论文导读：本文主要是探讨虚拟现实软件Multigen Creator（以下简称Creator）在高架库场景建模的中的应用。采用LOD（Level of Detail）节点技术使创建、结构化、修改和优化模型数据库更容易。采用DOF（Degree of Freedom）节点技术以实现后期的人机交互。高架库组成元素的多样性决定了其三维模型的复杂程度非常高。
关键词：三维模型，Creator，LOD，DOF
1 引言
 虚拟现实（virtual reality，简称VR）是20世纪80 年代末90 年代初崛起的一种实用技
术，它以构想性(Imagination)、交互性(Interaction)、沉浸性（Immersion）三大特点为用户
提供临场感。场景建模是虚拟现实技术最重要的表现形式之一，它汇集了计算机图形学、多媒体技术等多项关键性技术。场景建模用计算机软、硬件对事物进行模拟，这种模拟要创造一个由三维数据信息所构成的可操控的空间。其最重要的目标是真实体验和后期的方便自然的人机交互。目前，虚拟现实技术的应用前景与科学价值已引起了人们的广泛关注，特别是在军事、教育训练、工程技术、建筑工程、医学等方面有广泛的应用前景。
高架库仿真系统可以作为部队仓库管理人员的训练系统，本文主要是探讨虚拟现实软件Multigen Creator（以下简称Creator）在高架库场景建模（如图1所示）的中的应用。
2 Creator简介
 Creator是美国MultiGen-Paradigm公司推出的一种建模软件系统，专门创建用于视景仿真的实时三维模型。它性能优越、系统可靠、稳定性好，具有其它建模软件无法比拟的优点，在可视化仿真领域具有广泛的应用，如图2所示。它具有强大的建模功能，可为众多的不同图像发生器提供建模系统及工具；同时，它提供更灵活的Open Flight格式，该格式成为三维建模领域中流行的图像生成格式，并成为仿真领域的行业标准。Creator的特点主要体现在如下几个方面：
（1）具有多种视图结构与开发工具，有类似于AutoCAD以及3Dmax的菜单及视图架构，使用方便。
（2）数据存储层次结构清晰，便于快速建模与维护。作为一种层次性的数据结构，Creator使用几何层次结构和属性来描述三维物体，可以对几何层的数据进行直接操作。
（3）采用LOD（Level of Detail）节点技术使创建、结构化、修改和优化模型数据库更容易，数据处理更加合理，高效，非常适用于大型的视景仿真建模。LOD是Creator数据处理的主要技术之一，它根据观察视点的位置，来确定模型的精细程度，距离视点近的模型精细度高，而距离视点远的模型精细度低。
（4）采用DOF（Degree of Freedom）节点技术以实现后期的人机交互。DOF技术也是Creator数据处理的主要技术之一，它是通过为动态模型设置一个DOF父节点，然后，在Vega（视景驱动软件）中通过控制DOF节点来控制其子节点（该动态模型）在虚拟场景中运动。
另外，Creator完成三维建模与传统的AutoCAD、3Dmax建模方法有很大的不同，Creator更多的考虑系统运行的实时性，它采用纹理、光照等技术来提高逼真度，减小数据结构冗余性，使存储格式更精炼，满足观众和仿真之间的动态交互。
3 场景建模
高架库场景建模的流程图如图3所示。
（1）模型设计
 高架库需要建立的场景三维模型划分为两大部分：静态模型和动态模型。论文发表。静态模型主要包括：库房、控制台、高架、轨道等。动态模型主要包括：分拣带、RGV车、传送带、垛机、转向车、战储箱等。另外，还需要掌握整个仓库的物体的布局以及哪些物体的表面需要使用贴图以增加逼真度。对于需要实时交互控制的物体要重点考虑，比如垛机、控制屏，其中控制屏内的每一个按钮都需要建模，这是因为实时交互时需要操纵它来控制垛机的运动。
（2）实物数据收集
实地考察高架库，采集实物属性数据和纹理数据：通过测量获得库房、内部设备的尺寸和位置坐标等属性数据，通过拍摄获得实物的真实纹理数据和参数。需要说明的是，根据模型设计所述，对于具有比较复杂的表面或者无足轻重、可使用贴图建模的物体，比如控制台的计算机屏幕、地面纹理、战储箱的表面迷彩，需要拍下其表面的图像，处理后用于最后的纹理建模。拍摄时尽量正面拍，不要开闪光灯，因为闪光灯所造成的光斑可能会和虚拟环境及所设灯光不符。
（3）实物建模
建模的关键技术是坐标系的各种变换，这是使用Creator进行建模的基础。建模的一般方法是：首先，利用所获得的属性数据在Creator中分别建立各实物的模型，然后，把它们集成到场景中。下面仅对高架库建模的特点及其方法介绍如下：
① 高架库组成元素的多样性决定了其三维模型的复杂程度非常高，其数据库的面片数量很大，要驱动这么大的场景，计算机要显示的面片数是很多的，为了能够节省系统资源，可以将一些离浏览者比较远的模型进行一些显示上的细节调整，这就需要用到LOD节点技术。通过LOD节点我们可以将高架、战储箱、传送带的转轴（它们占了整个数据库的50%）进行一些细节显示的控制，让它们在离浏览者不同的距离时显示不同精度的模型。
以战储箱为例，当距离很近时应显示最高精度的细节，比如，这时因为需要打开它的门取放器材，所以它的门要显示出来；距离稍远时，只能看到其外表，所以可以把门所在面上的所有面片合并为一个面片；当距离再远些，其顶部的面片可以去掉，漫游到仓库库房外时，则不再显示该战储箱。那么，可以使用LOD技术实现这三个细节层次，具体设置步骤如下：
首先，在数据库中该战储箱DOF节点（其名称为4_1_2）下创建三个LOD节点，分别为：LOD_1作为最近距离节点，LOD_2作为中距离节点，LOD_3作为远距离节点，如图4所示。LOD的有效距离范围是SwitchOut-Switch In，Switch Out表示模型距离浏览者的最近距离，SwitchIn表示模型距离浏览者的最远距离，在图4中，它们的有效距离分别为0-50米、50米-80米、80米-200米。当距离超出200米时就看不到它了，因为场景不再渲染它了，这就加快了漫游的速度。
 然后，根据距离越近精度越高的原则设置三个LOD节点下的战储箱模型的细节。
最后，需要在视景仿真软件中调用该文件，以查看该战储箱的细节控制的效果，然后适当调整各LOD节点的SwitchOut和Switch In参数值即可。
② 高架库需要创建的动态模型数量很多，如果在Vega中通过为这些设备（包括设备上局部的动态构件）设置不同的Player（Vega中可被驱动的对象），那么任务量太大，而且不便于人机交互以及模型之间的关联动作的设置。Creator的DOF节点技术可以很好的解决这个问题。论文发表。下面以垛机（如图5所示）为例说明DOF的设置方法。
垛机需要动态控制的部分包括：垛机、载物平台、叉杆（包括低、中、高三组，作用是从高架上取送战储箱等）。它们之间的关系是“父子”关系，“父”带着“子”一起运动，“子”的运动不影响“父”的运动。所以，在数据库中创建DOF节点的时候，需要按照它们之间的“父子”顺序，自上而下建立5个DOF节点，名称分别为duoji、pingtai、cha_down、cha_middle、cha_up，然后把垛机、载物平台、低叉杆、中叉杆、高叉杆的模型分别设置为这五个DOF节点的子节点即可，如图6所示。这样，在视景仿真软件（比如Vega）中 就可以通过DOF节点来分别控制垛机、载物平台、低叉杆、中叉杆、高叉杆等模型的运动了。
（4）编辑纹理
 由于高架库模型数量很大，需要使用大量的贴图，所以在编辑纹理时，一定要用图形处理软件将图像处理得尽可能最小，以图像不失真为准。否则，图像太大会消耗掉大量的显存，影响实时渲染的速度。
对纹理贴图宽高比只要求和所应用的面相同或大致相同的图像来说，只要把它的宽高比、明亮度、色调等稍作调整就可以了，如战储箱的贴图处理。
图形格式要和后期使用的实时场景仿真软件所支持的格式相符，比如Vega 支持的纹理的格式有RGB、RGBA、INT、INTA、BMP、JPG。
（5）纹理建模
纹理建模就是把编辑好的真实场景的纹理贴图应用到相应的模型上，所有使用的贴图都放在贴图库里进行统一管理。图7所示是将编辑好的战储箱的正面纹理作为贴图应用到它的模型表面。论文发表。
最后，导出为.flt文件。
4 结束语
本文以基于Creator建模工具进行高架库的场景建模的实践经验，说明了Creator在创建用于视景仿真的实时三维模型方面，具有其他建模软件没有的强大优势，非常适合像高架库一样海量数据的大场景的建模。另外，本文所阐述的建模流程、高架库建模中的实际要求及其解决方法对所有基于Creator进行的场景建模都有一定的借鉴意义和实用价值。
参考文献：
[1] 孟晓梅，刘文庆.Multigen Creator教程[M].国防工业出版社，2002。
[2]王冬海.三维视景仿真技术在地铁列车运行控制系统仿真中的应用[D].北京交通大学硕士毕业论文，2004。
|
