三维建模流程的优化和简化

胡 莹

(广州大学实验中心、网络与现代技术中心，中国广州 510006)

为了在计算机的虚拟环境中生动形象地模拟自然环境之中人的视觉、听觉、嗅觉以及运动等行为，虚拟现实技术应运而生［1］.经过近几年的发展，该项技术已成为计算机领域的一个新型研究方向，获得国内外学者以及企业的广泛关注并引起浓厚的研究兴趣［2-3］.在虚拟现实技术中，三维建模是该技术的一个关键步骤和核心技术，也是实现虚拟现实系统的基础［4］.由于虚拟现实系统需要较高的实时性，而三维建模的优劣直接影响整个这类系统的实时性［5］，这使得三维建模成为了此项技术的研究热点，而三维建模流程的优化又成为了重中之重.

目前，关于三维建模流程的优化研究主要集中在模型阶段，其中部分研究取得了较好的实际应用效果［6-7］.然而，如果在三维建模之前各模型分块不合理的话，就会导致建模过程耗时较大，从而大大降低系统的实时性.针对这种情况，论文基于过程的思想，从结构优化、模型优化两方面对整个三维建模流程进行优化.同时，论文还提出了一个新型层次模型简化算法以进一步缩减三维建模流程中模型间优化的时间间隔.

图1 三维建模优化总体流程Fig.1 Optimized overall process of 3D modeling

1 三维建模总体优化

在三维建模过程中，优化是提高其性能的一个重要手段［8-9］，相应的优化结果直接决定了虚拟现实系统的运行效率和实时性.论文将优化贯穿于整个建模过程之中，具体流程如图1所示.

在图1中，结构优化主要是按照模型分割或场景分块原则对初始虚拟场景进行分割，建立层次结构并依据建模层次调整原则对结构进行调整.在模型建立之后与模型优化之前添加一个模型简化，以克服流程中因分别对单个模型进行优化而耗时多，从而导致模型间优化的时间间隔较长的问题.而在模型优化阶段，则主要使用一些技术比如 LOD 技术［10］、消隐技术［11］、实例化技术［12］、纹理映射技术［13］等对模型进行处理.

2 三维建模结构优化策略

在三维建模过程中，全部虚拟场景以及相关实体模型的结构一般是根据其中的各实体的位置、模型内部以及模型间的结构来确定，论文将采用层次结构来加以组织.此种层次结构组织方式可以快速地对虚拟场景进行分割，便捷地对实体模型进行管理，能够对模型构建目标一目了然，有效地减轻建模的工作量.

在结构优化方面，论文从微观和宏观两个方面来优化，其中微观为模型结构优化，宏观为场景结构优化，基本思想就是先进行模型分割(或场景分块)，再进行层次建模并最终进行集成.

2.1 场景分块策略

在场景分块中，论文将根据实际情况采用以下策略:①原则上不同类的物品分为一块，例如:路标、消防设备等;②同类物品原则上分为一块，卫生间、厕所等;③具备不同功能，但所属大类基本相似且相互濒临的物品分为一块，例如值班室与配电室，实验室与机房等;④有时相互关联度比较紧密的物体可分为一块，例如大地与树木等;⑤具有一定连接顺序的连接体可以分为一块，例如地下管线等.可能还会有其他可以划分为一块的策略，这需要在实际进行三维建模时具体分析来划分.

2.2 层次建模策略

经过场景分块后，就需要对各种划分块的层次进行调整.论文将采用以下策略来进行层次建模:

①在建立模型时，尽力构建层次型模型:把复杂的物体逐个分解成若干个简单物体，尽量按照逐步求精的策略来分解;②在建模时，不管你是看见一个物体的全部还是只看见该物体的部分，都必须对这个物体整体来建模，为了避免对空间跨度较大的物体进行计算，在建模时应尽量避免空间跨度较大的物体.③建模时，可视范围内相邻的物体级别相同，对于级别相同的物体，在设置节点时依次从左往右设置.如果存在部分可见的物体，对这些物体对应的节点进行删除.④对于比较规则的物体，只要不影响真实感，就忽略其内部等具体细节，只对其外形进行建模.⑤对于不规则的物体，依据各不规则部分的重要程度来进行建模，不重要的部分可用一些比如圆圈、长方形等简单的形体来表示.

2.3 结构优化关键技术解决办法

采用上述策略进行结构优化时，会存在单元分割和层次细节技术这两方面的难题.对此，本文解决办法如下:①把虚拟场景进行分割以形成较小的单元，并且只渲染当前场景中的实体，这样就可以在场景调度时仅把若干小单元调入即可，从而提高虚拟系统的速度.②对分割形成的模型进行简化，以保留模型中重要的视觉特征，从而使它们能够被加速处理.

2.4 结构优化策略下的场景集成和调度管理

2.4.1 场景模型的集成 场景实体模型的构建是按照场景层次结构的划分来进行的.各层次实体景观构建完以后再进行组合和集成，最终形成虚拟场景的整体模型.论文使用外部引用技术来进行场景模型的集成.外部引用是指在一个模型中可以调用另一模型的部分或者全部，并可以重新定义被调用模型的空间位置.在论文中的应用是:将在外部环境创建的模型通过外部引用技术导入到3Dsmax环境中来，以实现场景模型的集成.

2.4.2 场景的调度管理 论文中场景的调度和管理是通过 Virtools开发工具来实现的.遵循的大原则是:静态导入，动态调用.在系统实时运行时，采取的是动态导入，动态调用.例如:联合站系统分为室外场景、游离水脱除器、电脱水器、加药间、加热炉、净化油缓冲罐、离心泵、值班室、配电室等子系统，在系统运行前，将它们一次性地加载到Virtools中，等待系统调用，即静态导入，动态调用.在系统运行时，根据用户需求在系统菜单中选择不同的子系统(如电脱水器子系统)，进行实时显示和操作，即动态导入，动态调用.

3 三维建模模型简化策略

为了能较好地模拟现实，建模过程中构建的模型趋向高精细化、高复杂化，这就需要较高的存储量、较快的处理速度和传输率等.目前，这些因素严重制约了模拟现实技术的实时性，为此，有必要对模型进行简化.为了减少系统的整体耗时、提高系统的整体实时性，论文将采用“总→分→总”的思想对模型进行分区简化，也即先把某一整体区域划分成若干个子区域，然后分别简化各个子区域中包含的模块，紧接着对简化后的模型进行评估以判断是否符合化简原则、是否失真等，最后整合简化结果.该简化算法具体描述如下:

Step1:对任意区域，结合实际情况(比如物体位置、操作方位、观察视点等)和包围盒层次法来制定较为合理的待划分的子区域数n.

Step2:对选定的某一区域，根据选定的n值进行层次结构划分，以确定待简化的n个子区域;

Step3:利用网格简化法对确定的任意一个子区域内的模型进行简化.

Step4:采用误差测度对简化的模型进行评估;没通过评价的模型则继续简化;

Step5:依据模型实际布局，选取某种恰当的算法，例如:基于三角形的区域合并算法、基于高斯球的近似共面合并算法等，在n个方向对个模型的简化结果进行合并.

4 三维建模模型优化策略

对模型进行优化，在一定程度上可以提高建模整体实时性.根据三维建模过程中的实际情况，将对模型采取下面一些优化策略:

(1)去除多余多边形策略:在三维建模过程中，有些模型会存在一些多边形，这些多边形在场景浏览时一直处于不可见状态，此时去除它们不会影响整体浏览效果且能降低建模耗时.为此，可以把那些处于场景浏览时实体模型之外的不可见部分去除掉.

(2)纹理替代策略:在三维建模过程中，若过分强调物体细节，不但工作量较大，而且模型复杂度也较大，从而大大降低整体建模实时性.合理采用纹理不仅能增强场景中物体真实感，而且还能降低建模复杂度［14］.为此，论文将把场景中的相应模型用合理的纹理来代替.

(3)实例化策略:在数据库领域，实例化就是对库中现存模型的引用，表面上同模型复制相同.但是，实例并非库中真实的实体，而是众多模型的一个影子，此时实物其实仅有一个，其他同类实物均可通过一系列变换而得到.这种情况下，在场景中显示实体时，就可以只对某一实例的颜色、形状、纹理等特征进行编辑，此时所有同类实体的属性也随之相应改变.在场景中，如果一个实物在不同的位置多次被使用如果同一物体在场景中多次被使用，那么仅对该物体建立一个模型，以后不论何时何地使用，仅通过实例化方法引用此模型即可.这种方法不仅能够节省大量内存空间，而且还能提高建模速度.

(4)外部引用技术策略:外部引用可以让用户在当前场景中根据需要把相应文件或纹理引入进来并重新定位，这样就可以把一个大的文件按需要分次下载到场景中，从而避免一次载入全部文件而带来的耗时问题.因此，在初步建模之时，首先计算场景中个模型的总数比例，且仅在当前场景中建立主干模型;然后在需要的地方或适当时候，使用外部引用将相关辅助模型导入.这样在一定程度上节省了内存、提高了建模速度.

在实际过程中，应根据实际情况来选用上述优化策略.

图2 联合站系统基本结构图Fig.2 The joint station system basic structure

5 仿真实验

5.1 仿真系统环境搭建

联合站系统作为油田系统的一个重要组成部分，其接收各个中转站的石油，然后进行脱水、加热等一系列工序，之后输送给相关单位进行存储和销售，该系统的实时性直接影响原油的产量.为了较好地体现论文所给优化方法在实时性方面的优越性，该实验采用3Dsmax和Virtools开发工具对联合站系统进行场景模拟，并使用SQL Server进行数据存储.在实验中，构建的联合站系统基本框架如图2所示.

5.2 仿真结果及分析

由于整个联合站系统较为庞大，本次仿真实验仅实现了其中的4个罐体，以此来进行对比实验.表1表示联合站系统4个罐体在传统三维建模流程和本文三维建模优化流程下的总体耗时对比结果.图3和图4表示光照强度相同条件下，联合站系统4个罐体在传统三维建模流程和本文三维建模优化流程下的最终建模效果对比.

表1 联合站系统中4个罐体在本文流程和传统流程下总体仿真耗时对比结果Tab.1 Compared results of overall simulation time under proposed process and traditional process on joint station system

图3 传统三维建模流程下的联合站系统中4个罐体建模总体效果Fig.3 Overall modeling effect of four tanks under traditional 3D modeling process on joint station system

图4 本文三维建模优化流程下的联合站系统中4个罐体建模总体效果Fig.4 Overall modeling effect of four tanks under proposed 3D modeling process on joint station system

从表1来看，本文设计的三维建模优化流程能够在一定程度上降低系统总体耗时，从而在一定程度上提高系统实时性.从图3和图4所示的建模总体效果来看，在光照强度相同的条件下，利用本文所给的三维建模优化流程进行的建模效果较逼真，清晰度较强.

经分析，产生上述实验结果原因如下:

(1)本文在对建模流程优化的同时，也对场景的真实性进行了一定程度的优化和保证，这使得利用本文所给的三维建模优化流程进行的建模效果较好，清晰度较强.

(2)在保证建模效果的同时，对模型采用所提的简化算法进行简化，并利用去除多余多边形策略、纹理替代策略、实例化策略和外部引用技术使用策略对模型进行优化，这在一定程度上减少了系统总体耗时，提高了系统的实时性.

6 结束语

论文对三维建模进行研究，基于过程优化思想，提出了一个新的三维建模流程优化方法.同时，针对其中的模型简化也进行了研究，提出了一个层次性模型简化算法.通过模拟联合站系统实验表明，所提三维建模流程优化方法在建模总体效果和实时性两个方面，都具有一定的优越性.

［1］叶南阳.手机振动影响及模式优化设计研究［J］.湖南师范大学自然科学学报，2012，35(2):28-30.

［2］周德吉，武殿梁，邱世广.虚拟现实环境中包含虚拟人的全要素装配操作仿真［J］.计算机集成制造系统，2012，18(10):2183-2190.

［3］傅招国，王天威，倪小鹏.基于Virtools的虚拟现实技术及在特种设备教学中的应用［J］.计算机工程与科学，2012，34(6):97-100.

［4］CHEN G，LI B，TIAN F L，et al.Design and implementation of a 3D ocean virtual reality and visualization engine［J］.J Ocean Univ China，2012，11(4):481-487.

［5］谭正华，王李管，熊书敏.基于实测边界线的地下巷道三维建模方法［J］.中南大学学报:自然科学版，2012，43(2):626-631.

［6］潘荣江，高孝洋，关防利.基于平面设计图的高速公路三维建模［J］.系统仿真学报，2012，24(1):17-20.

［7］LI Z L，ZHI R P，ZHAO C W，et al.The 3D modeling of blades of multiphase flow helico-axial pump's rotor based on solidworks［J］.Computer Aided Drafting，Design and Manufacturing，2011，21(2):1-6.

［8］DU Q L，DU T N，ZHAO H F，et al.The comparison of different degree of convexity and 3D modeling of involute hyperbolic arch dam［J］.Computer Aided Drafting，Design and Manufacturing，2011，21(2):7-12.

［9］吕翠华，陈秀萍，张东明.基于三维激光扫描技术的建筑物三维建模方法［J］.科学技术与工程，2012，12(10):2410-2414.

［10］许伟冬，刘国栋，刘 龙.机场供电仿真虚拟环境的研究［J］.计算机仿真，2012，29(10):47-51.

［11］董纯柱，殷红成，王 超.基于射线管分裂方法的SAR场景快速消隐技术［J］.雷达学报，2012，1(4):436-440.

［12］韦婷黎，展 荣，侯 能.基于可编程GPU的三维地形场景中树的渲染优化技术［J］.科学技术与工程，2012，12(26):6834-6839.

［13］吴梦熊，胡建鹏，耿兆丰.纹理映射技术在三维虚拟服装模拟中的应用与实现［J］.东华大学学报:自然科学版，2008，34(3):445-448.

［14］龙 勇，袁 静，康凤举.可视化仿真中三维建模策略研究［J］.系统仿真学报，2011，23(12):2682-2687.