一种数字矿山快速漫游的层次建模方法

龚星宇,常心坦

(1.西安科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)



一种数字矿山快速漫游的层次建模方法

龚星宇1,常心坦2

(1.西安科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

针对虚拟数字矿山中三维场景渲染速度问题，以提高漫游过程细节层次的建模速度为目标，通过对三维场景中各模型的相关性定义，提出了一种快速结构分层建模方法。首先利用漫游场景中规则模型的视点相关性组织细节层次，通过结构分层有效组织和管理矿山漫游三维场景，从而减少场景程序文件容量；其次利用视点相关性提出的动态权系数算法，计算矿山各结构分层动态显示系数；以简单、快速的方式构建动态变化下的场景模型，实现数字矿山各结构块不同细节层次显示的虚拟漫游。实验结果表明，该方法能够有效减小程序文件，实现数字矿山三维场景的快速漫游。

虚拟现实;数字矿山；渲染优化；场景管理；视点相关

0 引 言

伴随数字摄影、地理信息系统和三维可视化技术的发展，数字矿山应用已成为煤炭行业研究的发展趋势和信息化建设的重要方向[1-2]。以虚拟现实技术为基础，优化建模为目标，生成实景虚拟矿山漫游系统，让浏览者产生身临其境的感觉。

作为计算机技术中应用热点的虚拟现实技术，已广泛应用于园区场景的虚拟漫游可视化[3-4]。但是对于数字矿区这样大规模多类数据集的高速交互式三维场景可视化仍具有极大的挑战性，其主要原因在于场景渲染速度问题[5-6]。细节层次(LOD)技术是解决此类问题流行的优化方法之一，通过降低模型的视觉质量来提高渲染效率[7-8]，高分辨率场景数据渲染采用LOD技术可以提高三维立体地形可视化及实时漫游效果[9]。研究者从网格简化算法和层次划分方法2方面[10-11]已经作了大量研究并取得成果。文献[12]把用户感兴趣区域ROI融入LOD模型，在不明显降低原始模型的表面细节信息前提下，平均减少27%的内存容量；文献[13]利用LOD技术产生基于形状特征分析和变形区域保存技术的渐进式变形网格；文献[5]为提高渲染速度，采用视点相关的DEM数据分块策略。但是以上方法对于动态虚拟场景没有提供直接的细节层次解决方法。

文中针对动态场景中的LOD问题，从数字矿山场景空间结构特征出发，结合虚拟现实建模语言自身特点，提出一种结构分层方法和计算各分层结构间动态权系数的算法，实现数字矿山各结构块不同细节层次显示的快速虚拟漫游。

1 数字矿山结构分层法

在数字矿山虚拟漫游中，假设V为当前视点，场景中每个物体距离视点V不同。虚拟环境中为了逼近真实世界，各物体不是实际显示真实模型大小，而是根据其距离V的远近程度，显示对应的细节层次模型，即：近者为较细模型，远者为较粗模型[14]。如果对数字矿山场景中的每个虚拟物体，都分别建立由细到粗的细节层次模型，结果必然会产生庞大的模型文件。

若能对场景进行结构化处理，则会形成结构化模型。LOD模型以结构块为单位而不是单个物体，会在很大程度上减小程序文件。基于以上考虑，这里提出数字矿山结构化分层方法：即对V视点下的数字矿山场景集合M，按照从左向右、从上向下的空间结构进行结构化处理，表示为集合Wi，其中1≤i≤6，如图1所示。在此结构化处理基础上进行LOD处理。

图1 结构化分层原理示意图

图1中，按照结构化分层方法场景M被分成6部分，各部分与背景集合B共同组成M.并且使Wi∩Wj=Φ.即结构化的各集合互不相交并相互独立，且交集为空集。另外，W1∪Wi∪…W6∪B=M，即各结构块Wi与背景集合B共同构成全集。

实际中的数字矿区三维场景不一定如图1结构完整，为了具体化结构分层方法的应用，这里对其进行简化。当前视点场景集合m，按照从左向右、从上向下的空间结构进行结构化，表示为集合wi，其中，1≤i≤4，在此结构化基础上做LOD处理。

简化结构分层的结果如图2所示。简化结构分层后同样具有wi∩wj=Φ和w1∪wi∪…w6∪b=m的关系，其中b表示简化结构后的背景集合。

图2 简化结构化分层示意图

图2中，视点V的移动轨迹用向量X表示。随着V的变化，wi显示的模型层次呈动态变化趋势，具体变化过程通过动态权系数描述，计算方法在下一节介绍。

2 结构块动态权系数算法

为实现数字矿山虚拟漫游，应该为视点设定漫游路径。路径变化过程中，结构块发生细节层次变化，这一变化与模型到视点的距离有关。

设视点X沿指定路径移动，结构块显示的层次模型与权系数η相关，η与结构块和视点之间距离d有关。结构块同时受其他结构块的影响，共同形成动态变化过程。设原模型为W，则当前需要显示的层次模型W′为

W′=η·W，

(1)

如果把结构块分为如图1的6块形式，用I表示各结构块之间的影响因子矩阵，则I可以表示为

(2)

其中iij表示第i个结构块对第j个结构块的影响因子， 1≤i≤6,1≤j≤6.那么某个结构块i的动态权系数ηi可以通过下式计算

(3)

式(3)中的β表示归一化因子，其中1≤i≤6,0≤ηi≤1.

结构块动态权系数算法步骤为

试验段施工前，对下路床顶高程、中线、宽度、平整度、压实度进行验收。检验合格后，根据设计导线点恢复该段的路线中桩及边桩，安排人员洒出路基中、边线。

Step1初始化各结构块η值；

Step2用式(3)计算沿指定路线移动后各结构块η值；

Step3用式(1)计算当前模型层次；

Step4转步骤2.

3 数字矿山结构化分层实现及结果分析

为了验证结构分层细节建模表示方法在数字矿山虚拟漫游中的作用，文中对实际数字矿山地面场景做结构化分层实验。应用虚拟现实建模语言VRML和Java编程，将本文提出的结构化分层方法和动态权系数算法应用于三维数字矿山动态场景的LOD处理，并分析实验结果。

3.1 数字矿山场景结构化分层

假设矿山场景当前视点在V下，按照本文提出的结构化分层原理，对场景进行结构化分层。在场景动态变化即视点V移动过程中，视点会进入某一个结构块内，此时按照第一节方法继续进行结构化分层。结构化分层之后，以结构块场景为单位，建立LOD模型。动态场景中，按照第二节算法的计算结果调用相应的层次模型。

如果用VRML中自带的LOD节点对数字矿山场景进行细节层次处理，则需要为场景中每一个物体的LOD节点设计程序。与结构化分层相比较，LOD节点设计程序会较大。随着场景复杂度的增加，需设计的LOD节点成线性增长。而结构化分层思想按照视觉空间位置信息，把矿山场景分成图1或是图2的结构化形式，按照图2简化结构化分层，将左上部分物体归入w1，左下部分物体归入w3，右上部分物体归入w2,右下部分物体归入w4，完成结构化分层工作，最后结果如图3,图4和图5所示的效果。

图3 数字矿山结构化分层场景1

图4 数字矿山结构化分层场景2

图5 数字矿山结构化分层场景3

3.2 结果分析

在图3，图4，图5所示数字矿山场景基础上，进行基于第二节动态权系数算法的动画设计，经过实验结果的文件比较见表1，表2，表3所示。按照自左向右、自上而下的顺序对结构块进行编号，3个表格依次列出各结构块和总场景采用结构化分层原理与未采用结构化分层原理的程序文件大小。

表1 场景1文件大小比较Tab.1 Comparison of the scene 1 file size 字节

表2 场景2文件大小比较Tab.2 Comparison of the scene 2 file size 字节

表3 场景3文件大小比较Tab.3 Comparison of the scene 3 file size 字节

通过表1，表2，表3的数据比较可以看出，本文提出的结构化分层LOD方法能够有效减小VRML文件。w1文件平均减少10%，w2文件平均减少4%，w3文件平均减少6%，w4文件平均减少4%，m文件减少8%。结构块包含物体越多，文件减少就越明显。

表4，表5，表6进一步说明本文所提方法的有效性，分别列出数字矿山场景3倍复杂度时使用结构分层LOD方法的实验结果。

表4 3倍复杂度场景1文件大小比较Tab.4 Comparison of the three times scene 1 file size 字节

表5 3倍复杂度场景2文件大小比较Tab.5 Comparison of the three times scene 2 file size 字节

表6 3倍复杂度场景3文件大小比较Tab.6 Comparison of the three times scene 3 file size 字节

三倍复杂度数字矿山场景中，w1文件平均减少12%，w2文件平均减少8%，w3文件平均减少9%，w4文件平均减少7%，m文件平均减少10%.三倍复杂度场景比原场景减少文件平均多4.8%.可见本文提出的结构分层LOD方法尤其对复杂矿山场景及包含物体较多的结构块效果会更加显著。

实验结果表明，经过动态权系数算法的动画漫游效果基本不影响动画质量。充分表明本文所提出方法的有效性和实用性。

4 结 论

本文以数字矿山漫游为应用背景，在VRML动态场景下，利用结构分层方法对矿山场景进行结构化处理，形成分层结构化的LOD模型。结构化分层方法以简单的方式实现模型组动态LOD表示和矿山场景模型文件的缩减，总结研究内容与实验结果表明

1)本文提出的方法能有效减小程序文件且有较好的动画效果；

2)能有效提高数字矿山漫游的渲染速度；

3)增强了数字矿山漫游的真实感。

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ZHANGDe-feng，ZHOULing.VirtualrealityapplicationtechnologyofVRML[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry，2010.

A method of level modeling for digital mine’s fast roaming

GONG Xing-yu1,CHANG Xin-tan2

(1.CollegeofComputerScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Aiming at the problem of the rendering speed in digital mine and in order to improve the rate of level of detail modeling in Digital Mine roaming，a new fast LOD method based on structure level modeling is proposed using the view-depend of model in roaming scene to organize the level of detail.First，organize and manage mine roaming three-dimensional scene effectively using structure level to reduce the total digital mine scene file.Secondly，using the proposed algorithm of dynamic weight coefficient，the dynamic display coefficient of each mine structure block level is calculated.Finally，the 3D scene model of digital mine in dynamic changes can be constructed by a simple and fast way to realize the virtual roaming in structure block level.Experimental results show that this method can effectively reduce the program file，and achieve fast roaming for 3D scene of digital mine.

virtual reality；digital mine；rendering optimization；scene management；view-depend

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0119

1672-9315(2015)01-0110-05

2014-10-20责任编辑:高 佳

陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2012JQ8035)；陕西省教育厅科研计划项目资助(2013JK0870)

龚星宇(1982-)，男，宁夏平罗人，博士研究生，讲师，E-mail:gxyonline@gmail.com

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