬漫游系統(tǒng)，國內(nèi)主要應用3D建模，本系統(tǒng)采用Multigen Creator進行建模，其界面操作簡單且易于學習。由于虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)過程涉及到多種素材、模型和技術(shù)，尤其是建模時間要求較長，所以，本系統(tǒng)以天津天獅學院圖書館為例進行漫游系統(tǒng)的部分開發(fā)嘗試，探索開發(fā)模式、框架和技術(shù)路線，為后續(xù)學院的漫游系統(tǒng)開發(fā)奠定了基礎。

1? 主要的研究內(nèi)容

任何一個虛擬漫游的系統(tǒng)主要涉及漫游引擎和場景對象的建模兩個部分。系統(tǒng)構(gòu)建的過程綜合運用多種技術(shù)，主要包括素材的采集和處理，模型的構(gòu)建和定位，程序驅(qū)動實現(xiàn)系統(tǒng)漫游。

1.1 原始素材的處理

各種數(shù)據(jù)和圖片是系統(tǒng)開發(fā)的基礎，圖片包括CAD圖紙、各個建筑物的數(shù)據(jù)和不同的紋理照片。因為通過Multigen Creator設計和開發(fā)的模型僅接收RGBA或者RGB格式的圖片類型，為了避免模型紋理在漫游時發(fā)生變形，圖片的大小均設置為2的整數(shù)次冪。將這些素材應用Photoshop按照相應的格式進行處理，用于生成地形框架和建筑物不同部位的紋理。

1.2 系統(tǒng)建模

本系統(tǒng)采用Multigen Creator進行建模，包括地形模型、建筑模型、環(huán)境模型、裝飾物模型，并依據(jù)系統(tǒng)漫游要求引入LOD技術(shù)優(yōu)化模型，采用紋理映射技術(shù)完成紋理貼圖并導出.Flt模型文件。

1.3 系統(tǒng)漫游和碰撞檢測

結(jié)合導入的模型文件進行系統(tǒng)功能和界面的開發(fā)。采用漫游引擎技術(shù)和碰撞檢測技術(shù)等研究手動漫游、自動漫游、導航查詢、建筑信息查詢等相應功能。

系統(tǒng)的主要開發(fā)流程如圖1所示。

2? 系統(tǒng)建模及模型優(yōu)化

MultiGen Creator是主要用于模擬仿真的建模軟件，具有精簡直觀的可視化開發(fā)環(huán)境和非常強大的交互開發(fā)能力。MC（MultiGen Creator）中景觀的描述數(shù)據(jù)庫格式為OpenFlight，可以通知圖像的生成器實時并且精確可靠的進行三維景觀的渲染。將得到的CAD圖紙進行整理，分層導出平面圖、建筑輪廓圖、道路圖、植被分布圖等，并將其導入Multigen Creator做出基本地形，之后進行模型的構(gòu)建，建模過程需要考慮以下幾方面。

①分析場景中的對象，在創(chuàng)建立體模型時通常需要針對場景進行對象分類，根據(jù)涉及的真實場景，劃分出了公共資源區(qū)、教學區(qū)、活動區(qū)及其他（地面樹木等小物品）。

②建模時避免產(chǎn)生模型碎片，降低精細度。建立系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫的時候，通過去除模型對象被遮蓋的內(nèi)側(cè)、背部等部分的多邊形，可以有效的減少系統(tǒng)模型的大小以及繪制的時間;使用雙面渲染功能來減少多邊形;在保證模型質(zhì)量的前提下，盡量將模型的Interpolation選項中的steps屬性值控制在3以下就可以滿足模型精度的要求，因為steps的值若是過高可能會增加后期模型的片面的數(shù)量;MC（Multigen Creator）可以通過將位于同一水平面相鄰的三角行進行合并來減少模型中三角形的面片數(shù)量。

③使用紋理貼圖。通過使用紋理從視覺上豐富和提高細節(jié)模型。通過前期收集的照片處理為特定的格式后，可以使用3點、4點、放射、球面和環(huán)境貼圖等方式進行貼圖。

圖書館部分模型如圖2所示。

④多細節(jié)的層級（LOD）模型優(yōu)化。多細節(jié)的層級模型（LOD）技術(shù)，即根據(jù)視點的遠近采用不同的精細度模型調(diào)用。即場景用戶的觀察點離對象越近時，就調(diào)用細節(jié)程度高的模型體，而當其觀測點離對象較遠的時候，可調(diào)用較低層級的細節(jié)版本的模型。在確定系統(tǒng)多邊形預算不超的情況下，通過LOD可以有效提高漫游系統(tǒng)的的繪制效率和系統(tǒng)的運行效果。對于特定的漫游系統(tǒng)，針對主要的建筑可建立不同的細節(jié)度模型，通過不同的觀察點和距離調(diào)用不同的模型，可以提升漫游系統(tǒng)的測試和運行效率。

分析系統(tǒng)中主要建摸區(qū)域包括地形、建筑物、景觀對象等，不同的模型對象對于建摸過程中的要求和注意事項不盡相同。在建立特定建筑物的模型之前應該先作好定位，通過CAD將地形圖進行處理后導入到MC（Multigen Creator）中，做好地形建模，依據(jù)校區(qū)的地形和建筑物的位置將地形分為不同的區(qū)域，同時設置各個區(qū)域中的景物以及相關(guān)的特征值，比如在構(gòu)建道路的時候可以將真實的道路名進行標注，這樣在后期漫游時可以從中獲取有效的路徑信息，方便后期導航路徑的生成;針對具體的建筑物建?？筛鶕?jù)漫游系統(tǒng)的要求創(chuàng)建不同的模型，依據(jù)不同模型的特點選擇適當?shù)慕７椒?，比如，若要?chuàng)建規(guī)則的二維幾何面可以采用多邊形的方法，相反的要建立比較復雜的曲面幾何物體可應用NURBS或面片法實現(xiàn)，另外，對于室外建筑可以采用面的紋理拼貼方法進行簡單建模，而對漫游時室內(nèi)的物體應采用復雜幾何體完成;系統(tǒng)中花草、運動器械及樹木等景觀對象根據(jù)漫游時的逼真度的要求可以采用分級建模，但不局限于LOD，比如較近的樹木采用多邊形進行模擬，而略遠處的對象應用簡單的十字相叉面來實現(xiàn)，系統(tǒng)在漫游時根據(jù)視點實時的調(diào)用相應對象的簡單模型替換復雜的模型并刪掉視點看不見的面片以提升系統(tǒng)的效果。

⑤多細節(jié)層級模型的生成。LOD技術(shù)可以通過建筑物精細度的整體控制，亦可以針對相同對象的不同位置應用不同的細節(jié)模型進行控制。LOD模型等級較低的模型常用于表示物體距離視點較遠或物體較小的時候，而比較精細的模型通常用于描述物體較大或者物體距離比較近的時候。對系統(tǒng)中運動的對象可用相似的方法進行處理，對運動中的物體或運動較快的物體用較粗糙的模型，靜止的物體則用比較細致的模型進行繪制。系統(tǒng)中模型的精細度包括盒裝、面片、十字、三角及復雜三維模型等幾種樣式，根據(jù)視點和漫游的路線采用和繪制不同級別的模型。

3? 系統(tǒng)漫游的相關(guān)技術(shù)

3.1 360度全景

360度全景是虛擬環(huán)境的一種表現(xiàn)方式，用戶可以有進入場景的真實感受。360度全景（全景圖）是利用專業(yè)相機拍攝出來的基于魚眼技術(shù)的照片，觀察者從每個角度觀察，都能夠獲取直觀的立體感。全景圖模型一般有立方體、圓柱體和球體三種。虛擬的全景圖生成流程圖如圖3所示。

3.2 交互漫游

用戶在漫游系統(tǒng)中可以任意的變更漫游的視角、方向及速度等參數(shù)，控制系統(tǒng)的輸入設備常見的有鼠標和鍵盤。通過鼠標可以進行左右、旋轉(zhuǎn)及仰俯等方向和視角的控制操作，而鍵盤可控制前進、后退及速度的快慢。

①鼠標和鍵盤的捕獲。系統(tǒng)通過鼠標及鍵盤來捕獲用戶的相應操作。系統(tǒng)的鍵盤的控制動作由按鍵或者按鍵組合實現(xiàn)，依據(jù)用戶的按鍵控制場景的變換，鼠標在系統(tǒng)中提供定點功能，如查詢場景中的特定物體的信息，OpenGL中提供了鍵盤和鼠標捕獲函數(shù)，可由系統(tǒng)程序進行調(diào)取應用。

②系統(tǒng)的漫游控制。系統(tǒng)選取A、F、D、F、S、W、E、Q等按鍵，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、向左、向右、向后、向前、向下、向上等功能，當體驗者的操作不同時，場景中的對象即要根據(jù)要求進行場景的重繪。常用的方法有改變場景中物體的坐標和視點變換兩種，其中，若坐標變化則會導致場景中全部對象的坐標進行變換并重新繪制，但是多次進行變換則會發(fā)生誤差的積累現(xiàn)象，有可能導致場景畸變。本系統(tǒng)采用改變用戶的視點來重新進行場景的繪制。

用戶在進行系統(tǒng)漫游時，站著的方向應該一直向上。通過獲取鍵盤及鼠標操作并調(diào)用功能函數(shù)實現(xiàn)場景重新繪制。通過相關(guān)的鍵盤操作或鼠標的位移量（預先定義變量和調(diào)整移動的速度）可以計算出參考點與視點的差值，隨后通過調(diào)用gluLookAt（）自動繪制相應的特定場景。OpenGL提供的視點變換的函數(shù)gluLookAt（）封裝了一整套選擇和平移命令，由參考點、眼睛的位置及向上矢量導出場景矩陣，將觀察點設定在原點，而目標點則映射到Z軸（負）。使用投影矩陣將向上的矢量映射到Y(jié)坐標軸，而場景中的模型映射到可視區(qū)的中心位置。

③碰撞檢測。通過判斷場景中幾種典型物體的形狀，系統(tǒng)采用了5種碰撞檢測。包括點和矩形、矩形與矩形、點和圓、圓和圓、圓形和三角形。碰撞檢測針對于平緩的山坡斜面和樓梯的豎面等情況是可以檢測到的，導致漫游者無法前進。但是生活中這種類型的面片不會阻止人的，因此檢測到這種面的時候，系統(tǒng)應做出正確的判斷和適當?shù)奶幚?，讓漫游能繼續(xù)前行，解決的方法是給這類實體設置一個相同的屬性和值，若檢測時與這些實體發(fā)生碰撞時，則應對其進行特殊的處理。

4? 系統(tǒng)驗證

將建模的相關(guān)理論和虛擬漫游等技術(shù)應用在天津天獅學院的圖書館漫游系統(tǒng)中，經(jīng)驗證系統(tǒng)能夠滿足用戶對虛擬場景的游覽需要，并具有較強的交互性和較好的沉浸感。系統(tǒng)建模時，應用多種方法進行了模型的優(yōu)化，確保了模型逼真度，保證了系統(tǒng)運行效率;對漫游采用了碰撞檢測，有效的解決了穿墻而過的問題。為后期學院的漫游系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎。

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作者簡介：孫建偉（1987-），男，內(nèi)蒙古通遼人，助理館員，學士學位，研究方向為圖書館學。