基于Multigen Creator/Vega Prime的圖書館漫游系統(tǒng)初探

孫建偉 劉漠 岳陽 張小雷 葉楊

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，它是一種門集思維科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的跨學(xué)科技術(shù)。系統(tǒng)研究了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖書館漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。以天津天獅學(xué)院圖書館為例，利用Multigen Creator進(jìn)行實(shí)景建模，完成虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造過程，采用VC++6.0開發(fā)平臺(tái)結(jié)合Vega Prime1.2開發(fā)漫游系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的仿真驅(qū)動(dòng)，結(jié)合多種圖像處理技術(shù)、紋理映射技術(shù)和碰撞檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖書館場(chǎng)景的虛擬漫游，為后續(xù)學(xué)院漫游系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);MultigenCreator;Vega Prime;圖書館;漫游系統(tǒng)

Key words： virtual reality;Multigen Creator;Vega Prime;library;roaming system

中圖分類號(hào)：TP311.5;G250? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0266-03

0? 引言

虛擬漫游系統(tǒng)是基于現(xiàn)實(shí)生活的真實(shí)存在或者仿真某種對(duì)象（構(gòu)想）的虛擬空間。它是集成了聽覺、視覺及觸覺為一體的具有一定范圍的虛擬環(huán)境，體驗(yàn)者可根據(jù)任意選定的路線進(jìn)行虛擬環(huán)境的漫游，另外，針對(duì)于環(huán)境中的虛擬對(duì)象可進(jìn)行任意角度的三維觀察，并且可以進(jìn)行一定程度的動(dòng)作規(guī)劃和操作，讓用戶可以有身臨其境的感覺，并且滿足的其特定的功能要求。我國一些城市和高校已經(jīng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了虛擬漫游系統(tǒng)，國內(nèi)主要應(yīng)用3D建模，本系統(tǒng)采用Multigen Creator進(jìn)行建模，其界面操作簡(jiǎn)單且易于學(xué)習(xí)。由于虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)過程涉及到多種素材、模型和技術(shù)，尤其是建模時(shí)間要求較長(zhǎng)，所以，本系統(tǒng)以天津天獅學(xué)院圖書館為例進(jìn)行漫游系統(tǒng)的部分開發(fā)嘗試，探索開發(fā)模式、框架和技術(shù)路線，為后續(xù)學(xué)院的漫游系統(tǒng)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1? 主要的研究?jī)?nèi)容

任何一個(gè)虛擬漫游的系統(tǒng)主要涉及漫游引擎和場(chǎng)景對(duì)象的建模兩個(gè)部分。系統(tǒng)構(gòu)建的過程綜合運(yùn)用多種技術(shù)，主要包括素材的采集和處理，模型的構(gòu)建和定位，程序驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)漫游。

1.1 原始素材的處理

各種數(shù)據(jù)和圖片是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，圖片包括CAD圖紙、各個(gè)建筑物的數(shù)據(jù)和不同的紋理照片。因?yàn)橥ㄟ^Multigen Creator設(shè)計(jì)和開發(fā)的模型僅接收RGBA或者RGB格式的圖片類型，為了避免模型紋理在漫游時(shí)發(fā)生變形，圖片的大小均設(shè)置為2的整數(shù)次冪。將這些素材應(yīng)用Photoshop按照相應(yīng)的格式進(jìn)行處理，用于生成地形框架和建筑物不同部位的紋理。

1.2 系統(tǒng)建模

本系統(tǒng)采用Multigen Creator進(jìn)行建模，包括地形模型、建筑模型、環(huán)境模型、裝飾物模型，并依據(jù)系統(tǒng)漫游要求引入LOD技術(shù)優(yōu)化模型，采用紋理映射技術(shù)完成紋理貼圖并導(dǎo)出.Flt模型文件。

1.3 系統(tǒng)漫游和碰撞檢測(cè)

結(jié)合導(dǎo)入的模型文件進(jìn)行系統(tǒng)功能和界面的開發(fā)。采用漫游引擎技術(shù)和碰撞檢測(cè)技術(shù)等研究手動(dòng)漫游、自動(dòng)漫游、導(dǎo)航查詢、建筑信息查詢等相應(yīng)功能。

系統(tǒng)的主要開發(fā)流程如圖1所示。

2? 系統(tǒng)建模及模型優(yōu)化

MultiGen Creator是主要用于模擬仿真的建模軟件，具有精簡(jiǎn)直觀的可視化開發(fā)環(huán)境和非常強(qiáng)大的交互開發(fā)能力。MC（MultiGen Creator）中景觀的描述數(shù)據(jù)庫格式為OpenFlight，可以通知圖像的生成器實(shí)時(shí)并且精確可靠的進(jìn)行三維景觀的渲染。將得到的CAD圖紙進(jìn)行整理，分層導(dǎo)出平面圖、建筑輪廓圖、道路圖、植被分布圖等，并將其導(dǎo)入Multigen Creator做出基本地形，之后進(jìn)行模型的構(gòu)建，建模過程需要考慮以下幾方面。

①分析場(chǎng)景中的對(duì)象，在創(chuàng)建立體模型時(shí)通常需要針對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)象分類，根據(jù)涉及的真實(shí)場(chǎng)景，劃分出了公共資源區(qū)、教學(xué)區(qū)、活動(dòng)區(qū)及其他（地面樹木等小物品）。

②建模時(shí)避免產(chǎn)生模型碎片，降低精細(xì)度。建立系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，通過去除模型對(duì)象被遮蓋的內(nèi)側(cè)、背部等部分的多邊形，可以有效的減少系統(tǒng)模型的大小以及繪制的時(shí)間;使用雙面渲染功能來減少多邊形;在保證模型質(zhì)量的前提下，盡量將模型的Interpolation選項(xiàng)中的steps屬性值控制在3以下就可以滿足模型精度的要求，因?yàn)閟teps的值若是過高可能會(huì)增加后期模型的片面的數(shù)量;MC（Multigen Creator）可以通過將位于同一水平面相鄰的三角行進(jìn)行合并來減少模型中三角形的面片數(shù)量。

③使用紋理貼圖。通過使用紋理從視覺上豐富和提高細(xì)節(jié)模型。通過前期收集的照片處理為特定的格式后，可以使用3點(diǎn)、4點(diǎn)、放射、球面和環(huán)境貼圖等方式進(jìn)行貼圖。

圖書館部分模型如圖2所示。

④多細(xì)節(jié)的層級(jí)（LOD）模型優(yōu)化。多細(xì)節(jié)的層級(jí)模型（LOD）技術(shù)，即根據(jù)視點(diǎn)的遠(yuǎn)近采用不同的精細(xì)度模型調(diào)用。即場(chǎng)景用戶的觀察點(diǎn)離對(duì)象越近時(shí)，就調(diào)用細(xì)節(jié)程度高的模型體，而當(dāng)其觀測(cè)點(diǎn)離對(duì)象較遠(yuǎn)的時(shí)候，可調(diào)用較低層級(jí)的細(xì)節(jié)版本的模型。在確定系統(tǒng)多邊形預(yù)算不超的情況下，通過LOD可以有效提高漫游系統(tǒng)的的繪制效率和系統(tǒng)的運(yùn)行效果。對(duì)于特定的漫游系統(tǒng)，針對(duì)主要的建筑可建立不同的細(xì)節(jié)度模型，通過不同的觀察點(diǎn)和距離調(diào)用不同的模型，可以提升漫游系統(tǒng)的測(cè)試和運(yùn)行效率。

分析系統(tǒng)中主要建摸區(qū)域包括地形、建筑物、景觀對(duì)象等，不同的模型對(duì)象對(duì)于建摸過程中的要求和注意事項(xiàng)不盡相同。在建立特定建筑物的模型之前應(yīng)該先作好定位，通過CAD將地形圖進(jìn)行處理后導(dǎo)入到MC（Multigen Creator）中，做好地形建模，依據(jù)校區(qū)的地形和建筑物的位置將地形分為不同的區(qū)域，同時(shí)設(shè)置各個(gè)區(qū)域中的景物以及相關(guān)的特征值，比如在構(gòu)建道路的時(shí)候可以將真實(shí)的道路名進(jìn)行標(biāo)注，這樣在后期漫游時(shí)可以從中獲取有效的路徑信息，方便后期導(dǎo)航路徑的生成;針對(duì)具體的建筑物建模可根據(jù)漫游系統(tǒng)的要求創(chuàng)建不同的模型，依據(jù)不同模型的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)慕７椒ǎ热纾粢獎(jiǎng)?chuàng)建規(guī)則的二維幾何面可以采用多邊形的方法，相反的要建立比較復(fù)雜的曲面幾何物體可應(yīng)用NURBS或面片法實(shí)現(xiàn)，另外，對(duì)于室外建筑可以采用面的紋理拼貼方法進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，而對(duì)漫游時(shí)室內(nèi)的物體應(yīng)采用復(fù)雜幾何體完成;系統(tǒng)中花草、運(yùn)動(dòng)器械及樹木等景觀對(duì)象根據(jù)漫游時(shí)的逼真度的要求可以采用分級(jí)建模，但不局限于LOD，比如較近的樹木采用多邊形進(jìn)行模擬，而略遠(yuǎn)處的對(duì)象應(yīng)用簡(jiǎn)單的十字相叉面來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)在漫游時(shí)根據(jù)視點(diǎn)實(shí)時(shí)的調(diào)用相應(yīng)對(duì)象的簡(jiǎn)單模型替換復(fù)雜的模型并刪掉視點(diǎn)看不見的面片以提升系統(tǒng)的效果。

⑤多細(xì)節(jié)層級(jí)模型的生成。LOD技術(shù)可以通過建筑物精細(xì)度的整體控制，亦可以針對(duì)相同對(duì)象的不同位置應(yīng)用不同的細(xì)節(jié)模型進(jìn)行控制。LOD模型等級(jí)較低的模型常用于表示物體距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)或物體較小的時(shí)候，而比較精細(xì)的模型通常用于描述物體較大或者物體距離比較近的時(shí)候。對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的對(duì)象可用相似的方法進(jìn)行處理，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的物體或運(yùn)動(dòng)較快的物體用較粗糙的模型，靜止的物體則用比較細(xì)致的模型進(jìn)行繪制。系統(tǒng)中模型的精細(xì)度包括盒裝、面片、十字、三角及復(fù)雜三維模型等幾種樣式，根據(jù)視點(diǎn)和漫游的路線采用和繪制不同級(jí)別的模型。

3? 系統(tǒng)漫游的相關(guān)技術(shù)

3.1 360度全景

360度全景是虛擬環(huán)境的一種表現(xiàn)方式，用戶可以有進(jìn)入場(chǎng)景的真實(shí)感受。360度全景（全景圖）是利用專業(yè)相機(jī)拍攝出來的基于魚眼技術(shù)的照片，觀察者從每個(gè)角度觀察，都能夠獲取直觀的立體感。全景圖模型一般有立方體、圓柱體和球體三種。虛擬的全景圖生成流程圖如圖3所示。

3.2 交互漫游

用戶在漫游系統(tǒng)中可以任意的變更漫游的視角、方向及速度等參數(shù)，控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備常見的有鼠標(biāo)和鍵盤。通過鼠標(biāo)可以進(jìn)行左右、旋轉(zhuǎn)及仰俯等方向和視角的控制操作，而鍵盤可控制前進(jìn)、后退及速度的快慢。

①鼠標(biāo)和鍵盤的捕獲。系統(tǒng)通過鼠標(biāo)及鍵盤來捕獲用戶的相應(yīng)操作。系統(tǒng)的鍵盤的控制動(dòng)作由按鍵或者按鍵組合實(shí)現(xiàn)，依據(jù)用戶的按鍵控制場(chǎng)景的變換，鼠標(biāo)在系統(tǒng)中提供定點(diǎn)功能，如查詢場(chǎng)景中的特定物體的信息，OpenGL中提供了鍵盤和鼠標(biāo)捕獲函數(shù)，可由系統(tǒng)程序進(jìn)行調(diào)取應(yīng)用。

②系統(tǒng)的漫游控制。系統(tǒng)選取A、F、D、F、S、W、E、Q等按鍵，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、向左、向右、向后、向前、向下、向上等功能，當(dāng)體驗(yàn)者的操作不同時(shí)，場(chǎng)景中的對(duì)象即要根據(jù)要求進(jìn)行場(chǎng)景的重繪。常用的方法有改變場(chǎng)景中物體的坐標(biāo)和視點(diǎn)變換兩種，其中，若坐標(biāo)變化則會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景中全部對(duì)象的坐標(biāo)進(jìn)行變換并重新繪制，但是多次進(jìn)行變換則會(huì)發(fā)生誤差的積累現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致場(chǎng)景畸變。本系統(tǒng)采用改變用戶的視點(diǎn)來重新進(jìn)行場(chǎng)景的繪制。

用戶在進(jìn)行系統(tǒng)漫游時(shí)，站著的方向應(yīng)該一直向上。通過獲取鍵盤及鼠標(biāo)操作并調(diào)用功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景重新繪制。通過相關(guān)的鍵盤操作或鼠標(biāo)的位移量（預(yù)先定義變量和調(diào)整移動(dòng)的速度）可以計(jì)算出參考點(diǎn)與視點(diǎn)的差值，隨后通過調(diào)用gluLookAt（）自動(dòng)繪制相應(yīng)的特定場(chǎng)景。OpenGL提供的視點(diǎn)變換的函數(shù)gluLookAt（）封裝了一整套選擇和平移命令，由參考點(diǎn)、眼睛的位置及向上矢量導(dǎo)出場(chǎng)景矩陣，將觀察點(diǎn)設(shè)定在原點(diǎn)，而目標(biāo)點(diǎn)則映射到Z軸（負(fù)）。使用投影矩陣將向上的矢量映射到Y(jié)坐標(biāo)軸，而場(chǎng)景中的模型映射到可視區(qū)的中心位置。

③碰撞檢測(cè)。通過判斷場(chǎng)景中幾種典型物體的形狀，系統(tǒng)采用了5種碰撞檢測(cè)。包括點(diǎn)和矩形、矩形與矩形、點(diǎn)和圓、圓和圓、圓形和三角形。碰撞檢測(cè)針對(duì)于平緩的山坡斜面和樓梯的豎面等情況是可以檢測(cè)到的，導(dǎo)致漫游者無法前進(jìn)。但是生活中這種類型的面片不會(huì)阻止人的，因此檢測(cè)到這種面的時(shí)候，系統(tǒng)應(yīng)做出正確的判斷和適當(dāng)?shù)奶幚恚屄文芾^續(xù)前行，解決的方法是給這類實(shí)體設(shè)置一個(gè)相同的屬性和值，若檢測(cè)時(shí)與這些實(shí)體發(fā)生碰撞時(shí)，則應(yīng)對(duì)其進(jìn)行特殊的處理。

4? 系統(tǒng)驗(yàn)證

將建模的相關(guān)理論和虛擬漫游等技術(shù)應(yīng)用在天津天獅學(xué)院的圖書館漫游系統(tǒng)中，經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)能夠滿足用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景的游覽需要，并具有較強(qiáng)的交互性和較好的沉浸感。系統(tǒng)建模時(shí)，應(yīng)用多種方法進(jìn)行了模型的優(yōu)化，確保了模型逼真度，保證了系統(tǒng)運(yùn)行效率;對(duì)漫游采用了碰撞檢測(cè)，有效的解決了穿墻而過的問題。為后期學(xué)院的漫游系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：孫建偉（1987-），男，內(nèi)蒙古通遼人，助理館員，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)閳D書館學(xué)。