虚拟现实技术中建筑场景的模型优化策略

伍乐生



虚拟现实技术中建筑场景的模型优化策略

伍乐生

（漳州职业技术学院 建筑工程系，福建 漳州 363000）

虚拟现实系统需要在与用户交互中实时绘制场景，场景模型的复杂度和交互实时性之间的矛盾是虚拟现实系统运行的主要问题，如何在保证效果的前提下减少模型数据量是虚拟现实设计中一个比较突出的问题，文章对虚拟现实设计中建筑场景的模型优化策略进行了研究，总结了建筑场景模型优化的方法。

虚拟现实；模型优化；交互性；实时性

1 引 言

“虚拟现实”译自英文“Virtual Reality”，有时也简称为“VR”技术，是20世纪80年代才发展起来的新兴技术。虚拟现实的概念可以简单概括为：“借助计算机及相应的技术手段建立虚拟的媒体空间，用来模拟表现真实或设想的环境，使用者可以通过传感交互设备实现与虚拟环境进行“交互”，实现虚拟漫游、改变视点等自主行为，再加上逼真的多媒体感受，使得使用者可以“沉浸”到虚拟环境中，获得身临其境的感受。”这种技术打破了传统方法感知现实环境受空间、时间的限制，极大地拓展了人们感知客观世界的认识方法，实现了人们跨越时空对环境进行感知的追求，其“实时交互”的特点打破了传统表现形式的局限，有力推动了虚拟现实技术在建筑领域的发展与应用。

2 应用于建筑展示的虚拟现实技术

虚拟现实技术应用的一个重要领域是实现对建筑物的虚拟构建和智能漫游。通过虚拟建筑模型，建筑设计师可以预先验证设计方案的创意可行性和论证技术合理性，另外，通过虚拟建筑模型，可以向来访者预先展示建筑的内部结构和空间分布,另外，虚拟现实技术还可以用于建筑施工过程模拟、历史性建筑模拟、防灾模拟等，虚拟现实就建筑视觉模拟的可行性而言，具有非常重要的意义及广泛的应用。

目前在建筑环境的计算机辅助表现上常见的表现形式有：效果图、三维动画、虚拟现实，三者对比如表1所示。

建筑表现中效果图采用静态图片的表现形式，与传统的手绘、照片等静态图像表现手法如出一辙，能表达基础的三维信息，而且随着技术的进步制作更加快捷，因此获得了广泛的应用。建筑动画的“动态”表现形式更加生动地表达了更加丰富的三维信息，但由于观察路线和角度被固定的动画路线所限定，观察处于被动状态，观察的自主性受到限制，而虚拟现实技术给用户提供了一种主动观察的方式，可以如同现实世界一样自由观察，能达到如同亲临现场的感受，使得观察者能够最全面地感受到场景的三维信息，将成为建筑场景展示的新趋势。

表1 建筑环境表现形式对比

3 虚拟建筑场景的建模技术

虚拟场景的在计算机里的构建通常又简称为“建模”，如何又快又真实地在计算机里构建出虚拟场景是虚拟现实技术的一个讨论主题，构建模型有两种主要思路，一种是利用计算机图形学技术在三维坐标体系中用多边形构建三维几何模型，称为“基于几何模型”的建模技术，另一种建模方式是“基于图像”的建模技术，使用真实场景中的图像作为输入，依据这些图像提取三维信息采用一定的算法来构建三维场景，两种建模技术由于原理的不同使得它们具有各自的优势，同时也存在不同的缺点，将二者进行对比如表2所示。

表2 两种基本建模技术对比

从上述对比可以看出，两种场景模型的构建技术各有优缺点，一个较好的策略是结合二者的优点，取长补短，混合建模的思路由此而生。“基于几何模型及图像”的混合建模技术希望能揉合二者的优点，扬长避短、取长补短，其基本思想是先利用“基于图像”的建模技术构造虚拟场景的环境来获得逼真的视觉效果，同时对虚拟环境中用户要与之交互的对象利用“基于几何模型”的建模技术来进行实体构建，这种混合建模的方法既能避免复杂场景几何模型的大量计算，也增加了场景的真实感，有效地提高了“实时性”，另一方面，需要具体展示的对象的“交互性”也得到了有效的保证。

尽管“基于几何模型及图像”的混合建模技术的思路揉合了两种建模技术的优势，但是在实现过程中仍然遇到种种技术上的困难，如：两种不同建模技术建出来的模型如何融合、交互时场景的变换及无缝连接等问题有待进一步优化。

4 虚拟现实系统中场景绘制的主要问题

虚拟现实系统要求能在交互式的帧频率下实时绘制场景，场景模型的复杂度和交互实时性之间的矛盾是虚拟现实系统运行的主要问题，当然这种矛盾的存在的另一个客观原因也在于虚拟现实应用发展的另一个重要制约因素，暨现阶段的网络带宽成为瓶颈限制了数据的实时传输规模。

由于虚拟现实系统需要实时绘制不断随用户交互操作而变换的场景，其数据量比传统的静帧图片展示要大得多，尽管目前网络传输速度不断提升，小型场景的在线实时交互还能较为顺畅，而复杂场景交互时实时绘制的数据量非常庞大，以现在的网络传输速度还不能很流畅地进行传播。因此，在保证效果的前提下如何减少数据量的大小成为虚拟现实系统实现的一个关键问题，笔者通过研究和实践总结了一些模型优化策略。

5 虚拟现实系统中建筑场景的模型优化策略

虚拟现实系统中场景模型的多边形数据量直接影响虚拟现实系统的运行速度，制作场景在建模时应充分对模型进行优化以减少模型的数据量，如果到了运行后才发现模型问题时需要返回到3ds max里对模型进行重新编辑，然后再次烘培，最后在重新导入到场景中，这将带来了诸多浪费和损失，因此，建模时要科学组织模型的结构、减少模型的冗余度，适时灵活地采取一些专门的优化技术以减少模型文件大小，从而提供模型的绘制速度，以保证虚拟现实系统实现顺畅的的实时交互。

5.1 初始建模应创建简模

把效果图的模型拿过来直接用是不推荐的，效果图的模型一般精细程度都比较高，一幅照片级的效果图往往需要较长的时间才能渲染出来，其模型的数据量一般都较大，而虚拟现实场景的互动需求要求能达到较好的实时性，这就要求模型的数据量尽可能小，因此，在视觉效果可以接纳的前提下减少模型的复杂程度直接影响了虚拟现实系统运行的顺畅程度，应遵循游戏场景的建模方式创建简模，如：圆柱边数一般要控制在10以内，使用曲线挤出时要注意控制线的段数。必要时候可以使用折线形式来代替曲线。如图1所示。

图1 尽可能减少边（段）数

现实存在的室外场景可以使用google卫星地图作为建模参考，在google卫星地图中找到目标建筑物后保存为图片，将图片导入3ds max中使用二维样条线勾勒出轮廓，然后挤出建筑物的高度，图2~图4为一个校园虚拟现实场景的实例。

图2 google卫星地图

图3 依据卫星地图图像构建建筑物

图4 室外虚拟场景建模实例

5.2 及时删除模型中起不到作用的面和点

在虚拟现实场景中只需要表现视点可见的模型表面，而视点看不见的面对场景来说是多余的，建模时将这些面及时予以删除能有效降低模型数据量，例如：对于不进入建筑内部的虚拟环境来说，模型背面、内部以及坐落在地面上的建筑底面、模型落搭时相对被包裹的小的面以及其他被遮挡的部分，对模型结构与贴图坐标起不到作用的点和面也要删除以节省数据量，如图5~图9所示，将物体转换成Mesh或Poly，然后切换到Polygon（面）或Point（点）级别下，将该模型中起不到作用的面和点选择出来进行删除。

图5 位于模型底部的面可删除

图6 模型中多余的面和点应及时删除

图7 模型中重合的面可删除

图8 模型间重叠面可删除

图9 相交的面可删除

5.3 修正模型中面的对齐关系

如果模型出现两面（点）之间出现缝隙、错位或两面重叠的情况，会造成场景漫游时发现闪面或破面的情况，创建模型时，利用捕捉使模型的点与点之间相互对齐，不要出现面之间有缝隙或错位导致面出现交叉的情况（如图10所示），模型搭建后要检查、修正模型中面的对齐关系。

图10 模型的面或点应精确对齐

5.4 使用贴图方法表现复杂模型

建筑场景中常见的结构造型复杂的花草树木以及一些长条形镂空物体，如楼梯、窗框、铁艺大门及栏杆等，在虚拟现实场景中最好不要将这些造型复杂的物体做成模型，这种细长条的物体如果用建模方法表现其细节的话在实时渲染时往往会出现闪烁现象，而且将会极大地增加模型的数据量，如图11所示。

图11 细长条物体或镂空物体不宜用模型表现细节

图12 用Alpha通道描述镂空

对于细长条物体或镂空物体可以利用贴图的方式来表现，这需要创建一张位图赋予透明贴图以制造镂空效果，使用Photoshop给贴图创建一个Alpha通道，透明部分在通道中表示为黑色；不透明部分通道中表示为白色；Alpha通道不允许有灰色。如图12所示。

铁艺大门、栏杆等镂空物体由于只用一个面加贴图的方式来表现，而模型烘焙时不支持双面，因此栏杆模型不能赋予双面材质，场景中视点需要经过栏杆时可以在3ds max中原地复制一个物体并反转法线作为栏杆的另一个面。如果视点高于面的边界将会看到面的边缘薄片形状，影响真实感，这种情形下可以在栏杆上方加一个有宽度的矩形以形成视觉上的厚度，如图所示。

图13 宽度方向处理后避免看到面边缘

图14 用交叉面片物体贴镂空贴图来表现树木

在制作室外场景时，难免会遇到大量的绿化问题，如果用多边形建模来构建花草树木的话，模型的数据量将急剧增加，严重影响系统的交互运行，此时可以采用交叉的面片物体贴镂空贴图的方法来表现。如图14所示。

5.5 用合并、塌陷等方法减少模型个数

场景中相同材质的模型应尽量合并以减少模型数量，这对于降低整个场景的数据量有很大的帮助，方法是将模型转换成Edit Mesh，然后采用Attach或Collapse等方法进行合并，经过实验对比，合并后模型个数的减少有效地加快了场景的运行速度。

合并时也要注意合并后模型面数不宜过大，建议不超过10万个，但如果模型的相隔距离较远而且面数过多时也不建议对它们进行合并，这种情形下的合并无益于运行速度的提升，有时反而会使得情况变糟。

5.6 使用实例物体减少内存占用

在创建建筑环境场景时，会用到许多相同或类似的几何体，如一些路灯、树木、垃圾箱等，如果对它们逐个创建然后存储，在渲染时无疑会占用计算机大量的内存和硬盘空间并减慢处理时间，从而影响实时显示速度。将这些相同物体实例化可以极大地节约内存空间，从而可以在增加同类物体数量的同时不增加运行开销，不增加多边形数量，而且数据库中每个实例可按需要进行比例缩放后应用，使用时内存仅调用一次，大大加快了显示速度，在编辑相同物体时实例技术也显示其极大的优越性，修改或编辑其中的一个对象时，如修改其形状、材质纹理时与之相关联的其他对象都将同时发生改变。

5.7 模型分布适当均匀

模型分布的均匀性在一定程度上也会对系统的运行速度产生影响，运行到分布密度大的区域时，模型的绘制量也大，运行到分布密度小的区域时，模型的绘制量又变小，在一定的硬件条件下会产生运行时快时慢的现象，因此，场景规划时也应适当考虑模型分布的均匀性，如图15所示。

图15 尽可能使模型分布较为均匀

图16 控制相邻面的距离

图17 面与面距离太远

5.8 控制相邻面的距离

对于表面需要靠得很近或叠在一起的两个物体的模型（如大厦立面悬挂的广告牌等），面与面的距离不宜贴得太近，应保持一定的距离，否则容易出现两个面交替出现的闪烁现象。建议模型相邻面间的间距小于当前场景最大尺度的万分之五，在图16的大厦立面悬挂的广告牌中，广告牌与大厦的的立面距离至少要达到3 cm，同时在侧面不能看到特别明显的两个面间的距离，当然距离太远也同样不合适，如图17所示。

6 结 论

为了实现大数据量的三维复杂环境的虚拟现实的模型优化，本文对建筑场景的模型优化的策略进行研究分析，探索了有效精简模型的方法，从而较好地解决了虚拟现实场景构建中在保证效果的前提下减少数据量的瓶颈问题。

[1] 任海军，文俊浩，徐玲.一种三维数字城市的构建和实现方法[J].重庆大学学报，2006，29（3）：101-104.

[2] 高云琼，徐建刚.一种城市三维建模的集成处理方法[J].中国图象图形学报，2002，7（3）：282-286.

The Mode Optimization Strategies of Building Scene in Virtual Reality Technology

WU Le-sheng

(Department of Architural Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000，China)

The virtual reality system always renders scene in real-time during interacting with the users .The main problem of the running of virtual reality system is the contradiction between the complexity and real-time interaction of the scene mode. Under the premise of ensuring the effect, how to reduce the data volume of the mode is a more prominent problem in virtual reality design. This article studies on the mode optimization strategies of building scene in virtual reality design and summarize the mode optimization methods.

virtual reality; mode optimization; interaction; real-time

TU205

A

1673-1417（2014）01-0001-07

2014－01－06

福建省教育厅科技计划项目（JB10238）

伍乐生（1972－），男，福建长乐人，副教授，工学硕士，主要研究方向：计算机辅助设计。

（责任编辑：季平）