虚拟现实场景建模及优化

虚拟现实场景的建模及优化

摘要：虚拟现实是计算机平台对客观现实世界的可视化仿真，虚拟现实的关键在于虚拟环境场景的构建，而模型是虚拟现实环境建立的基础。本文对目前构造虚拟现实环境的建模方法进行了分析、比较,重点阐述了虚拟环境场景中三维模型的优化和虚拟现实场景优化的关键技术。

关键词：虚拟现实；虚拟场景；虚拟环境；建模；优化

1引言

虚拟现实(virtual reality，简称vr)是借助于计算机图形图像技术及硬件设备，模拟产生一个三维空间的虚拟世界。1]提供用户关于视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种直观的实时感知交互手段，让使用者获得与环境交互体验，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

虚拟现实环境中模型是整个虚拟现实系统建立的基础。模型质量的优劣关系到整个虚拟系统的成败。随着计算机技术的发展，图形软件硬件得到了很大的发展，计算机的处理能力有了极大提升，但是三维图形图像的绘制还是不能满足虚拟现实环境对图形实时显示和实时交互所提出的要求。在虚拟现实环境中，模型的精细度影响着仿真系统的真实感和沉浸性，为了尽可能给用户带来真实环境的感知体验，模型和场景需要绘制得尽可能逼真并且建模时需要构造得非常精细，但如果模型过于精细，场景复杂度达到一定规模后产生的数据量将过于庞大，计算机硬件无法承受而不能满足虚拟现

实环境实时绘制图形的要求，又会影响场景的运行速度。因此，如何解决大虚拟现实场景中模型绘制的质量与实时性的矛盾也就成为虚拟现实场景实时渲染要解决的关键问题。

2虚拟现实环境的建模技术

虚拟现实环境中，逼真的三维场景是产生沉浸感和真实感的先决条件。要使用户产生身临其境的感觉，需要选择适合的建模方法。目前虚拟场景的建模技术基本可以分为以下三种：基于几何的三维对象建模技术、基于图像的建模技术以及几何与图像相混合的建模技术。

2.1基于几何的三维对象建模技术

基于几何的三维对象建模技术是以计算机图形学基本绘制原理为基础来构建虚拟场景的方法。这种建模技术采用点、线、面来构建建筑、树木、地形等建筑物和自然景观的几何轮廓，并对模型设定纹理和材质信息，最终生成真实感图形。这种建模方法一般具备良好的交互性，让用户更好的沉浸于计算机所创造的虚拟现实环境中。但是一个基于几何建模技术的高逼真的虚拟现实场景通常包含大量的多边形，图形的复杂性会带来图形绘制的计算消耗，影响虚拟现实系统的实时性。

2.2基于图像的建模技术

基于图像的建模技术又称为ibr(image base rendering), 通过利用图像来确定场景的外观、场景的几何结构、光照模型等。和基于几何的三维建模方法相比，基于图像的虚拟环境建模技术建模时

间短，效果逼真，并且图形绘制的计算量不取决于环境的复杂性，只和场景所需的数字图像分辨率有关，所消耗的计算资源并不高，有助于提高虚拟系统的运行效率。但是基于图像建模技术的虚拟现实场景中，用户很难与虚拟物体对象进行交互，不能给用户带来身临其境的沉浸感。

2.3几何与图像相混合的建模技术

几何与图像相混合的建模技术是在比较几何建模和图像建模的优缺点之后，将基于几何绘制的建模技术与基于图像的建模技术结合起来，并且最大限度的发挥这两种技术的优点。

混合的建模技术的基本思想是用不同的方法处理场景中的不同部分，对于系统交互少或者没有交互的部分，如场景的远景、天空采用基于图像的建模技术处理；对于系统交互较多的部分或者对细节程度要求较高的部分采用基于几何的三维对象建模技术，建立具有真实感的三维模型，提高虚拟仿真系统的沉浸感。目前图像与几何相结合的建模技术在实际应用中，通常采用纹理映射技术，将高仿真的图像映射与简单的三维模型，作为模型的纹理，在几乎不牺牲模型真实度的情况下，可以减少模型的网格数量。

3 虚拟现实环境中优化技术与实现

在进行大规模虚拟现实环境的程序设计时，场景越大，需要进行建立的模型也就越多，场景模型越多越复杂，所包含的多边形数量就越庞大，虽然现在的计算机技术飞速发展，但是仍然不能满足虚拟现实系统对实时绘制图形的要求，在虚拟现实系统中，要求计算

机在一定时间内，完成对场景的绘制。由于目前图形软件、硬件条件的限制，往往需要消耗大量的计算机资源，对于复杂的模型，在对其进行绘制时，由于性能的制约也往往很难达到实时效果。

3.1 三维模型的优化

为了在虚拟现实环境中提高图形的实时绘制速度，保证虚拟现实应用系统的运行效率。在虚拟现实系统中的建模，在保证必需的模型质量情况下做到数据量尽量小。

3.1.1 简化模型几何构造

虚拟现实场景需要计算机硬件进行实时计算，如果面数太多，资源消耗大，会导致运行速度急剧下降，甚至无法运行；还会导致文件容量增大，在网络上发布还会导致下载时间增加。虚拟场景中模型在不影响模型精度前提下，尽量使用较少的几何分段数，模型建立表现出主要线条，配合纹理映射，完成整体和细节表现。

3.1.2删除模型连接面和隐藏面

在建模过程中，产生的几何体会有一些面位于可视范围外，比如物体之间的连接处，物体内部的不可见的隐藏面，物体与地面的接触面等。这些面虽然不可见，但在实时绘制图形时，仍然会被加入计算，影响系统的运行效率。删除这些不可见面，可以减少模型产生的面数，优化uv贴图的像素分配，减少渲染消耗。

3.1.3模型制作时避免使用布尔运算

布尔运算容易出错，增加面数，在后期烘培时也可能产生黑面。

3.1.4重复对象采用实例

在虚拟现实环境中，如果出现了大量几何形状相同但处于不同位置的物体时，可以对重复对象采用实例。虚拟场景中，如树木、桌椅等大量重复几何体，如果重复建模，将会大大增加多边形数量，增大系统资源消耗。实例是对某个模型对象的一个参考副本，增加实例物体数量时多边形数量不会增加。实例对象所占用的计算资源很少，可以减少文件占用空间，改善系统的实时处理性能。

3.1.5纹理映射

某些复杂物体，如果纯粹使用多边形建模，所需要的面数将极为庞大，但如果采用简模加纹理贴图，用纹理映射来体现物体细节，创建高效真实感模型，可以减小建模难度和减少模型的总面数，大大降低模型三角面数，提高虚拟现实环境的实时性，并保证真实感。

3.2 虚拟现实场景的优化技术

虚拟现实系统中，实时图形绘制算法一般来说是通过降低图形真实感，损失一定的图形质量来达到快速绘制图形的目的。目前使用的关键技术主要包括：可见性消隐技术，细节层次技术（lod)。3.2.1 可见性消隐技术

可见性消隐技术是指从某个视点来决定场景中哪些物体的表面

可见。在当前视点中，只对物体可见部分进行绘制，以提高场景实时绘制的性能。消隐技术虽然提高了场景的绘制速度，但未考虑场景中模型的简化问题，如果场景中模型对象很多，可见网格面多的情况下，消隐技术的优化效率就会降低，无法满足实时渲染的要求。

3.2.2细节层次技术