基于真實感的虛擬現實關鍵技術研究

魏曉光 唐瀟 張倩

摘 ?要： 為了兼顧虛擬現實仿真應用中的真實感和實時性，以便營造流暢且高逼真的模擬環境，對真實感實時繪制關鍵技術進行具體研究。選取多細節層次模型（LOD）作為研究對象，并采用三角形網格簡化模型對地形生成算法進行處理，提高了渲染速度。此外，采用基于三維透視投影的可視化策略對LOD選擇機制進行設計，增強了場景的真實感。使用Visual C++開發語言和OpenGL開發工具對設計的LOD模型進行實現。模擬結果顯示，提出的方法繪制效率較好，能夠達到比較理想的場景仿真效果。

關鍵詞： 虛擬現實; 真實感; 實時繪制; 多細節層次模型; 渲染速度; OpenGL

中圖分類號： TN911?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0111?04

Research on virtual reality key technologies based on true sense

WEI Xiaoguang1， TANG Xiao2， ZHANG Qian3

（1. University Intelligent Finance Application Technology Development Center of Hebei Province， Hebei Finance University， Baoding 071000， China;

2. Academic Affairs Office， Hebei Finance University， Baoding 071000， China;

3. Department of Information Engineering， Hebei Software Institute， Baoding 071000， China）

Abstract： In order to balance the realism and real?time performance in the virtual reality simulation application， and create a smooth and highly?realistic simulation environment， the realistic real?time drawing key technologies are studied in detail. The levels of detail （LOD） model is selected as the research object， and the triangular mesh simplified model is used to process the terrain generation algorithm， which can improve the rendering speed. The visualization strategy based on 3D perspective projection is used to design the LOD selection mechanism to enhance the reality of the scene. The designed LOD model was implemented by using Visual C++ development language and OpenGL development tool. The simulation results show that the proposed method has high drawing efficiency， and can reach the ideal scene simulation effects.

Keywords： virtual reality; true sense; real?time drawing; levels of detail model; rendering speed; OpenGL

0 ?引 ?言

隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術也隨之不斷成熟和普及。由于具有“身臨其境”的真實感， 虛擬現實能夠以更加自然和逼真的人機交互方式給用戶帶來全新的體驗經歷[1?3]。因此，虛擬現實逐漸成為近十年來比較熱門的研究方向。作為一個多學科綜合發展的產物，虛擬現實技術主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面，是仿真技術與計算機圖形學、人機交互技術、信息處理技術、傳感器技術等多種技術的集合。與現有的其他仿真技術相比， 虛擬現實能夠完成多維信息空間的仿真和建模，同時提供了更高的逼真度[4]。

但是，現有的虛擬現實技術仍具有某些局限性。由于計算機處理性能的限制，在虛擬仿真中對圖像進行實時繪制時需要對逼真度和繪制速度進行有效平衡，從而在現有硬件條件下為用戶提供流暢的真實感體驗[5]。

因此，本文對真實感實時繪制關鍵技術中的LOD模型進行具體研究。模擬結果顯示，提出方法繪制效率較好，能夠達到比較理想的場景仿真效果。

1 ?虛擬環境下的真實感實時繪制技術

1.1 ?需求分析

所謂的三維圖形實時繪制技術，就是利用計算機技術讓用戶在所有視點和方向上對虛擬場景進行觀察時均具有三維視覺感的技術[3]。

為了給用戶提供最佳的真實感，該技術需要盡量統一圖像的刷新速度和用戶的視點變化速度，否則，用戶最終看到的畫面會出現掉幀現象，十分影響用戶的體驗感。

為了構建基于幾何的虛擬場景模型，必須采用點、線、面等幾何對象對模型中的所有部件進行解析和整合，然后通過紋理映射和光照處理等技術對模型進行處理[6]。

但是，在實際幾何虛擬場景的構建過程中，需要處理大量的圖像信息，尤其是數據量較多的復雜場景，系統實現復雜度會急劇增加。這種情況會導致圖像的刷新率明顯降低，因此對內存、CPU和圖像處理設備的性能要求較高。必須保證足夠高的圖像刷新率才能確保場景顯示保持一定的實時性。如果虛擬仿真系統需要較大延遲才能呈現出新場景，會明顯降低場景中用戶的真實體驗感，嚴重的情況下還會導致用戶產生“眩暈”“惡心”等生理不適現象[6]。目前，降低場景復雜度最常用的方法是LOD技術，可以有效改善三維場景的動態刷新速度，例如文獻[7]提出一種基于半邊折疊的LOD模型構造方法，該算法能較好地保持模型的外形特征，實現起來快速有效。

1.2 ?LOD技術分析

LOD的基本思想是在不影響畫面質量的前提下，通過逐次簡化景物的表面細節來減少場景的幾何復雜度，從而提高繪制算法的效率。Level of Detail（模型詳細程度）這一概念來源于計算機圖形學，簡單來說，就是根據物體的移動速度，距離相機的距離決定模型細節，從而提高計算機運算效率。如同觀察自然風景時，距離較近的物體更精細，距離較遠的物體比較模糊。圖1為人像模型的LOD顯示結果。

2 ?實時繪制的關鍵技術及解決方案

2.1 ?LOD網格模型的簡化

LOD技術的實現具體包含三方面的內容[8]：LOD模型的自動生成;LOD模型的選擇機制;幾何形狀過渡，即不同層次模型轉換。

本文針對LOD模型的生成過程進行簡化操作。采用三角形網格簡化模型對地形生成算法進行處理，提高了渲染速度。根據網格的幾何及拓撲特性，使用頂點刪除操作，如圖2所示。

圖1 ?頭像模型的LOD顯示

圖2 ?頂點刪除操作

2.2 ?LOD的選擇機制

在LOD技術的實現過程中，當繪制所需圖像時，選擇機制會在多個層次的LOD模型中選擇最適宜的某個模型[9]。一般按照模型與視點的距離來挑選不同細節層次的模型。

圖3表示一個圓形模型的LOD選擇過程。當用戶的視點與模型的距離在[0～rl]內的范圍時，選擇細節內容最豐富的圓形模型進行繪制;當用戶的視點與模型的距離在[r1]～[r2]之間時，選擇相對簡化的六邊形模型進行繪制，如此類推，直到距離大于[r3]時，模型完全消失。

圖3 ?LOD選擇過程演示

同樣，根據模型離視點的距離，本文基于三維透視投影的可視化策略對LOD選擇機制進行設計，增強了場景的真實感。當距離越遠，模型在屏幕上的投影區域越小。

三維透視投影示意圖如圖4所示，投影的計算演示如圖5所示。

圖4 ?三維透視投影示意圖

圖5 ?投影的計算演示

式中：[e]表示觀察點;[F]表示模型所處的空間位置;[D]表示觀察點到前裁剪面的距離;[a]表示視角;[l]表示其真實高度;[d]表示目標在二維平面上的投影，單位為像素數;[b]表示模型因觀察點變化引起的傾角。

判斷LOD層次模型選擇的條件為：

2.3 ?連續LOD地形的轉換

對于繪制地形的過程，按照上述計算方法選擇不同層次的LOD模型來繪制，并選擇三角形來仿真地形的生成。

對于不同復雜模式的地形，采用的三角形繪制函數也有所區別，代碼如下：

3 ?功能實現與測試

3.1 ?開發環境

PC主機的CPU為i5?4570，內存為4 GB，硬盤為 500 GB，圖形顯示器為HKC P4000 23.8寸電腦顯示器。VR系統硬件的核心顯卡設備為NVIDIA GeForce GTX1060。虛擬平臺為Windows 10。軟件開發語言采用Visual C++ 6.0，開發工具為OpenGL vl.2， 建模工具為MultiGen Ceraotr v2.6。

3.2 ?測試結果

以自然風景區大型漫游系統為例，對本文設計的方法進行實際測試，地形場景的實驗結果如圖6所示。從圖6可以看出，設計方法的網格分布較為均勻，且地形模型的主要特征保留效果較好。此外，表1給出了本文方法和Garland方法[10]對相同數據進行建模的效率，可以看出，本文方法所需時間較少。

圖6 ?地形效果顯示

表1 ?建模性能對比

4 ?結 ?語

本文對真實感實時繪制關鍵技術中的LOD模型進行了具體研究。首先，采用三角形網格簡化模型對地形生成算法進行了處理，提高了渲染速度。然后，采用基于三維透視投影的可視化策略對LOD選擇機制進行了設計，增強了場景的真實感。最終使用Visual C++開發語言和OpenGL開發工具對設計的LOD模型進行了實現。模擬結果顯示，本文提出的方法繪制效率較好，并能夠較好地保留模型主要特征，具有一定的參考價值。

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