虚拟现实技术在三维漫游中的应用研究

虚拟现实技术在三维漫游中的应用研究

作者：王辉

来源：《电子技术与软件工程》2015年第13期

虚拟现实技术可以利用计算机模拟出一个逼真的虚拟环境，用户沉浸在此环境中的同时可以使用人机接口和虚拟环境进行交互，因此可以广泛三维漫游中。将虚拟现实技术应用于三维漫游时，需要重点研究三维建模技术，及虚拟现实在三维漫游中的应用。 【关键词】虚拟现实 三维漫游 三维建模

虚拟现实技术的兴起为人机交互、人工智能等技术的发展提供了新的方法，可以应用于军事、教育、购物以及娱乐等多个领域。虚拟漫游是虚拟现实技术在三维漫游中的综合应用，研究虚拟现实技术在三维漫游者的应用具有重要的现实意义。 1 虚拟现实技术及其建模语言

虚拟现实技术可以借助计算机和其他设备生成一个虚拟的三维场景，用户利用人机交互接口产生视觉、听觉以及等交互反馈，从而产生身临其境的感觉。一个真正实现虚拟现实的计算机系统要满足若干要素：首先，要可以让用户身处一个三维立体的虚拟环境；其次，用户要是虚拟环境的第一人称的参与者，而且能够任意地进行实时活动。另外，还需要用户可以借助控制装置操控身处的虚拟环境。

现实生活中的场景都是有景深和立体感的三维世界，所以需要重点研究虚拟现实技术在三维虚拟场景中的构建和建模方式，这样才能真实地模拟三维世界。模拟出三维场景后，用户要能够得到一种第一人称的体验，所谓第一人称指的是用户在三维场景中的体会和真实生活一样，所有的感觉都好像是用户亲身经历一样；第一人称的感觉会让用户真正有亲身参与的快感，这样要求我们必须可以将视点移动到三维场景内的任何地方，并且可以在此三维场景内随意前进、后退、转弯等，以此得到不同的视角。在满足前两个基本要素后，还应该能够随时在三维场景中进行操作。

虚拟现实系统可以作用于不同的对象，根据作用对象的不同可以将虚拟现实的作用效果分为不同的形式，比如低成本模拟复杂环境、逼真还原现场效果等。不论是实现哪种效果，虚拟现实系统的特性都能够用三个“I”进行描述：Immersion（沉浸）、Interaction（交互）以及Imagination（想象）。Immersion（沉浸）指用户能够沉浸于虚拟环境内，用户和计算机的交互完全模拟真实环境，就像真实生活一样；Interaction（交互）让用户从被动接受计算机输出的角色中脱离出来，可以主动地借助交互设备完成和虚拟物体的互动，从而改变虚拟世界；Imagination（想象）是指沉浸在虚拟环境中的用户凭借自己的感知来认识虚拟世界。在这三个描述虚拟现实系统的特性中，Immersion（沉浸）和Interaction（交互）是虚拟现实技术区别于三维动画、多媒体技术等的本质特征。

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虚拟现实技术和互联网结合后，产生了一种新的用于建立三维世界场景模型的建模语言——虚拟现实建模语言（VRML）。VRML有效克服了HTML语言制作的二维平面网页设计的缺陷，将用户的行为作为浏览的主体，随用户行为的改变而表现交互方式；它可以创造一个能够进入参与的虚拟世界，用户可以看到一个逼真的三维立体环境并在其中遨游。VRML用文本信息对三维场景进行描述，每个VRML文件都是一个基于时间的三维空间，多个文件可以通过包含关系组织在一起，从而动态显示图形对象及听觉对象。VRML采取C/S模式访问，服务器保存了各个VRML文件和支持资源，客户端用浏览器访问，这样可以实现平台无关性。用VRML编程的过程，就是将多个对象安放到一个虚拟空间的过程，并设置这些物体的形状、位置、外观等各种属性，然后定义用户观察对象的角度，从而得到三维世界中“立体而真实”的对象。

2 三维漫游中的关键技术

实现三维漫游需要若干关键技术，其中比较重要的是真实感图形绘制技术和三维虚拟漫游技术。真实感图形绘制的过程一般要经过三维模型表示、视景变换、隐藏面消除以及可视点处的颜色计算等步骤。

三维场景会包含多种类型的物体，这些物体间可能会存在千差万别，因此并没有一种通用的方法能够描述所有物体的特征，所以为真实展现景物的特征，需要精确建立物体的三维表示，这就是对象的三维模型表示过程。传统的建模算法及软件采用线框图交互现实各种物体的几何变换关系，但这种方法难以完整再现三维物体，所以出现了立体造型及曲面造型技术。立体造型可以构造简单的机械零部件，曲面造型技术能够构造复杂对象的表面，这两种技术具有很强的互补性。真实世界中的物体处于一个三维坐标下，而计算机中显示的对象都是二维坐标的，因此要将三维坐标转换为屏幕上的二维坐标，这一过程称为视景变换。视景变换通常要经过两步：场景坐标到摄像机标定坐标的转换和摄像机坐标到屏幕坐标的转换。场景坐标系是三维场景中在物体附近建立的局部参考的坐标系，能够便利的表示并描述物体的运动；摄像机坐标系将视点作为坐标原点，将经过视点并且垂直于视线方向的平面作为视平面，三维坐标经过透视变换变换到屏幕坐标系。

当三维物体展现在屏幕坐标中时，一些物体的部分视角可能被其他物体遮挡住，另外物体可能也会存在一些背对视角的平面，这些被遮挡或背向的平面会随着视角的改变而改变，因此在绘制物体时，需要及时消除这些被遮挡的部分，同时还要删去背向视角的平面，这一过程就是隐藏面删除。有专门的几何方法可以确定一个物体的平面是否背离视点：先求得物体的视线向量和法向量，然后计算法向量和视线向量的夹角，夹角大于90度说明此平面为背离视角的面，否则不是。此过程的示意图如图1所示。

最简单的隐藏面消除方法是深度缓存技术，它将距离视点的深度和屏幕中的每一个像素联系起来，并按照预先设定的顺序对物体进行绘制，在绘制之前先比较当前像素处的深度值和计算得到的深度值，如果计算得到的像素值比当前深度值更近的话，原有的深度值就会被替代，如果离视点的距离远了，那么新的像素点将会被挡住。隐藏面消除技术可以不显示被遮挡的屏

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幕，从而提高系统的性能。光线对三维场景中的物体是非常重要的，可见点处的颜色很大程度上取决于光照模型。光线作用于物体表面会有如下效果：被表面反射为反射光、穿透透明物体形成透射光、被物体吸收转化为热。上述效果中只有透射光和反射光会产生视觉效果。光照明模型用于计算物体表面上任何点处的亮度和色彩。

三维漫游技术具备的沉浸感和互动性能够让使用者获得身临其境的直观体验，逼真而又形象的展示虚拟空间中的三维物体。构造三维场景的方法目前主要有两种：基于几何建模的三维漫游和基于图像的三维漫游。基于几何建模的三维漫游的基础是计算机图形学，它首先抽象描述模拟的三维场景，并构建其中的模型结构，并设定三维模型内的材质信息；然后建立三维场景中的光照模型，并借助纹理映射技术改善模型外观；最终根据控制参数和光照参数等信息在屏幕上实时渲染绘制视景，以此完成对三维场景的漫游。基于图像的虚拟漫游技术采集模型的连续帧图像，每两个临接帧之间有一定的重合区域，然后利用图像拼接技术形成一个全景图，最终用多个全景图实现虚拟空间，并在此空间中进行三维漫游。 3 三维场景的建模与优化技术

三维场景的建模是实现虚拟漫游的基础，需要完成三维视觉建模和听觉建模两部分。视觉建模主要有运动建模、对象行为建模、几何建模、物理建模等。

几何建模的优劣决定了是否可以生成高质量的三维场景图像。几何模型用于描述三维物体固有的几何抽象模型，比如轮廓、形状以及颜色等；另外，几何模型还可以描述对象中基元的物理特性和连接性等。几何模型有其固有的特征：

（1）对象的表示方法有抽象和具体两种，抽象表示法需要的存储空间相对较小，但每次使用时都需要重新计算；具体表示法可以省去每次计算的时间，但存储及访问开销比较大。 （2）几何模型可以分层，所以描述一个物体时，可以使用自底向上的构造方法进行对象的重构，也可以使用自顶向下的方法进行对象的分解。

（3）物体外表的真实感取决于其纹理及反射。传统的技术一般是通过多绘制多边形的数目来增强立体感，但这样会造成图像显示速度变慢。目前的图像处理应急平台一般都具有实时处理纹理的功能，既可以增强三维物体的真实感，又可以提高物体显示速度。

在三维场景中进行漫游时，物体经常会处于运动状态下，另外物体还可能会发生诸如碰撞、缩放以及表面变形等情况；此时单纯使用静态的三维几何模型已经难以描述虚拟场景，这就需要进行运动建模。虚拟现实技术不仅会涉及到绝对坐标系，而且会用到相对坐标系，又称为对象坐标系，对象坐标系和物体一起移动。运动建模中经常会使用碰撞检测技术，在一些类似实际生活的场景中，碰撞检测技术可以有效处理和生活相悖的情况，比如处于运动情况的下的人和物一般不能穿墙而过。物理建模技术有效结合了几何模型和物体的质量、重量、纹理以及形状等特性，它将物理学和计算机图像学结合起来，是一种高层次的建模技术。

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为使用户更好地得到漫游体验，需要能够实时改变三维场景的复杂度，简单的三维漫游技术无法做到这一点，所以需要对其进行优化。层次细节技术（LOD）在描述对象时使用不同复杂程度的实体细节，而且在仿真过程中会中不同层次的LOD模型间进行切换，不同的视点对应不同复杂度的等级模型。实际渲染时，如果物体离视点比较远就可以用粗粒度的LOD模型渲染；否则的话需要用细粒度的LOD模型。 4 总结

本文首先对虚拟现实技术进行研究，并介绍了虚拟现实技术的建模语言；然后深入分析了三维漫游中的关键技术，比如真实感图形绘制技术和三维虚拟漫游技术；最后分析了三维场景的建模过程和对应的优化方法，对虚拟现实技术在三维漫游中的应用有一定的参考价值。 参考文献

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[5]刘华明.基于Java3D实现虚拟现实三维场景生成技术的研究[D].吉林大学，2011-05-01. 作者简介

王辉（1980-），女，江苏丹阳人。现为镇江高等专科学校电气与信息工程学院讲师。研究方向为虚拟现实和人工智能方向。 作者单位

镇江高等专科学校电气与信息工程学院 江苏省镇江市 212003

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