Esperient Creator在三維視景仿真系統中的應用

李海勝，王 清

(鄭州鐵路職業技術學院 軟件學院，河南 鄭州 450052)

2008年，Esperient公司推出了實時(real time)三維視景仿真軟件Esperient Creator3.0(EspCreator).EspCreator以其強大的交互功能廣泛應用于產品展示、培訓、教育與娛樂等領域.目前，EspCreator已被波音、洛克希德·馬丁公司和聯邦技術等全球排名前十的航空與防御公司采用.而在國內，使用EspCreator進行三維視景仿真系統的開發幾乎是一項空白.文章介紹了EspCreator，提出了基于EspCreator開發三維視景仿真系統的技術路線，該路線對使用EspCreator進行三維視景仿真系統的開發具有一定的參考意義.

1 技術路線

基于EspCreator進行三維視景仿真系統的開發，與基于其他開發平臺(如Cult3D，Virtools，Vega/Prime)類似，其流程如圖1所示.

圖1 開發流程圖

1.1 模型優化

三維模型的本質是點、線、面的集合；集合的不同組合構成各種三維模型.在建模過程中，須在保證精度的基礎上減少模型包含的點、線、面的數量，防止場景運行畫面不連貫、停滯的現象發生.這種現象本質上是幀率Frames Per Second(FPS)過低產生的，FPS反映了系統實時渲染所需的時間.FPS<30，畫面會顯得不連續；FPS>60，則可以顯著提高交互感與逼真感.

此外，使用紋理映射將多邊形(墻面、地板、細小復雜物體等)以貼圖的形式展現.這種方式能夠有效減少多邊形個數(特別是細碎多邊形)，模型真實感、質感更強，能夠得到逼真的顯示效果.要注意的是，多邊形個數不是影響幀率的唯一因素.MultiGen Creator提供了三種模型優化策略：Level Of Detail(LOD)技術、紋理技術與實例化技術，能在保證精度的同時有效地優化場景模型[1]208.

1.2 模型導入

模型導入EspCreator過程中，如需保持模型貼圖，則需將模型使用Deep Exploration保存為Right Hemisphere Binary(.rh)格式.但是，.rh格式似乎不能產生最佳的圖形顯示效果[2]792.

EspCreator為場景中的三維模型提供了物理屬性設置選項，用于描述模型的物理特性.EspCreator提供的物理屬性有Object is wall(設置物體為墻，常用于碰撞檢測)、Object is floor or ground(設置物體為地面)、Object is Liquid(設置物體為液體)等；此外，EspCreator還提供了碰撞形狀、靜摩擦力、彈性系數、液體密度等參數精細描述物體的物理特征.剛體的運動受上述參數、環境、重力、場景中其他剛體的影響.

1.3 交互控制

1.3.1 菜單設置交互

國內目前較流行的仿真平臺Cult3D提供了Event Map 窗口進行交互控制設置.通過設置相應的觸發器、對象和動作及其相關參數，建立事件、動作和場景的相互關系，從而進行交互[3]251.同Cult3D的交互模式類似，EspCreator的交互控制主要通過“Object(對象)+ Animation(動畫)”的方式完成.首先選擇對象，為對象添加動畫，設置動畫激活模式、動畫參數即可完成對象的交互控制.

EspCreator中每一個對象均有Properties、Alterations、Overrides、UV Wraps、Animations與Physical六種屬性.而交互控制主要使用Animations屬性.EspCreator為Animations屬性提供了60余種動畫，有Object Transforms(平移，旋轉，縮放)、Color Changes(顏色變化)、real time physics(實時物理)、keyboard and joystick controls等.綜合使用這些動畫可輕松實現背景變換、材質變換、紋理變換、聲音播放、操作提示等功能.對象的Animations屬性可添加不同種類的多個動畫，動畫之間相互獨立或互為激活條件.

EspCreator中動畫的Active(激活模式)有多種，有Immediate(立即)、Triggered(觸發)、Collision(碰撞)、User Pick(拾取)、Pick/Rev Re-Pick(拾取/重置未拾取)Trigger/Reset UnTrig(觸發/重置未觸發)等.根據不同的交互要求，為動畫選擇相應的激活模式.Triggered觸發是某一對象的動畫以其自身或其他對象的Trigger動畫為激活條件，是交互控制的難點.

例如，給對象B(場景對象)添加“Move01”動畫，使其沿X方向移動，而動畫的Active(激活模式)是Trigger/Reset UnTrig即觸發激活；給對象A(按鈕、場景對象等)添加“Trigger Animation01”動畫，激活模式為“User Pick”，Trigger屬性為對象B的“Move01”動畫.運行該場景，鼠標單擊拾取對象A，對象B開始移動，實現交互控制.Trigger觸發的流程，如圖2所示.

圖2 Trigger觸發流程圖

EspCreator提供了一系列標準GUI組件(標簽、按鈕、滾動條等)，使用標準GUI組件可以快速創建交互式界面.設置GUI組件與場景對象動畫的控制關系，實現系統界面與對象的交互控制.

1.3.2 腳本控制交互

EspCreator提供了兩種內置腳本語言Lisp與CScript.文章采用Lisp腳本控制實現了軸承拆裝虛擬實驗系統，如圖3所示.

圖3 軸承拆裝虛擬實驗系統

實驗過程中，須按照提示逐步完成零件的拆卸，才能最終完成實驗；否則，系統提示錯誤對錯誤操作不反應.系統中控制16mm螺釘拆卸的Lisp代碼如下所示：

(if (= luodingPickable 1)

(Progn

(TriggerAnimation "luoding" "Move")

(TriggerAnimation "luoding" "showhide")

(SetObjectOnOff "tipSec" 1)

)

)

1.4 作品發布

.esp是Right Hemisphere交互格式，該格式文件體積小，便于桌面、網絡發布，可通過Esperient Creator Viewer(EspViewer)查看.Esperient Creator Viewer是用于播放.esp文件的獨立程序(EspViewer.exe)，能夠與工程一起發布..exe可脫離EspCreator環境獨立運行，常用于桌面發布，是最常見的發布方式.其實質是將.esp與EspViewer.exe打包一起發布.

.esp文件不僅能由EspViewer播放，還能通過EspViewer的ActiveX控件播放，由此可將場景嵌入到網頁中，實現網絡發布.EspCreator作品網絡發布需.esp文件與HTML代碼.將EspCreator“Create HTML Code for ActiveX”菜單生成的HTML代碼嵌入到.htm文件中即可將場景嵌入到網頁內(.esp文件與.htm文件需位于同一目錄下)；并且可通過JavaScript實現頁面與EspViewer ActiveX控件之間的通信(鼠標在頁面上單擊、釋放時，JavaScript通過SendAPICommand函數向EspViewer ActiveX控件傳遞Lisp/CScript命令，EspViewer ActiveX控件接收命令，執行相關動作).

2 實驗結果

按上述流程設計實現了虛擬車間三維視景仿真系統，如圖4所示.通過鼠標拖拽(左鍵旋轉，右鍵縮放，中鍵平移)或鍵盤控制第一人稱視角從任意角度觀察模型；單擊菜單按鈕，鏡頭聚焦場景中對象(設定好觀察角度，添加相機，給相應菜單添加“View Camera Match”動畫即可實現視點切換，無需編程)；單擊機床操作開關，模擬機床操作(伴有操作提示、機器運行音效、語音提示)；從而達到學員訓練目的.該系統交互控制主要通過為對象Animations屬性添加動畫實現.

(a)虛擬車間三維全景

(b)模擬機車

3 結論

文章詳細說明了采用EspCreator創建三維視景仿真系統的技術路線即“建模+模型優化+交互控制”，介紹了建模過程、模型優化策略、模型導入技巧，對交互控制的實現原理、難點進行了詳細分析，最終實現了虛擬車間三維視景仿真系統.實驗證明，采用EspCreator創建三維視景仿真系統具有工作量小、交互性強、場景效果逼真等特點.依靠菜單即可實現復雜的交互控制，便捷的產品發布功能使EspCreator在裝備訓練、虛擬實驗室建設等領域具有廣闊的應用前景.

參考文獻：

[1] 龔 琳．基于Creator/Vega的虛擬海戰視景系統仿真[J]. 測繪科學，2012，37(04)．

[2] Pieter Pauwels，Ronald De Meyer，Jan Van Campenhout．Linking a Game Engine Environment to Architectural Information on the Semantic Web[J]. Journal of Civil Engineering and Architecture，2011，5(9)．

[3] 胡林嵐，包崢嶸．基于Cult3D的機械創新虛擬實驗項目研究[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(5).