高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)三維仿真場景優(yōu)化方法研究

張 威，榮 佳

（1.呼和浩特鐵路局 科研所，呼和浩特 010020；2.呼和浩特鐵路局 呼和電務(wù)段，呼和浩特 010050）

高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)三維仿真場景優(yōu)化方法研究

張 威1，榮 佳2

（1.呼和浩特鐵路局 科研所，呼和浩特 010020；2.呼和浩特鐵路局 呼和電務(wù)段，呼和浩特 010050）

通過仿真高速鐵路車站和電務(wù)設(shè)備的建模實(shí)例，提出了在鐵路局域網(wǎng)等類似低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過運(yùn)用模型優(yōu)化、模型與圖型的混用、燈光的設(shè)置、紋理貼圖的使用、視角控制等方面的技術(shù)建立復(fù)雜實(shí)際設(shè)備時的具體思路和方法，并探討了在大場景環(huán)境中采用的表現(xiàn)手法。為虛擬現(xiàn)實(shí)平臺的搭建過程提供了清晰有效的建模思路及優(yōu)化方法。

高速鐵路；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維模型；場景優(yōu)化

隨著鐵道信號仿真演練培訓(xùn)系統(tǒng)的大面積普及和應(yīng)用，構(gòu)建覆蓋全路的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，必須依托鐵路內(nèi)部已有的廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，應(yīng)用P2P技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。現(xiàn)存的最大問題是由于使用三維場景表現(xiàn)事物，數(shù)據(jù)體積較大，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸對帶寬要求高,因此必須解決鐵路局域網(wǎng)帶寬低、接入方式多、不穩(wěn)定等問題，同時考慮低端客戶機(jī)在顯示三維場景時的執(zhí)行能力。在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)的前提下有兩種解決方法：（1）使用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用多線程，預(yù)先加載數(shù)據(jù)、多點(diǎn)吸取數(shù)據(jù)的辦法提高數(shù)據(jù)傳輸效率；（2）優(yōu)化三維場景中的模型數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下縮小數(shù)據(jù)體積。第1種方法僅可解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，第2種方法既能減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，又可減低客戶機(jī)的硬件配置要求。本文以建立高速鐵路車站和電務(wù)相關(guān)設(shè)備為例，重點(diǎn)研究第2種，即三維場景的建立和優(yōu)化方法。

1 三維場景優(yōu)化流程

優(yōu)化的目標(biāo)是縮小場景整體文件體積，減輕帶寬壓力和硬件運(yùn)行時的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和畫面顯示速度。優(yōu)化技術(shù)在構(gòu)建高速鐵路各類場景時是貫穿始終的重要過程，步驟如下。

1.1 層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1） 通過分析三維場景的作用，根據(jù)位置、組合連接關(guān)系、用途等指標(biāo)對場景及模型進(jìn)行分類，建立符合現(xiàn)場實(shí)際情況的層次結(jié)構(gòu)，提高場景真實(shí)度。

（2）在上述基礎(chǔ)上，遵照調(diào)整層次建模的規(guī)則方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

1.2 紋理優(yōu)化

對現(xiàn)場采集得到的圖像或視頻截圖進(jìn)行基本加工處理，根據(jù)不同模型尺度的要求進(jìn)行分類處理，例如：對紋理顏色、紋理像素進(jìn)行修改或者將多個圖像進(jìn)行紋理拼接組成新的紋理等。

1.3 模型優(yōu)化

對于三維模型必須消除冗余多邊形簡化模型面數(shù)，同時運(yùn)用紋理映射代替部分模型、使用實(shí)例化和LOD(Level Of Detail, 細(xì)節(jié)層次)等技術(shù)降低場景中模型實(shí)際數(shù)量。

1.4 場景優(yōu)化

通過使用紋理映射、實(shí)例化、LOD以及外部引用等技術(shù)對完整的虛擬場景進(jìn)行綜合性優(yōu)化，在保證視覺效果的前提下，最大化地降低場景模型數(shù)量。

2 高鐵車站及設(shè)備建模優(yōu)化方法的研究

2.1 明確數(shù)據(jù)組織需求

分析項(xiàng)目需求，明確設(shè)備需要檢修的位置，零部件，電壓電流測試方法，端子等情況，計(jì)劃建模數(shù)據(jù)類型與程度，總結(jié)分析結(jié)果，提出模型面數(shù)最優(yōu)化的建模方案。高速鐵路車站作為最大的環(huán)境場景，不但要求具備天空、線路、站臺、房屋、列車等主要模型元素，還需對一些應(yīng)該具備交互功能的設(shè)備建立起三維數(shù)據(jù)的可視化模型，能對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如道岔、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道變壓器箱盒等。

2.2 建立空間位置的場景坐標(biāo)系

三維模型在場景中一定是參照某一坐標(biāo)系放置的，在虛擬高速鐵路車站大場景中以鋼軌為基準(zhǔn)建立整個場景的世界坐標(biāo)系，確定鋼軌位置以及列車上、下行運(yùn)行方向后，確定站臺、房屋位置，每一個物體都定義其局部坐標(biāo)系，分別在局部坐標(biāo)系中完成物體的創(chuàng)建后，將模型置入完整的場景中，進(jìn)一步確定各個模型之間的相互位置。定義正確的坐標(biāo)系在構(gòu)造場景和后續(xù)定義模型動作屬性的過程中可以為表示模型和設(shè)計(jì)動作提供位置參照基礎(chǔ)。

2.3 選擇模型尺度

虛擬高速鐵路車站所包含的模型種類、數(shù)量與場景精度均與采用的尺度息息相關(guān)。尺度一般是指觀察研究的物體或過程的空間分辨度和時間單位。尺度的變化會影響信息被觀察、表達(dá)、分析和傳輸?shù)脑敿?xì)程度[1]。

根據(jù)場景表現(xiàn)的需要，按照高鐵車站可控視角劃分為3個級別的尺度。

（1）設(shè)備內(nèi)部尺度：應(yīng)用于具體某一設(shè)備的內(nèi)部動作原理、設(shè)備檢修調(diào)整、設(shè)備故障處理等場景，表現(xiàn)齒輪、螺絲、接線端子等微觀設(shè)備元器件。

（2）設(shè)備集中區(qū)尺度：應(yīng)用于某個區(qū)域內(nèi)多臺設(shè)備聯(lián)合工作時的外部動作原理、設(shè)備檢修調(diào)整、設(shè)備故障處理等場景，表現(xiàn)設(shè)備外殼、鋼軌道床以及各設(shè)備之間的連接關(guān)系。

（3）車站全景尺度：應(yīng)用于全景漫游場景以及切換其他視角尺度時的過渡場景，表現(xiàn)地表、列車、站臺、房屋等物體。

2.4 構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)及組合連接關(guān)系

通常大型虛擬場景采用的都是有層次的模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分層定義之后，便可以開始對場景實(shí)施組織管理，將需要建立的模型根據(jù)類型、用途、位置分別建模，確立建模目標(biāo)和建模流程，從而有效地縮短建模時間。

元器件之間通過組合關(guān)系建模可以構(gòu)成各種組合連接關(guān)系。這些關(guān)系可以使模型的某些部件實(shí)現(xiàn)共同移動、旋轉(zhuǎn)、形變等動作、同時為后續(xù)定義模型的物理屬性以及運(yùn)動屬性提供了基礎(chǔ)支持。常見的的組合關(guān)系主要包括齒輪咬合之間的嚙合面連接、設(shè)備間使用彈簧連接等關(guān)系。

2.5 消除冗余多邊形

在初步建立好的模型中都存在可有可無的幾何元素，不但會增加面數(shù)，而且在旋轉(zhuǎn)觀察模型或執(zhí)行動作時會出現(xiàn)畫面閃爍的現(xiàn)象。在建模過程中存在冗余面幾乎不可避免，冗余元素主要包括點(diǎn)、線、面以及體等，通常均是不可見的。消除冗余的、不可見的多邊形，可以減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高場景實(shí)時運(yùn)行的速度[2]。

三角形是圖形圖像顯示系統(tǒng)中使用最廣泛的圖形描繪元素，研究如何消除冗余多邊形的方法其實(shí)就是研究消除不必要三角形的方法。在構(gòu)建虛擬高鐵車站的過程中主要使用以下兩種方法。

2.5.1 基于聚類操作的三角形網(wǎng)格優(yōu)化

計(jì)算思路是依據(jù)模型的外觀將模型使用的空間劃分成數(shù)個立方體單元，通過對立方體單元中各個頂點(diǎn)位置中典型的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，用典型的點(diǎn)代表屬于相同立方體單元中的其它頂點(diǎn)，最后移去不需要的三角形，如圖1所示。

2.5.2 基于刪除操作的三角形網(wǎng)格優(yōu)化

圖2為頂點(diǎn)刪除網(wǎng)格簡化算法，圖3為三角形刪除網(wǎng)格簡化算法。在此類算法中，被刪除的元素為點(diǎn)、邊和面3類。算法建立在分析頂點(diǎn)，邊以及面片的重要程度的基礎(chǔ)上，將其中不重要的元素刪除，對遺留下的空間重新進(jìn)行三角形化來填補(bǔ)[3]。

圖1 頂點(diǎn)聚類算法示意圖

圖2 頂點(diǎn)刪除網(wǎng)格簡化算法示意圖

圖3 三角形刪除網(wǎng)格簡化算法示意圖

通常場景中的可視角度是有限制的，某些器件始終位于不可見位置，將它們刪除或隱藏對場景完全沒有影響，卻能極大提高場景加載和運(yùn)行的速度。以高速鐵路無碴軌道道岔為例，在制作線路時，鋼軌只有軌面可見，因此，可以將鋼軌軌底和道床部分的模型面刪掉以減低模型面數(shù)，如圖4所示。其余現(xiàn)場設(shè)備均按此方法進(jìn)行了優(yōu)化。

通過消除冗余多變形可以大量降低模型面數(shù)，減小模型文件體積。道床場景的初始面數(shù)為44 872面，經(jīng)優(yōu)化后，面數(shù)降低為32 429面，減少了28%，對應(yīng)的模型文件體積由初始的3.58 M縮小為2.91 M，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

2.6 使用紋理技術(shù)優(yōu)化

在構(gòu)建車站場景模型的過程中，紋理的地位非常重要，極具真實(shí)感的紋理最能反映現(xiàn)實(shí)世界。紋理制作包括建筑物紋理、地表紋理、鋼軌紋理、路基紋理、各類設(shè)備紋理等。

圖4 刪除道床底部不可見模型面

采用現(xiàn)場照片作為紋理貼圖“貼在”模型表面是提高場景真實(shí)程度行之有效的方法，不但可以替代物體表面復(fù)雜的多邊形，還可以在場景中較遠(yuǎn)或不重要的位置代替相關(guān)模型。通過紋理映射優(yōu)化，場景的讀取速度和運(yùn)行實(shí)時渲染速度比單純使用模型的場景要提高很多，而且進(jìn)一步提高了場景真實(shí)程度。建筑物以及轉(zhuǎn)轍機(jī)在車站全景尺度下完全可以使用只有六面的長方形基本體，配以設(shè)備貼圖的方法來顯示，取得良好的視覺效果，如圖5所示。

圖5 使用紋理貼圖優(yōu)化多邊形建模效果示意圖

2.7 使用實(shí)例化技術(shù)優(yōu)化

當(dāng)同一三維場景中存在所處空間位置不同，但基本幾何特征相同的兩個及以上三維模型時，可以只建立其中任意一個模型，然后在任何需要該模型的位置定義一個指向其原始模型的指針，這樣就通知系統(tǒng)在運(yùn)行該場景時在該位置映射一個原始模型，這就是實(shí)例化技術(shù)。其實(shí)引用的實(shí)例并不是系統(tǒng)中真實(shí)存在的模型，而只是一個復(fù)制幾何形狀的位置定義指針。實(shí)例化技術(shù)就好比一個幾何體根據(jù)條件變化可以擁有多個影子，但真實(shí)的本體只有一個，實(shí)例就像是一個模型的眾多影子，而實(shí)際物體只有一個，眾多影子是實(shí)際物體執(zhí)行平移，旋轉(zhuǎn)，縮放操作后得出的。在系統(tǒng)中模型只在內(nèi)存中載入一次，需要應(yīng)用時將其調(diào)用，類似于編程中使用動態(tài)鏈接庫文件內(nèi)的函數(shù)[4]。例如：在圖5中的8臺轉(zhuǎn)轍機(jī)以及周邊樹木等，在未使用實(shí)例化技術(shù)時，場景文件大小為20.714 M，對轉(zhuǎn)轍機(jī)及樹木應(yīng)用實(shí)例化技術(shù)后，文件大小為13.192 M。

2.8 使用LOD技術(shù)優(yōu)化

根據(jù)模型在場景中所處的距離遠(yuǎn)近和重要程度來決定渲染模型所需的資源分配量，即對于不同的模型或模型的不同細(xì)節(jié)采用分層次的顯示表現(xiàn)形式。當(dāng)某一模型距離在遠(yuǎn)端、模型體積較小或在場景中不是主要表現(xiàn)對象時，采用低精度模型予以表現(xiàn)，反之則使用高精度的模型進(jìn)行表現(xiàn)[4]。一個模型在某一場景中是重點(diǎn)表現(xiàn)級別的模型，在另一個場景中則無關(guān)緊要。因此針對同一模型需要滿足不同場景調(diào)用的需要，必須建立不同精度的模型，然后根據(jù)場景需求選擇使用高、中、低3種模型級別。如圖6所示，為ZD(J)9型轉(zhuǎn)轍機(jī)在3種不同場景尺度下抽象模型、粗糙模型以及精細(xì)模型所表現(xiàn)出的不同效果以及各自的實(shí)際面數(shù)。

2.9 使用外部引用技術(shù)優(yōu)化

外部引用技術(shù)的基本思想是將一些在構(gòu)建場景時沒有創(chuàng)建的模型或其他格式文件加入到當(dāng)前實(shí)時運(yùn)行的場景中來，并讓其定位于事先設(shè)計(jì)好的位置，執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)。此技術(shù)的好處顯而易見，例如在車站尺度場景中需要臨時表現(xiàn)某個設(shè)備集中區(qū)尺度場景或設(shè)備內(nèi)部尺度場景時，可以臨時引用所需的場景文件，執(zhí)行場景任務(wù)，在完成交互任務(wù)后只需停止引用文件，則場景恢復(fù)到引用前的狀態(tài)。這樣就避免了重復(fù)建模，同時外部文件只有在引用執(zhí)行時才占用消耗系統(tǒng)資源，停止引用后立即釋放占用的資源。

圖6 3種不同尺度視點(diǎn)下的3套模型質(zhì)量對比圖

3 結(jié)束語

構(gòu)建虛擬高速鐵路車站和電務(wù)設(shè)備的過程中，使用3DMAX建模軟件，經(jīng)過上述步驟的優(yōu)化過程，有效的減小了文件體積，在使用模型過程中提高了加載速度，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，降低了運(yùn)行硬件的配置要求，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化目的，同時為今后類似問題提供了解決思路和優(yōu)化方法。

[1] 吳 凡.地理空間數(shù)據(jù)的多尺度處理與表示研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2002：11-12.

[2] Algorri M.,Schmitt F..Mesh simplifieation[J].Computer Graphics Forum,1996,15(3): 77-86.

[3] 周 昆,潘志庚,石教英.一種新的基于頂點(diǎn)聚類的網(wǎng)格簡化算法[J].自動化學(xué)報，1999，25（1）1-8.

[4] 洪 光,李洪儒,牟建國.基于Creator的三維模型的簡化[J].計(jì)算機(jī)仿真，2004，21（1）：57-58.

責(zé)任編輯 徐侃春

Optimization method of virtual reality 3D scene simulation for high-speed railway

ZHANG Wei1, RONG Jia2
( 1. Institute of Scientific Research, Hohhot Railway Administration, Hohhot 010020, China; 2. Depot of Signal & Communication, Hohhot Railway Administration, Hohhot 010050, China )

Through modeling example of simulation station and electrical equipment for high-speed railway, the article proposed the specifc ideals and methods for setting up practical and complex equipment by using the techniques of optimization model, mix model and graphics, lighting set, the use of texture mapping, viewpoint control in a limited bandwidth environment.The technique of expression used in the big environment was also discussed.It provided a clear and effective modeling idea and optimization method for the process of building the virtual reality platform.

high-speed railway; virtual reality; 3D model; scene optimization

U238∶U291∶TP39

A

2015-08-14

張 威，工程師；榮 佳，助理工程師。

1005-8451（2016）03-0042-04