基于Multigen,Creator/Vega,Prime的图书馆漫游系统初探
时间：2020-04-06 05:16:58 来源：千叶帆 本文已影响人
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摘要：虚拟现实技术应用日益广泛，它是一种门集思维科学和计算机技术的跨学科技术。系统研究了基于虚拟现实技术的图书馆漫游系统的关键技术。以天津天狮学院图书馆为例，利用Multigen Creator进行实景建模，完成虚拟场景的构造过程，采用VC++6.0开发平台结合Vega Prime1.2开发漫游系统进行系统的仿真驱动，结合多种图像处理技术、纹理映射技术和碰撞检测技术实现了图书馆场景的虚拟漫游，为后续学院漫游系统的开发奠定基础。
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.
关键词：虚拟现实;MultigenCreator;Vega Prime;图书馆;漫游系统
Key words： virtual reality;Multigen Creator;Vega Prime;library;roaming system
中图分类号：TP311.5;G250 文獻标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）17-0266-03
0 引言
虚拟漫游系统是基于现实生活的真实存在或者仿真某种对象（构想）的虚拟空间。它是集成了听觉、视觉及触觉为一体的具有一定范围的虚拟环境，体验者可根据任意选定的路线进行虚拟环境的漫游，另外，针对于环境中的虚拟对象可进行任意角度的三维观察，并且可以进行一定程度的动作规划和操作，让用户可以有身临其境的感觉，并且满足的其特定的功能要求。我国一些城市和高校已经采用虚拟现实技术建立了虚拟漫游系统，国内主要应用3D建模，本系统采用Multigen Creator进行建模，其界面操作简单且易于学习。由于虚拟漫游系统的开发过程涉及到多种素材、模型和技术，尤其是建模时间要求较长，所以，本系统以天津天狮学院图书馆为例进行漫游系统的部分开发尝试，探索开发模式、框架和技术路线，为后续学院的漫游系统开发奠定了基础。
1 主要的研究内容
任何一个虚拟漫游的系统主要涉及漫游引擎和场景对象的建模两个部分。系统构建的过程综合运用多种技术，主要包括素材的采集和处理，模型的构建和定位，程序驱动实现系统漫游。
1.1 原始素材的处理
各种数据和图片是系统开发的基础，图片包括CAD图纸、各个建筑物的数据和不同的纹理照片。因为通过Multigen Creator设计和开发的模型仅接收RGBA或者RGB格式的图片类型，为了避免模型纹理在漫游时发生变形，图片的大小均设置为2的整数次幂。将这些素材应用Photoshop按照相应的格式进行处理，用于生成地形框架和建筑物不同部位的纹理。
1.2 系统建模
本系统采用Multigen Creator进行建模，包括地形模型、建筑模型、环境模型、装饰物模型，并依据系统漫游要求引入LOD技术优化模型，采用纹理映射技术完成纹理贴图并导出.Flt模型文件。
1.3 系统漫游和碰撞检测
结合导入的模型文件进行系统功能和界面的开发。采用漫游引擎技术和碰撞检测技术等研究手动漫游、自动漫游、导航查询、建筑信息查询等相应功能。
系统的主要开发流程如图1所示。
2 系统建模及模型优化
MultiGen Creator是主要用于模拟仿真的建模软件，具有精简直观的可视化开发环境和非常强大的交互开发能力。MC（MultiGen Creator）中景观的描述数据库格式为OpenFlight，可以通知图像的生成器实时并且精确可靠的进行三维景观的渲染。将得到的CAD图纸进行整理，分层导出平面图、建筑轮廓图、道路图、植被分布图等，并将其导入Multigen Creator做出基本地形，之后进行模型的构建，建模过程需要考虑以下几方面。
①分析场景中的对象，在创建立体模型时通常需要针对场景进行对象分类，根据涉及的真实场景，划分出了公共资源区、教学区、活动区及其他（地面树木等小物品）。
②建模时避免产生模型碎片，降低精细度。建立系统模型数据库的时候，通过去除模型对象被遮盖的内侧、背部等部分的多边形，可以有效的减少系统模型的大小以及绘制的时间;使用双面渲染功能来减少多边形;在保证模型质量的前提下，尽量将模型的Interpolation选项中的steps属性值控制在3以下就可以满足模型精度的要求，因为steps的值若是过高可能会增加后期模型的片面的数量;MC（Multigen Creator）可以通过将位于同一水平面相邻的三角行进行合并来减少模型中三角形的面片数量。
③使用纹理贴图。通过使用纹理从视觉上丰富和提高细节模型。通过前期收集的照片处理为特定的格式后，可以使用3点、4点、放射、球面和环境贴图等方式进行贴图。
图书馆部分模型如图2所示。
④多细节的层级（LOD）模型优化。多细节的层级模型（LOD）技术，即根据视点的远近采用不同的精细度模型调用。即场景用户的观察点离对象越近时，就调用细节程度高的模型体，而当其观测点离对象较远的时候，可调用较低层级的细节版本的模型。在确定系统多边形预算不超的情况下，通过LOD可以有效提高漫游系統的的绘制效率和系统的运行效果。对于特定的漫游系统，针对主要的建筑可建立不同的细节度模型，通过不同的观察点和距离调用不同的模型，可以提升漫游系统的测试和运行效率。
分析系统中主要建摸区域包括地形、建筑物、景观对象等，不同的模型对象对于建摸过程中的要求和注意事项不尽相同。在建立特定建筑物的模型之前应该先作好定位，通过CAD将地形图进行处理后导入到MC（Multigen Creator）中，做好地形建模，依据校区的地形和建筑物的位置将地形分为不同的区域，同时设置各个区域中的景物以及相关的特征值，比如在构建道路的时候可以将真实的道路名进行标注，这样在后期漫游时可以从中获取有效的路径信息，方便后期导航路径的生成;针对具体的建筑物建模可根据漫游系统的要求创建不同的模型，依据不同模型的特点选择适当的建模方法，比如，若要创建规则的二维几何面可以采用多边形的方法，相反的要建立比较复杂的曲面几何物体可应用NURBS或面片法实现，另外，对于室外建筑可以采用面的纹理拼贴方法进行简单建模，而对漫游时室内的物体应采用复杂几何体完成;系统中花草、运动器械及树木等景观对象根据漫游时的逼真度的要求可以采用分级建模，但不局限于LOD，比如较近的树木采用多边形进行模拟，而略远处的对象应用简单的十字相叉面来实现，系统在漫游时根据视点实时的调用相应对象的简单模型替换复杂的模型并删掉视点看不见的面片以提升系统的效果。
⑤多细节层级模型的生成。LOD技术可以通过建筑物精细度的整体控制，亦可以针对相同对象的不同位置应用不同的细节模型进行控制。LOD模型等级较低的模型常用于表示物体距离视点较远或物体较小的时候，而比较精细的模型通常用于描述物体较大或者物体距离比较近的时候。对系统中运动的对象可用相似的方法进行处理，对运动中的物体或运动较快的物体用较粗糙的模型，静止的物体则用比较细致的模型进行绘制。系统中模型的精细度包括盒装、面片、十字、三角及复杂三维模型等几种样式，根据视点和漫游的路线采用和绘制不同级别的模型。
3 系统漫游的相关技术
3.1 360度全景
360度全景是虚拟环境的一种表现方式，用户可以有进入场景的真实感受。360度全景（全景图）是利用专业相机拍摄出来的基于鱼眼技术的照片，观察者从每个角度观察，都能够获取直观的立体感。全景图模型一般有立方体、圆柱体和球体三种。虚拟的全景图生成流程图如图3所示。
3.2 交互漫游
用户在漫游系统中可以任意的变更漫游的视角、方向及速度等参数，控制系统的输入设备常见的有鼠标和键盘。通过鼠标可以进行左右、旋转及仰俯等方向和视角的控制操作，而键盘可控制前进、后退及速度的快慢。
①鼠标和键盘的捕获。系统通过鼠标及键盘来捕获用户的相应操作。系统的键盘的控制动作由按键或者按键组合实现，依据用户的按键控制场景的变换，鼠标在系统中提供定点功能，如查询场景中的特定物体的信息，OpenGL中提供了键盘和鼠标捕获函数，可由系统程序进行调取应用。
②系统的漫游控制。系统选取A、F、D、F、S、W、E、Q等按键，实现旋转、向左、向右、向后、向前、向下、向上等功能，当体验者的操作不同时，场景中的对象即要根据要求进行场景的重绘。常用的方法有改变场景中物体的坐标和视点变换两种，其中，若坐标变化则会导致场景中全部对象的坐标进行变换并重新绘制，但是多次进行变换则会发生误差的积累现象，有可能导致场景畸变。本系统采用改变用户的视点来重新进行场景的绘制。
用户在进行系统漫游时，站着的方向应该一直向上。通过获取键盘及鼠标操作并调用功能函数实现场景重新绘制。通过相关的键盘操作或鼠标的位移量（预先定义变量和调整移动的速度）可以计算出参考点与视点的差值，随后通过调用gluLookAt（）自动绘制相应的特定场景。OpenGL提供的视点变换的函数gluLookAt（）封装了一整套选择和平移命令，由参考点、眼睛的位置及向上矢量导出场景矩阵，将观察点设定在原点，而目标点则映射到Z轴（负）。使用投影矩阵将向上的矢量映射到Y坐标轴，而场景中的模型映射到可视区的中心位置。
③碰撞检测。通过判断场景中几种典型物体的形状，系统采用了5种碰撞检测。包括点和矩形、矩形与矩形、点和圆、圆和圆、圆形和三角形。碰撞检测针对于平缓的山坡斜面和楼梯的竖面等情况是可以检测到的，导致漫游者无法前进。但是生活中这种类型的面片不会阻止人的，因此检测到这种面的时候，系统应做出正确的判断和适当的处理，让漫游能继续前行，解决的方法是给这类实体设置一个相同的属性和值，若检测时与这些实体发生碰撞时，则应对其进行特殊的处理。
4 系统验证
将建模的相关理论和虚拟漫游等技术应用在天津天狮学院的图书馆漫游系统中，经验证系统能够满足用户对虚拟场景的游览需要，并具有较强的交互性和较好的沉浸感。系统建模时，应用多种方法进行了模型的优化，确保了模型逼真度，保证了系统运行效率;对漫游采用了碰撞检测，有效的解决了穿墙而过的问题。为后期学院的漫游系统的开发奠定了基础。
参考文献：
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作者简介：孙建伟（1987-），男，内蒙古通辽人，助理馆员，学士学位，研究方向为图书馆学。
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