基于Virtools的虚拟仿真系统的优化

摘要：由于虚拟仿真系统是实时的三维交互平台，因此流畅地运行对系统是至关重要的。通过对虚拟仿真优化技术的分析研究，结合虚拟仿真系统的实现，采用LOD技术、设置遮挡属性、巧妙使用摄像机等多种技术，提出了全方位、多角度优化虚拟仿真系统的解决方案。

关键词：优化；多细节层次；遮挡属性

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）20-0184-02

目前虚拟仿真技术的应用越来越广泛，比如虚拟仿真技术在煤矿安全培训中的应用、虚拟仿真技术在医学教育领域的应用等。在这些应用中，高品质画面效果与系统流畅地运行总是两个相悖的需求。要做到画面精细美观，就很难做到数据量很小，数据量庞大又会导致系统运行不流畅。这时候就需要考虑优化的问题，只有对系统进行优化才能很好地调和这两个矛盾。在实际开发中，不但要在虚拟仿真环节使用优化技术还要对模型进行优化处理。由于篇幅所限，在此主要阐述虚拟仿真环节的优化。

一、LOD技术应用

1.LOD技术综述。虚拟现实技术作为一种新型的人机交互技术具有沉浸、交互、构想三个基本特性，其中沉浸性是指使用户投入到计算机生成的虚拟环境中的能力，是虚拟现实系统的核心。为了使用户在使用虚拟现实系统时拥有沉浸感，必须实现图形的实时绘制。实时绘制就是要求图形显示速度必须跟上视点移动速度，消除迟滞现象。当场景很简单，例如仅有几百个多边形，要实现实时绘制并不困难，但是，为了得到逼真的显示效果，场景中往往有上万个多边形，有时多达几百万个多边形，这就对图形实时绘制提出了很高的要求[1]。虚拟现实和交互式可视化等交互式图形应用系统要求图形生成速度达到实时，而计算机所提供的计算能力往往不能满足复杂三维场景的实时绘制要求，因而研究人员提出多种图形生成加速方法，LOD模型则是其中一种主要方法。1976年，Clark提出了细节层次（Levels of Detail，简称LOD）模型的概念，认为当物体覆盖屏幕较小区域时，可以使用该物体描述较粗的模型，并给出了一个用于可见面判定算法的几何层次模型，以便对复杂场景进行快速绘制。LOD技术在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。由于LOD的诸多优点和它很好地解决了虚拟仿真技术中流畅运行和界面精美的矛盾，成为虚拟仿真领域的研究热门，并且取得了不少的成果。而Virtools中LOD属性添加就是应用之一。

2.LOD优化系统的实现。首先在3D MAX中，将所建模型转化为可编辑面片。Virtools中，在Level Manager下的三维物体上右键，选择右键菜单命令Add Attributes（添加属性），弹出Add Attribute Type的设置窗口，选择该窗口中的LOD Object，然后单击Add Selected按钮即可添加LOD属性。第二步则是设置LOD属性面板的参数。给物体添加LOD属性需要设置其参数，参数面板如图1所示主要包括所选用的算法和LOD模型的选择标准。通过LOD参数可以设置物体根据所占画面比例进行面数增减，通俗地说就是越近越精细，越远越粗糙。在Level Manager（层管理器）下的三维物体上双击打开3D Object Setup面板，双击Value参数的值，弹出如图1所示的参数设置窗口。设置当对象在屏幕中的显示占总面积的80%以上时完整显示，随着所占面积的缩小，剔除的面数逐渐增加，直到对象在屏幕中显示面积为1%时，将剔除面数的98%，仅保留2%，这将极大优化系统。

二、其他优化技术

1.减少渲染数量。虚拟漫游系统的实时渲染，被遮挡的物体也会被渲染，如果将被遮挡物隐藏，当视角发生改变后，物体又不能正常显示；在Virtools中解决这一问题的方案是给遮挡物增加遮挡属性，那么被遮挡的物体就不会被渲染，当视角发生改变后，被遮挡的物体也能正常显示出来。具体操作和增加LOD属性相似，在添加属性窗口选择Optimizations（优化）/Ocdluder（遮挡），然后单击Add Selected按钮即可添加遮挡属性。

2.减少渲染范围。影响渲染进程的除了场景中对象的复杂程度和数量等因素，视域范围和深度也会对渲染有所影响。如果漫游的每一帧都显示和处理所有场景数据是效率很低而且不必要的。将场景进行分块处理，在漫游中，只渲染摄像机能观察到的场景分块，对没有进入视角的场景分块不做调用和处理，这样可以极大地加快系统的渲染效率。其中的优化包括了两个方面：一方面是在建模阶段对场景进行分块处理，另一方面是在交互设计阶段对不同的场景进行调用及摄像机的视野范围进行设置即视锥体裁剪技术的运用，通过缩小渲染深度，达到减少渲染对象的数量，从而实现系统的优化。视锥体裁剪技术来优化系统的原理如图2所示，摄像机的视野范围可以看作是一个四棱锥，为了方便理解作者把立体空间平面化为实线所包围的区域，渲染的范围就是实线三角形，将摄像机的Far clip（远裁切）参数减小，将下边线推进到虚线的位置，渲染的范围就缩小了，从而实现了系统的优化。如果能配合雾效，将远景模糊处理，效果更自然。

虚拟仿真系统的优化途径有很多，具体的系统开发中一般不会都用。根据系统开发的规模常用的有LOD技术，再结合遮挡属性设置，如果还要进一步优化则通过减少渲染范围配合雾效的障眼法来处理了。

参考文献：

[1]张剑利.基于Web的交互式产品虚拟展示平台关键技术研究[D].江苏科技大学，2009.

[2]刘林涛.建筑场景虚拟漫游关键技术的研究和实现[D].苏州大学，2008.

[3]刘世堂.曹火松，等.矿区虚拟可视化仿真技术及应用[J].煤炭科技，2010，（2）.

作者简介：曾敏（1975-），女，四川成都人，硕士，研究方向：计算机应用。