摘 要： 利用虛擬現實技術實現化工場景，討論了三維場景優化的技術，深入研究了場景優化技術中的LOD技術和多邊形網格的簡化方法，并將其作為離散LOD模型的生成方式。對于建模過程中出現的面數過多、場景巨大等問題，使用了可見性裁剪、模型簡化與多分辨率造型等方法進行實驗，利用EON軟件對虛擬化工場景進行優化與漫游功能的實現，并提出了一種基于EON軟件在視景系統中進行三維場景優化的方法。
關鍵詞： 虛擬現實；三維場景建模；優化技術
虛擬現實VR(Virtual Reality)是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，其本質特征要求能夠生成實時且真實的虛擬環境。虛擬環境生成從本質上是一種限時的計算機圖形繪制技術，這與傳統的單一強調逼真性的真實感圖形繪制技術有著根本的不同。虛擬現實系統所要求的是實時圖形生成，一方面渲染出來的虛擬場景要能滿足一定的視覺效果，否則就違背了模擬真實的初衷；另一方面由于實時性的限制，有時不得不降低虛擬環境的幾何復雜度、降低生成圖像質量，或采用優化技術來提高虛擬環境的速度。本文應用虛擬現實軟件EON，以某化工企業的生產現場為模型，建立了多處虛擬化工場景，制作過程中結合多種優化理論及技術的具體應用，實現了具有工藝流程培訓、漫游交互等功能的漫游系統，可使用戶有身臨其境的真實模擬操作的感覺，同時讓用戶對實際化工生產中的管路設計、生產設備和車間布置有更加感性的認識。
1 開發平臺概述
EON Studio是美國EON Reality公司開發的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開發工具，它能夠讓用戶自定義行為及交互方式，也能夠進行仿真測試及實時更改測試的參數，可應用在設計、研究、制造、生產、教育、訓練與維護等領域。EON Studio基于最新的PC技術，是在OpenGL圖形標準和微軟的DirectX多媒體功能的基礎上建立起來的。通過與OpenGL和DirectX的聯系，使得利用EON所開發的應用程序在將來圖形卡渲染能力加強的同時其渲染效果也會得到提高。EON強調資源(軟件/硬件)的集成與延展、基于Web的交互式三維文件的安全維護、逼真度及后臺數據庫的結合。EON Studio技術和VRML技術在結構上十分相似，可以認為，EON Studio技術是VRML技術基礎上的延伸和擴充，其系統組成如圖1所示。
EON Studio應用了面向對象技術，不僅使得對三維世界的描述變得清晰，還通過封裝屬性和建立模擬場景內部消息路由，很方便地實現虛擬實體的交互和行為動作等功能。虛擬場景的基本元素為節點(node)，節點是EON Studio為多媒體和交互對象定義的一個對象集。節點[1]的屬性包含在域(field)和事件(event)中。EON Studio的節點類型很豐富，具有超過100個預先設定好的功能節點，按功能可以分為以下幾類：預設節點；代理節點；組裝節點；基礎節點；碰撞檢測節點；可視化節點；傳感器節點。
另外，EON Studio在以上基礎上又增加了Script Nodes，可以利用Java script或VB script進行編程，處理一些復雜的仿真，擴展了EON Studio中虛擬世界的動態行為。利用EON Studio的功能節點，能方便地建立滿足用戶要求的三維虛擬場景，完成用戶特定的交互過程。
2 三維模型建立與優化
2.1 三維模型建立
使用3DS MAX可以較方便地建立逼真度很高的三維模型。圖2是建立某化工場景模型的軟件界面。
2.2 模型的優化
模型的優化對漫游場景的瀏覽很有幫助，前期如果不對場景的模型進行很好的優化，到了制作后期再對模型進行優化時就需要重新回到MAX里修改模型并進行重新烘焙后再導入到當前的EON場景里，這樣就出現了重復工作的情況，大大降低了工作效率。因此，模型的優化需要在創建場景時就應受到足夠的重視。
在3DS MAX中建模的準則基本上可以歸納為以下幾點：
(1)制作簡模
漫游場景中運行畫面每一幀都是靠顯卡和CPU實時計算出來的，如果面數太多，會導致運行速度急劇下降，甚至無法運行；還會導致文件容量增大，在網絡上發布還會導致下載時間增加[2]。
(2)三角面盡量為等邊三角形
在調用模型或創建模型時，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現長條型。這是因為長條形的面不利于實時渲染，還會出現鋸齒、紋理模糊等現象。
(3)合理分布模型的密度
模型的密度分布不合理對其后面的運行速度有影響，如果模型密度不均勻，會導致運行速度時快時慢，因此，應合理地分布場景模型的密度。
在3DS MAX中完成模型烘焙和優化后，輸出的Eoz文件格式，可方便地導入EON Studio進行開發設計。
3 EON中場景的優化
初步完成化工場景的建模后，通過EON Viewer瀏覽的速度緩慢，甚至發生停頓現象，如果不能解決瀏覽速度問題，整個系統就沒有什么意義了。為了解決這個問題，首先要對該問題的產生進行分析。三維場景的呈現是通過瀏覽器以默認視點為參照對場景描述文件的解釋而完成的，每當用戶拖動鼠標或按下箭頭鍵在場景中走動或旋轉時，視點就會發生變化。在真實世界中，人向前行，對面的事物會越來越近，為了模仿這種效果，每當視點發生變化，瀏覽器就會重新計算場景中各對象的新位置并重新進行渲染，使得人能走近某個對象。當場景中對象較多時，瀏覽器渲染的速度就跟不上視點變化的速度，從而產生停頓的現象。
由于化工廠場景巨大、管線繁多、工藝流程復雜等問題，對三維場景的顯示與實現帶來一定的困難。筆者曾試著采用貼圖的方法，即在一個方體上貼上相應的紋理圖來表示裝置，這種方法實現起來很簡單，瀏覽器解釋速度較快，但最大的缺點是構建的對象缺乏三維立體感和真實感，因此貼圖的方法不適合化工場景。通過對三維場景實時繪制技術的分析與研究，提出如下優化方式。
3.1 大量使用重用機制
不僅一個裝置內部的對象可以重用，流程相同的裝置之間也可采用重用機制。對于兩個不同的構建模型，有些泵和閥門是相同的，那么對相同的部分利用DEF與UES重用機制就可以極大地簡化描述文件，最重要的是能夠減輕瀏覽器的負擔，從而提高渲染速度。重用機制的使用有個前提，即只能在一個描述文件內部使用[3]。因此，需要進行代碼重用的2個或多個對象，它們的描述應放在同一個節點中。
3.2 利用EON統計值改善模擬品質
復雜三維場景的實時繪制要求包括：場景環境中的運動體的位置、姿態的實時計算與動態繪制；用戶視點改變時，畫面的刷新必須達到人眼覺察不到閃爍，即相當光滑的程度，通常為20~30幀/s，至少不能少于10幀/s；同時場景的環境也要求隨著人的活動及時產生相應的畫面，圖形生成必須能立即做出反應并產生相應的環境和場景。
可以利用模擬(Simulation)菜單中顯示模擬程式統計值(Show Simulation Statistics)選項，或是點選工具列中顯示模擬程式統計值的按鈕，啟動模擬統計值的顯示[4]。HZ：每秒框架數目。這是一個利用數個框架計算出來的平均速率，較小的值表示框架產生較慢；Frm：準備框架所需的時間(s)。這個值可用來確認哪個框架耗費較多的時間；App：更新傳呼所需的時間(s)；Eve：事件處理所耗費的時間(s)。Drw：繪圖所耗費的時間(s)，包含下載材質、像素填充及頂點轉換；#tri：繪制的三角形實際的數目(注意這個值會隨視角的改變而改變)。
隨著統計值的變化，可實時判定具體場景的瀏覽速度，同時利用EON中Mesh節點下的Polygon Reduction level子節點進行Mesh網格的簡化，以達到適合的瀏覽效果。
3.3 合理定義顯示比例
大部分的顯卡使用材質的影像記憶體及框架緩沖來做動作。框架緩沖可分為前緩沖、后緩沖及Z緩沖，在屏幕上根據所看到影像的不同而不同。如果在視窗中執行EON模擬程式，前緩沖會涵蓋整體事件屏幕，但不影響模擬視窗的大小，在記憶體的數量上，前緩沖由Windows屏幕設定來決定。而后緩沖及Z緩沖的大小則依據目前EON模擬視窗的大小來設定。
在屏幕上繪制像素是需要時間的，當相對于視窗大小的框架速率很大時，像素填充會設定模擬速度的極限。要降低像素填充所花費的時間，可使用較小的模擬視窗，點選大小/方位比例(Size/Aspect Ratio)標簽，并輸入模擬視窗大小，降低透支(Overdraw)的程度(例如空間內部結構的模擬)，合理地將場景進行分割并保存為獨立的Edz文件，利用改變模擬(Change Simulation)功能節點來進行切換，也可利用在框架功能節點的特性視窗中選取隱藏(Hidden)選項，讓漫游瀏覽中尚未看到的幾何物件暫時不顯示。
3.4 利用場景切換技術實現同一對象不同模型的自動切換
有針對性地為場景中面數復雜的裝置建立多個不同的模型，使場景在顯示的時候以不同模型多方面顯示，如圖3所示。最簡單的是建立簡單和細化兩種模型，當視點距對象較遠時采用簡單模型，視點接近時自動切換為該對象的細化模型。采用這種辦法，需對某對象建立多個模型，并利用Switch、LOD節點或觸發器實現模型的切換[5]。在切換過程中，要對切換時間進行設置，使切換時間小于人眼眨動頻率，畫面看起來更加逼真。這種方法既能夠減小面數、提高演示速度，又能夠使人感覺不到明顯的切換痕跡，是虛擬現實領域應該繼續沿用并加以延伸的方法。
3.5 漫游系統優化測試
虛擬現實漫游技術的一大困難在于漫游仿真速度與運行速度之間的矛盾。在建立最佳仿真程度模型的同時又要保證速度的運行是要重點協調的問題。本系統運行的硬件配置為：處理器Pentiu(R)4 3.0 GHz，內存1 GB，顯卡使用NVIDIA Geforce 7300GT(256 MB)，在臺式機上進行了優化測試，測試結果如表1所示。
利用EON Studio建立的虛擬化工場景，以某化工企業的生產場景為模型，實現了該虛擬場景的漫游，如圖4所示。使用者可以對場景進行全方位瀏覽，也可對局部進行細致的觀察；并配合適當的講解，最終對該生產過程產生一個清晰、深刻的認識。通過對模型部分優化與在EON Studio中進行的必要優化，符合實時交互頻率15幀/s以上的漫游要求，加快了三維場景的實時繪制速度，提供了良好的漫游瀏覽速度。該優化方法具有一定的普遍性，對后續漫游信息系統的完善和二次開發提供了必要的保證。
參考文獻
[1] 楊旭日，王丹虹.基于EON的數控機床換刀系統運動仿真[J].實驗技術與管理，2008，25(7):88-90.
[2] 王嵐.EON虛擬現實軟件應用教程[M].天津:南開大學出版社，2007.
[3] 于輝.EON入門與高級應用技巧[M].北京：國防工業出版社，2008.
[4] EON Reality Inc. EON user guide 5.5[Z]. USA， 2008.
[5] EON Reality Inc. EON SDK 5.5[Z]. USA， 2008.