虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高架庫仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高架庫仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用    論文導(dǎo)讀：本文主要是探討虛擬現(xiàn)實軟件Multigen Creator（以下簡稱Creator）在高架庫場景建模的中的應(yīng)用。采用LOD（Level of Detail）節(jié)點技術(shù)使創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)化、修改和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫更容易。采用DOF（Degree of Freedom）節(jié)點技術(shù)以實現(xiàn)后期的人機(jī)交互。高架庫組成元素的多樣性決定了其三維模型的復(fù)雜程度非常高。 關(guān)鍵詞：三維模型，Creator，LOD，DOF    1 引言 虛擬現(xiàn)實（virtual reality，簡稱VR）是2

2、0世紀(jì)80 年代末90 年代初崛起的一種實用技 術(shù)，它以構(gòu)想性(Imagination)、交互性(Interaction)、沉浸性（Immersion）三大特點為用戶 提供臨場感。場景建模是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最重要的表現(xiàn)形式之一，它匯集了計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等多項關(guān)鍵性技術(shù)。場景建模用計算機(jī)軟、硬件對事物進(jìn)行模擬，這種模擬要創(chuàng)造一個由三維數(shù)據(jù)信息所構(gòu)成的可操控的空間。其最重要的目標(biāo)是真實體驗和后期的方便自然的人機(jī)交互。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景與科學(xué)價值已引起了人們的廣泛關(guān)注，特別是在軍事、教育訓(xùn)練、工程技術(shù)、建筑工程、醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。 高架庫仿真系統(tǒng)可以作為部隊倉庫管理人員的訓(xùn)練

3、系統(tǒng)，本文主要是探討虛擬現(xiàn)實軟件Multigen Creator（以下簡稱Creator）在高架庫場景建模（如圖1所示）的中的應(yīng)用。 2 Creator簡介 Creator是美國MultiGen-Paradigm公司推出的一種建模軟件系統(tǒng)，專門創(chuàng)建用于視景仿真的實時三維模型。它性能優(yōu)越、系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性好，具有其它建模軟件無法比擬的優(yōu)點，在可視化仿真領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如圖2所示。它具有強(qiáng)大的建模功能，可為眾多的不同圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具；同時，它提供更靈活的Open Flight格式，該格式成為三維建模領(lǐng)域中流行的圖像生成格式，并成為仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Creator的特點主要體現(xiàn)在如

4、下幾個方面： （1）具有多種視圖結(jié)構(gòu)與開發(fā)工具，有類似于AutoCAD以及3Dmax的菜單及視圖架構(gòu)，使用方便。 （2）數(shù)據(jù)存儲層次結(jié)構(gòu)清晰，便于快速建模與維護(hù)。作為一種層次性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Creator使用幾何層次結(jié)構(gòu)和屬性來描述三維物體，可以對幾何層的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接操作。 （3）采用LOD（Level of Detail）節(jié)點技術(shù)使創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)化、修改和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫更容易，數(shù)據(jù)處理更加合理，高效，非常適用于大型的視景仿真建模。LOD是Creator數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)之一，它根據(jù)觀察視點的位置，來確定模型的精細(xì)程度，距離視點近的模型精細(xì)度高，而距離視點遠(yuǎn)的模型精細(xì)度低。 （4）采用DOF（Deg

5、ree of Freedom）節(jié)點技術(shù)以實現(xiàn)后期的人機(jī)交互。DOF技術(shù)也是Creator數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)之一，它是通過為動態(tài)模型設(shè)置一個DOF父節(jié)點，然后，在Vega（視景驅(qū)動軟件）中通過控制DOF節(jié)點來控制其子節(jié)點（該動態(tài)模型）在虛擬場景中運動。 另外，Creator完成三維建模與傳統(tǒng)的AutoCAD、3Dmax建模方法有很大的不同，Creator更多的考慮系統(tǒng)運行的實時性，它采用紋理、光照等技術(shù)來提高逼真度，減小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)冗余性，使存儲格式更精煉，滿足觀眾和仿真之間的動態(tài)交互。 3 場景建模 高架庫場景建模的流程圖如圖3所示。 （1）模型設(shè)計 高架庫需要建立的場景三維模型劃分為兩大部分：靜

6、態(tài)模型和動態(tài)模型。論文發(fā)表。靜態(tài)模型主要包括：庫房、控制臺、高架、軌道等。動態(tài)模型主要包括：分揀帶、RGV車、傳送帶、垛機(jī)、轉(zhuǎn)向車、戰(zhàn)儲箱等。另外，還需要掌握整個倉庫的物體的布局以及哪些物體的表面需要使用貼圖以增加逼真度。對于需要實時交互控制的物體要重點考慮，比如垛機(jī)、控制屏，其中控制屏內(nèi)的每一個按鈕都需要建模，這是因為實時交互時需要操縱它來控制垛機(jī)的運動。 （2）實物數(shù)據(jù)收集 實地考察高架庫，采集實物屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)：通過測量獲得庫房、內(nèi)部設(shè)備的尺寸和位置坐標(biāo)等屬性數(shù)據(jù)，通過拍攝獲得實物的真實紋理數(shù)據(jù)和參數(shù)。需要說明的是，根據(jù)模型設(shè)計所述，對于具有比較復(fù)雜的表面或者無足輕重、可使用貼圖建模

7、的物體，比如控制臺的計算機(jī)屏幕、地面紋理、戰(zhàn)儲箱的表面迷彩，需要拍下其表面的圖像，處理后用于最后的紋理建模。拍攝時盡量正面拍，不要開閃光燈，因為閃光燈所造成的光斑可能會和虛擬環(huán)境及所設(shè)燈光不符。 （3）實物建模 建模的關(guān)鍵技術(shù)是坐標(biāo)系的各種變換，這是使用Creator進(jìn)行建模的基礎(chǔ)。建模的一般方法是：首先，利用所獲得的屬性數(shù)據(jù)在Creator中分別建立各實物的模型，然后，把它們集成到場景中。下面僅對高架庫建模的特點及其方法介紹如下： 高架庫組成元素的多樣性決定了其三維模型的復(fù)雜程度非常高，其數(shù)據(jù)庫的面片數(shù)量很大，要驅(qū)動這么大的場景，計算機(jī)要顯示的面片數(shù)是很多的，為了能夠節(jié)省系統(tǒng)資源，可以將一些

8、離瀏覽者比較遠(yuǎn)的模型進(jìn)行一些顯示上的細(xì)節(jié)調(diào)整，這就需要用到LOD節(jié)點技術(shù)。通過LOD節(jié)點我們可以將高架、戰(zhàn)儲箱、傳送帶的轉(zhuǎn)軸（它們占了整個數(shù)據(jù)庫的50%）進(jìn)行一些細(xì)節(jié)顯示的控制，讓它們在離瀏覽者不同的距離時顯示不同精度的模型。 以戰(zhàn)儲箱為例，當(dāng)距離很近時應(yīng)顯示最高精度的細(xì)節(jié)，比如，這時因為需要打開它的門取放器材，所以它的門要顯示出來；距離稍遠(yuǎn)時，只能看到其外表，所以可以把門所在面上的所有面片合并為一個面片；當(dāng)距離再遠(yuǎn)些，其頂部的面片可以去掉，漫游到倉庫庫房外時，則不再顯示該戰(zhàn)儲箱。那么，可以使用LOD技術(shù)實現(xiàn)這三個細(xì)節(jié)層次，具體設(shè)置步驟如下： 首先，在數(shù)據(jù)庫中該戰(zhàn)儲箱DOF節(jié)點（其名稱為4_1

9、_2）下創(chuàng)建三個LOD節(jié)點，分別為：LOD_1作為最近距離節(jié)點，LOD_2作為中距離節(jié)點，LOD_3作為遠(yuǎn)距離節(jié)點，如圖4所示。LOD的有效距離范圍是SwitchOut-Switch In，Switch Out表示模型距離瀏覽者的最近距離，SwitchIn表示模型距離瀏覽者的最遠(yuǎn)距離，在圖4中，它們的有效距離分別為0-50米、50米-80米、80米-200米。當(dāng)距離超出200米時就看不到它了，因為場景不再渲染它了，這就加快了漫游的速度。 然后，根據(jù)距離越近精度越高的原則設(shè)置三個LOD節(jié)點下的戰(zhàn)儲箱模型的細(xì)節(jié)。 最后，需要在視景仿真軟件中調(diào)用該文件，以查看該戰(zhàn)儲箱的細(xì)節(jié)控制的效果，然后適當(dāng)調(diào)整各

10、LOD節(jié)點的SwitchOut和Switch In參數(shù)值即可。 高架庫需要創(chuàng)建的動態(tài)模型數(shù)量很多，如果在Vega中通過為這些設(shè)備（包括設(shè)備上局部的動態(tài)構(gòu)件）設(shè)置不同的Player（Vega中可被驅(qū)動的對象），那么任務(wù)量太大，而且不便于人機(jī)交互以及模型之間的關(guān)聯(lián)動作的設(shè)置。Creator的DOF節(jié)點技術(shù)可以很好的解決這個問題。論文發(fā)表。下面以垛機(jī)（如圖5所示）為例說明DOF的設(shè)置方法。 垛機(jī)需要動態(tài)控制的部分包括：垛機(jī)、載物平臺、叉桿（包括低、中、高三組，作用是從高架上取送戰(zhàn)儲箱等）。它們之間的關(guān)系是“父子”關(guān)系，“父”帶著“子”一起運動，“子”的運動不影響“父”的運動。所以，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建DO

11、F節(jié)點的時候，需要按照它們之間的“父子”順序，自上而下建立5個DOF節(jié)點，名稱分別為duoji、pingtai、cha_down、cha_middle、cha_up，然后把垛機(jī)、載物平臺、低叉桿、中叉桿、高叉桿的模型分別設(shè)置為這五個DOF節(jié)點的子節(jié)點即可，如圖6所示。這樣，在視景仿真軟件（比如Vega）中就可以通過DOF節(jié)點來分別控制垛機(jī)、載物平臺、低叉桿、中叉桿、高叉桿等模型的運動了。 （4）編輯紋理 由于高架庫模型數(shù)量很大，需要使用大量的貼圖，所以在編輯紋理時，一定要用圖形處理軟件將圖像處理得盡可能最小，以圖像不失真為準(zhǔn)。否則，圖像太大會消耗掉大量的顯存，影響實時渲染的速度。 對紋理貼圖寬

12、高比只要求和所應(yīng)用的面相同或大致相同的圖像來說，只要把它的寬高比、明亮度、色調(diào)等稍作調(diào)整就可以了，如戰(zhàn)儲箱的貼圖處理。 圖形格式要和后期使用的實時場景仿真軟件所支持的格式相符，比如Vega 支持的紋理的格式有RGB、RGBA、INT、INTA、BMP、JPG。 （5）紋理建模 紋理建模就是把編輯好的真實場景的紋理貼圖應(yīng)用到相應(yīng)的模型上，所有使用的貼圖都放在貼圖庫里進(jìn)行統(tǒng)一管理。圖7所示是將編輯好的戰(zhàn)儲箱的正面紋理作為貼圖應(yīng)用到它的模型表面。論文發(fā)表。 最后，導(dǎo)出為.flt文件。 4 結(jié)束語 本文以基于Creator建模工具進(jìn)行高架庫的場景建模的實踐經(jīng)驗，說明了Creator在創(chuàng)建用于視景仿真的實時三維模型方面，具有其他建模軟件沒有的強(qiáng)大優(yōu)勢，非常適合像高架庫一樣海量數(shù)據(jù)的大場景的建模。另外，本