虛擬現(xiàn)實環(huán)境中計算機圖形場景實現(xiàn)方法研究

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李趙國

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

近幾年，信息產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展使一般民用計算機的性能突飛猛進，VR技術(shù)在各行業(yè)的得到廣泛應(yīng)用。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在園林設(shè)計方面的應(yīng)用

1.運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的意義

園林景觀對于環(huán)境變化的前瞻性和周圍景物的關(guān)聯(lián)性要求很高，因此在動工之前就必須對完工之后的環(huán)境有一個明確的、清晰的概念。通常情況下，設(shè)計者會通過沙盤、三維效果圖、漫游動畫等方式來展示設(shè)計效果，供決策者、設(shè)計者、工程人員以及公眾來理解和感受。以上的傳統(tǒng)展示方式都各有其不同的優(yōu)缺點，但有一個缺點是共同的，即不能以人的視點深入其中，得到全方位的觀察設(shè)計效果，而運用VR技術(shù)則可以很好地做到這一點。使用VR技術(shù)后，決策者、設(shè)計者、工程人員以及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到設(shè)計效果，身臨其境地掌握周圍環(huán)境和理解設(shè)計師的設(shè)計意圖。這是傳統(tǒng)手段所不能達(dá)到的。

2.運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在的瓶頸

計算機創(chuàng)建的三維模型（Model）是由面（Face）組成的，模型的形體越復(fù)雜，所用的面也會越多，對計算機的運算速度要求也就越高。就目前相關(guān)設(shè)計領(lǐng)域來說，VR技術(shù)在城市規(guī)劃及建筑設(shè)計方面的應(yīng)用相對較成熟，這主要是因為建筑多由規(guī)則的形體構(gòu)成，在計算機的模型中所用的面相對較少，實現(xiàn)VR較為容易。而園林景觀中常用的設(shè)計要素，如植物、變化的地形、水體等都是不規(guī)則的形體，用計算機的模型表示會非常復(fù)雜，像一棵樹本身就有成千上萬片樹葉，做成模型后所用到的面能達(dá)到百萬的數(shù)量級，這對于現(xiàn)階段的一般民用計算機來說，實現(xiàn)流暢的VR效果是不可能的。因此VR技術(shù)在園林造景中的應(yīng)用研究仍處于起步階段。

3.目前所能采取的應(yīng)對方法

目前計算機的速度不能滿足完全建模情況下園林景觀的虛擬現(xiàn)實，所以只能使用貼圖（MAP）的方式來模擬其中的植物。使用一張?zhí)幚砗玫臉淠菊掌湍茉赩R中用1個面來表現(xiàn)一棵樹，雖然在真實度方面會有一定的損失，但相對于完全建模所需的上百萬個面來說，這種損失是值得的。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)方法

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的選擇

經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)也派生出多種不同的方法，現(xiàn)在較為流行的有JAVA3D、CUTE3D、VRML等多種實現(xiàn)方法，它們也各有其不同的優(yōu)缺點。而對于大型場景的模擬，VRML較為適合。

VRML（Virtual Reality Modeling L anguage）是一個用于三維造型和渲染的圖形描述語言。用VRML我們可以創(chuàng)造一個能進入、能參與的虛擬世界。VRML2.O的新標(biāo)準(zhǔn)被廣泛地用于Internet上創(chuàng)建虛擬三維空間，可以隨意創(chuàng)建任何虛擬的物體，像建筑物、城市、山脈、飛船、星體等對象，也可以在虛擬空間中添加聲音、動畫，使之更加生動，更接近真實。同時，VRML程序所占的磁盤空間非常小，便于網(wǎng)絡(luò)間的相互傳輸。

VRML本質(zhì)上是一個網(wǎng)絡(luò)語言，像HTML一樣，需要通過編寫程序代碼來實現(xiàn)，這一點也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)難以普及的一個門檻。但目前一些常用的三維圖形制作軟件，如3DSMAX、MAYA等都對VRML提供了一定的支持。

對于園林設(shè)計師來說，3DSMAX是較為常用的建模軟件，而3DSMAX對VRML又有較好的支持，它不僅支持VRML程序的輸出，同時還可以在VRML程序中通過選擇攝像機在三維場景中進行導(dǎo)航設(shè)置，在場景中指定活動控件和感應(yīng)器，豐富了實時瀏覽的內(nèi)容。因此對于熟悉3DSMAX的園林設(shè)計師來說，VRML是一個很好的選擇。

2.基本流程

（1）在3DSMAX中建立三維場景

首先按照設(shè)計方案制作出場景中各要素的模型，并賦上相應(yīng)的材質(zhì)貼圖，然后加上能照亮整個場景的燈光，最后根據(jù)設(shè)定的視域和視高來確定自由攝像機（Free camera）的鏡頭類型和位置。

可見，建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的場景與制作電腦渲染圖場景的過程基本一致，但側(cè)重點有所不同，后者需要的是靜態(tài)圖像的渲染效果，而前者則更關(guān)注實時瀏覽的流暢感和空間感，因此在創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實場景時應(yīng)做到下面幾點：

1）在滿足視覺要求的前提下，盡量減少模型的面數(shù)。模型創(chuàng)建完后使用3DSMAX中的優(yōu)化修改器（Optimize）進行優(yōu)化，能最大限度的減少模型面數(shù)。

2）使用關(guān)聯(lián)復(fù)制（InstancesCopy）。Instance是對象的關(guān)聯(lián)復(fù)制，當(dāng)改變?nèi)魏我粋€關(guān)聯(lián)復(fù)制品的時候，所有其他的復(fù)制品都會改變。在建立虛擬場景時，關(guān)聯(lián)復(fù)制是非常有用的，當(dāng)使用關(guān)聯(lián)復(fù)制的時候，組成關(guān)聯(lián)復(fù)制的對象的面的設(shè)置只在VRML中定義一次。這樣可以使用多次同樣的幾何圖形，但不增加文件的下載時間。

3）對于一些非主要物體，不要過于苛求細(xì)節(jié)，盡可能使用“模擬的”幾何體。比如周圍的建筑可直接采用“幾何體+貼圖”（box+maps）的方式制作。

4）場景中所使用的貼圖不需要很精細(xì)，最好全用jpg格式壓縮，并縮小尺寸，這樣能節(jié)省大量的下載時間。

5）所有使用到的貼圖必須全部放在一個目錄中，因為VRML只能搜索一個指定的貼圖目錄。

6）使用燈光。光線是場景視覺信息與視覺造型的基礎(chǔ)，沒有光線便無法體現(xiàn)物體的形狀、質(zhì)感和透視關(guān)系，這一點和做電腦渲染圖是一樣的。但在VRML中不能使用諸如全局光、反射光、折射光、陰影等光線效果，只能通過普通燈光的布光技巧來彌補。另外，要保證場景中任何一個角落都能被燈光照亮，因為最終瀏覽虛擬現(xiàn)實場景時，任何一個角落都有可能被瀏覽到。

7）使用攝像機。VR場景的瀏覽是通過攝像機來進行的，在3DSMAX中創(chuàng)建自由攝像機（Free camera）來確定視域和視高，不同的視域和視高在實時瀏覽時能給人以不同的感受。在3DSMAX場景中建立的不同攝像機將會由VRML瀏覽器列出，可以供用戶在VR場景中進行選擇性的導(dǎo)航。即使是在瀏覽器中導(dǎo)航非常緩慢的大環(huán)境，也可以通過對一系列的攝像機視圖進行切換來快速選擇性的瀏覽。使用建立的攝像機，展示最佳場景，也就是展示具有不尋常的透視效果，或是展示場景中花費了大量功夫才創(chuàng)建的精細(xì)部分的特寫，如果把它留給客戶去自由導(dǎo)航場景，就無法控制客戶能看到什么效果了。當(dāng)然，也可以只通過一個攝像機導(dǎo)航，讓客戶可以自由在VRML場景中游覽而且無拘無束。

（2）虛擬場景中植物、地形等不規(guī)則要素的制作

1）植物：3DSMAX的透明貼圖（Opacity）是VRML所不支持的，所以不能使用常規(guī)的方法制作植物。應(yīng)該先用圖形處理軟件（如PHOTOSHOP）將樹木照片處理成無背景的GIF格式（可支持網(wǎng)絡(luò)上的透明背景），然后直接作為貼圖賦予一個平面（Plan）。盡管看起來不是很真實，但與給植物建造模型細(xì)節(jié)所付出的代價相比要小得多。

VRML場景的瀏覽是實時互動的，所以僅使用一個面的樹木是不能滿足多角度觀察的。提供兩種方法來解決這個問題：一是用關(guān)聯(lián)復(fù)制將樹木平面復(fù)制一份，然后互相十字交叉，這樣不管在什么角度都能看到完整的樹，但這種情況僅適用于左右對稱的植物；第二個方法是使用攝像機對齊技術(shù)，使樹木的正面始終面對攝像機，但這種方法通過3DSMAX不能直接實現(xiàn)，必須手動修改VRML代碼來實現(xiàn)，這就需要一定的編程基礎(chǔ)。

2）地形：使用3DSMAX中的位移（displace）修改器制作。位移修改器通過對三維物體施加一個灰度圖，使三維物體對應(yīng)圖上亮的地方產(chǎn)生凸起，而亮度的不同會導(dǎo)致凸起的程度不同。因此我們可以將設(shè)計的地形用Photoshop處理成一張灰度圖，然后在3DSMAX中作為位移修改器的貼圖施加到一個平面上，就可以得到我們想要的地形了。

（3）為場景創(chuàng)建互動效果

VR技術(shù)中最令人激動的就是場景的互動性，用3DSMAX可以方便地創(chuàng)建出互動效果，在“創(chuàng)建/幫助物體（Creat/Helpers）”面板下的下拉列表框中選“VRML2.O”，出現(xiàn)一個工具面板，面板上列出了12個VRML輔助工具。其中可用于場景互動的有“錨（Anchor）”、“觸動感應(yīng)器（TouchSensor）”和“范圍感應(yīng)器（ProxSensor）”3個感應(yīng)器工具。Anchor是錨觸發(fā)器，當(dāng)點擊設(shè)置了此觸發(fā)器的物體時，可以使場景切換到另一個預(yù)先指定的URL鏈接（類似網(wǎng)頁文檔的超級鏈接），或是與場景中的指定的另一個攝像機鏈接，類似電影中的鏡頭切換；TouchSensor是一個觸動感應(yīng)器，當(dāng)在場景中用鼠標(biāo)點擊一個指定物體時就會引發(fā)一個預(yù)定義的動作；ProxSensor則是一個范圍感應(yīng)器，只要接近一個指定物體時也會引發(fā)一個預(yù)定義的動作。使用它們就能創(chuàng)建出互動的場景。比如走到一扇門前，門會自動打開；按動按鈕，噴泉就會噴出水花，等等。

（4）輸出VRML文件

在3DSMAX中使用“file”菜單下的“export…”，將導(dǎo)出的格式選為“VRML2.O（＊.WRL）”，文件存放的路徑應(yīng)和貼圖一致，然后注意在彈出的對話框中設(shè)置“Bitmap URL Prefix”，將圖片路徑設(shè)置正確。

（5）虛擬現(xiàn)實的瀏覽

瀏覽虛擬現(xiàn)實的最佳方式是通過頭盔式顯示器或三維眼鏡來感受，但成本較高，故不在本文討論范圍。一種廉價的實現(xiàn)方法就是直接通過WINDOWS操作系統(tǒng)中的IE瀏覽器來瀏覽，首先需要安裝專用的VRML瀏覽器插件，如CORTVRML、CosmoWorlds等都是較為常用的。安裝完成后，直接運行做好的VRML文件就能在瀏覽器中瀏覽了。在瀏覽器中通過鼠標(biāo)或鍵盤控制漫游的方向，如同身臨其境。

四、總結(jié)

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，設(shè)計者置身于一個相對真實的模擬空間，使得場景能夠突破“平面、立面、剖面”的常規(guī)模式，讓設(shè)計者從各個不同的角度直觀地面對設(shè)計對象，更加深入地研究環(huán)境中各設(shè)計要素及空間之間的關(guān)系和比例，設(shè)計出更加完美、更加人性化的作品。

[1]曾芬芳主編.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].上海交通大學(xué)出版社,1997.

[2]黃心淵編著.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,1999.

[3]Heung-Yeung Shum and Li-Wee He.Rendering with Concentric Mosaics.SIGGRAPH’99.

[4]張昀,徐自亮.3D Studio MAX R3(上冊)[M].清華大學(xué)出版社,1999.

[5]3D Studio MAX R3 技術(shù)文檔[Z].Kinetix Company.

[6]鮑虎軍,彭群生.浙江大學(xué)CAD＆CG國家重點實驗室.基于圖像的圖形繪制技術(shù)[Z].技術(shù)專題版專題報道,1998(36).