虚拟游戏场景中的模型研究

摘要：游戏游戏建筑模型是虚拟虚拟游戏模型中的基本对象，已有的对游戏建筑的表示局限于某一层次级别，比如块模型、带屋顶的模型、结构模型和室内模型。引入了连续层次级别这一概念来对地理信息系统中的建筑进行表示和建模，而连续层次级别方法统一了虚拟三维游戏模型中不同类型的建筑的表示。

关键词：虚拟现实；地理信息系统；三维建模；连续层次级别

中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31127 -01

The Research on the Modeling in Virtual Reality Game Scene

REN Ping1,2, KE Jian1, WANG Fang1

(1.Suzhou Vocational College,Suzhou 215104,China;2.Information Engineering University, Zhengzhou 450002,China)

Abstract：Game Buildings are essential objects of virtual 3D digital Game models.Existing concepts for the representation of buildings are restricted to a specific level-of-quality such as block models,roof-including models,architectural models,and indoor virtual reality models. This paper introduces a concept for representing and modeling buildings in GIS at continuous levels of quality. The continuous level-of-quality approach unifies the representation of heterogeneous sets of building, which occur in virtual 3D digital Game models.

Key words：Virtual Reality; GIS; 3D Modeling; CLOQ

1 引言

未来的虚拟现实游戏将结合了3S技术发展。其中虚拟游戏场的景模型主要是用于表示、浏览、分析和管理与地理相关的数据，一般包括自然景物模型，各种游戏建筑模型以及道路和交通系统模型，它们集成了2D和3D地理数据。对于虚拟现实游戏来说，一个重要的问题是如何表示各种各样的建筑建筑[1]-[3]。Gross等(1995)提出的由地形表面特征决定其局部的细节层次的算法。该算法通过小波变换分解原始数据集，然后分析变换所得的系数，即首先定义一个小波空间滤波器，然后通过对局部谱的估计，来控制局部表面细节层次的近似程度。这个局部的谱特性是由地形表面数据的小波表达式决定的，且地形任何区域的细节层次可以自适应地实时优化。在山脊、山谷等曲率高的区域用高细层次表示;在那些近似于平面的区域，只需用较少的三角形就完全可以满足要求。这种方法不仅对地形有效，而且对其它定义在规则栅格上的数据集均很有效。现有的方法局限于某个特定层次级别，比如块模型、带屋顶的模型、结构模型和室内模型。它们存在的问题主要包括：难于把来源不同和层次级别不同的建筑集成到一起，难于把特定的建筑转换成更高层次级别的建筑，难于自动从高层次级别抽象出一般化建筑，难于设计能支持不同层次级别的建模过程的建模工具。为了解决这些问题，引入连续层次级别（CLOQ）来表示建筑。CLOQ允许对不同种类的建筑统一表示，CLOQ这一概念也导致了用于高精度建筑的系统方法的产生和促进了直观建模工具的实现。由于虚拟游戏场景中有大量的模型需要长期管理维护，需要考虑如何维护模型以及用户定制过程如何定义，使用CLOQ，规划者可以在整个规划过程中创建新的建筑以及在统一框架内逐步提高已有建筑的精度。

2 游戏模型数据的获取

游戏建筑模型可以通过对数据的分类、分析等多种方法获取，原始模型的创建是一个技术难度高和资金花费大的工作，具体方法请参考Hu[4]，Ribarsky[5]等的论文。通过自动化技术获得的建筑的几何层次级别通常是比较低的，可能是块模型，块模型是由2D平面图和高度编码而成的，块模型在虚拟3D游戏建筑模型中一般作为原始数据。CLOQ只把块模型用于地面。更精确的建筑要用CAD或者3D建模工具创建，游戏建筑模型一般用VRML或者3DS表示，因为这些模型最终要能支持3D图形设计程序。创建虚拟3D游戏建筑模型的过程方法[6]已经大量出现在计算机图形学中，用于研究、模拟和教育。尤其是在电影和游戏等行业对真实复杂的环境的创建在投资和时间上有更高的要求，而模型的表示是与可视化系统紧密地联系在一起的。Parish提出了一种方法，使用统计数据和地理数据作为输入数据创建完整的3D游戏建筑模型。在他们的方法中，建筑设计来自于参数化语法集和属性匹配系统。而CLOQ过程方法不需要特别注重现实世界的地理数据，不需要分别对待不同种类的游戏建筑模型。不依赖于创建的方法，虚拟3D游戏建筑模型可以输出为标准的3D场景格式，比如VRML或3DS等，而场景描述语言和场景图形系统提供了一个普通图形功能的指令集，它们没有提供对基于3D地理数据的对象特殊处理，因此，一般难于表示、存储对象语义。GML满足了特定领域，对基于XML虚拟虚拟现实游戏模型的描述保留语义的需要。GML支持四种层次细节：地面建筑的平均高度的块模型（LOD1）；包括了屋顶几何形状以及同一建筑的不同高度的块模型（LOD2）；建筑细节模型（LOD3）；包括了室内、门、楼梯等的建筑结构模型（LOD4）。GML元数据表达了建筑的层次级别的基本原理，为了增强元数据的表达能力，希望增加更多的特性，使得能表示这四种层次级别之间的游戏建筑模型，方便系统生成从一种层次级别到另一种层次级别的游戏建筑模型。对于这些层次级别之间的连续模型的一个整体解决方案应该能增强表达效果，提供主要的中间层次级别，使得开发出高效LOD渲染和交互技术成为可能。从概念上讲，在LOD2和LOD3建筑之间没有明显的区别，即使对于LOD2建筑，也有必要添加重要的几何细节，比如大厅出口，对应层次级别可以看成在LOD2和LOD3之间。CLOQ概念拓展了GML建模，它采用了语义元数据并引入了独立的元数据用于对几何和外观建模。大多数应用程序需要实时显示虚拟3D游戏建筑模型，以便用户能直接交互和操作。游戏建筑模型的表示转换成3D场景表示，复杂建筑需要分解并转换为适合渲染的基本体，外观比如装饰图像需要转换成图形纹理。用于CLOQ建筑的模型元数据不需要知道采用哪种3D场景表示和优化技术，因为场景表示和优化技术在图形系统中是相互独立实现的。

3 虚拟游戏建筑表示

CLOQ建筑的范围包括简单的块模型，部分或完整的屋顶几何形状模型，详细的室内和室外建筑特征。一方面，我们的目标是找到一个最小组件集合，它能表达出虚拟3D游戏建筑模型中通常所需要的建筑特征。另一方面，组件应该允许用户直观高效地创建游戏建筑模型。CLOQ建筑能提供一个这样的框架。下面介绍一下图－1中CLOQ建筑的面向对象模型。一个CLOQ建筑表示了虚拟现实游戏模型中的一个建筑实体，它是由几何形状、外观组成的对象。

图1 CLOQ建筑的面向对象模型

3.1 虚拟游戏建筑中的楼层

一个CLOQBuilding对象由一个或多个Floor对象组成，每个Floor对象定义了一个地面以及地面上的墙体。一个Floor对象引用一个FloorPrototype对象，后者包含了实际的楼层。每个FloorPrototype由GroundPlan对象定义，它由一个或多个多边形组成，这些多边形定义了墙所在的区域。

3.2 虚拟游戏建筑中的墙

在每个地面上放置Wall对象，一个Wall表示一个垂直的平面多边形，它只能位于它的地面上。缺省情况下，墙没有厚度，也就是用一个多边形表示。一个特定的ThickWall对象具有厚度，在几何上是作为一个3D实体对象。

3.3 虚拟游戏建筑中的屋顶

最简单的屋顶类型是平顶，一个平面屋顶位于最顶层楼层的墙的上面。在CLOQ建筑中，屋顶层表示了最顶层，用于表示屋顶的几何形状。对于非平面屋顶建模，要给屋顶层定义一个屋顶框架，也就是屋顶几何形状的特征边组成的网状结构。

3.4 虚拟游戏建筑中楼层装饰

FloorDecoration对象负责CLOQ建筑的外观，是FloorPrototype的一部分，使用FloorDecoration能给水平方向排列的墙面指定外观，这些墙面由WallSection定义，能表示整个墙或者其中的一部分。

3.5 虚拟游戏建筑中投影纹理

投影纹理提供了一个表示CLOQ建筑外观的可选方法，一般采用现实世界中建筑的图像，投影纹理在在对外观的快速照片建模非常实用。一个ProjectedPhoto对象引用了一个2D纹理，比如是建筑外观的数码照片。

4 结论

虽然CLOQ建筑的组件类型比较少，但是它能表示大部分普通的建筑特征。使用该方法，可以把重点集中到使用虚拟虚拟现实游戏模型的实际应用中所要求的建筑特征，一般来说，这些要求与建筑的抽象结构以及可视化有关。CLOQ提供了一种连续的层次级别，有效提高了虚拟虚拟现实游戏模型中建筑的快速建立。使用CLOQ建筑构建复杂游戏建筑模型可以节省时间，也适合于大规模虚拟现实游戏模型。它的一个应用是在虚拟场景规划决策系统中，使用CLOQ建筑，可以对虚拟虚拟现实游戏模型进行交互式的修改，使它满足需要，这样修改后的效果可以立即评估和讨论。

参考文献：

[1]BAUER J, KLAUS A, KARNER K, SCHINDLER K, ZACH C. MetropoGIS: A Feature based City Modeling System[J]. Proceedings of Photogrammetric Computer Vision 2002 (PCV02) - ISPRS Comission III Symposium, Graz, Austria.

[2]D?LLNER J, BUCHHOLZ H, NIENHAUS M, KIRSCH K. Illustrative Visualization of 3D City Models[J]. Proceedings of SPIE - Visualization and Data Analysis 2005 (VDA), San Jose, CA, 42-51.

[3]KOLBE T. H, GR?GER G, PLüMER L. CityGML C Interoperable Access to 3D City Models[C]. First International Symposium on Geo-Information for Disaster Management GI4DM, 2005.

[4]HU J, YOU S, NEUMANN U. Approaches to Large-Scale Urban Modeling[J]. IEEE Computer Graphics and Applications,23(6):62-69.

[5]RIBARSKY W, WASILEWSKI T, FAUST N. From Urban Terrain Models to Visible Cities[J]. IEEE Computer Graphics and Applications, 22(4):10-15.

[6]PARISH Y, MüLLER P. Procedural Modeling of Cities[J].Computer Graphics (Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001):301-308.

注:“本文中所涉及到的图表、公式注解等形式请以PDF格式阅读原文。”