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Multigen Creator虚拟校园建设的关键技术与实践
2009年12月25日    评论:    分享:


    作者:佚名    来源:不详

    摘  要 介绍了将Creator应用于虚拟校园三维建模的技术路线;讨论了建模过程中所用到的实例化、LOD和公告牌三个关键技术;通过这些方法解决了虚拟校园三维建模的精细程度与数据量之间的矛盾,并结合实际加以应用。
 
1 引言

    虚拟现实是指由计算机生成的一种实时三维空间[1]。虚拟校园是在传统校园的基础上,采用先进的信息化手段和技术,将现实中的校园各项资源都数字化,形成一个数字空间。将物质资源变为取之不尽用之不竭的信息资源。其中,虚拟校园的三维建模是实现校园数字化的重要基础。

    本文结合虚拟校园的三维景观的建设着重讨论了用Multigen Creator对其建模的关键技术,实例化技术、多层次细节模型技术和公告牌技术。

2 Creator软件及用于虚拟校园三维建模的技术方法

    现在流行的三维建模工具主要有AutoCAD,3DS Max,Multigen Creator。AutoCAD允许用户借助灵活的体、面、边编辑技术编辑三维实体,实现面的移动、旋转、平移、删除、复制、改变颜色、实体的拆分或检查实体的有效性。但对于大范围区域,如果每个地物目标都这样建模不仅费时,而且也不实际。3DS Max建模功能强大,对对象的细节描述非常生动,适合于对象的精细建模;但是其建模数据量非常大,不能满足实时渲染对数据量的要求,需要简化、消除冗余数据才能用于虚拟城市三维建模。

    Multigen Creator 是专门为复杂的虚拟场景实时漫游设计的建模工具,有良好的用户交互界面,建模速度快,而且它建立的模型较小,不会影响虚拟环境的实时性,但是在精细建模方面却不能和3D Max相提并论。

    结合“虚拟校园三维可视化研究”课题的实际情况,由于该课题要求能够实现实时漫游,对模型的精度要求的却不是很高,所以我们采用Multigen Creator进行建模,并用Vega实现其漫游功能。将Multigen Creator 应用于虚拟校园的三维建模的技术方法如下:

    (1)准备数据:从AutoCAD制作的校园平面图中提取建模要用到的建筑轮廓线,并将其保存为*.dxf的格式,该数据格式后期可以直接导入Multigen Creator。

    (2)制作纹理:利用数码相机拍摄建筑物的数字影像,然后利用Photoshop图像处理软件对其进行纠正、缩放、匹配处理,为了能够在Vega中实现实时渲染和漫游时纹理不发生变形和丢失,将纹理文件转化为Vega中支持的文件格式RGB、RGBA、INT、INTA、BMP或JPG,纹理的大小修改为Vega规定的像素长度——2n。

    (3)虚拟校园三维模型的建立:将AutoCAD制作的校园平面图导入Creator中,并在此基础上建模。

    (4)Creator对模型数据的加工处理:主要是对以上步骤所建立的各种模型进行数据层次结构的组织、LOD模型的制作等。

    (5)三维仿真系统的驱动:应用Vega开发平台进行二次开发,建立数字城市三维景观系统,实现系统的三维漫游和分析等功能。其开发流程图如图1所示。


图1

3 Creator建模的关键技术

3.1 实例化技术

    一个实例是指对模型数据库中某个对象的一个参考副本,仅仅是指向模型数据库中模型对象的指针,并没有复制模型对象的几何形体。所以,节省了计算机运行的开销[2]。如果同一物体在场景中被使用多次,也就是说除了空间位置,几何形状和属性都相同,那么可以建立一个模型,在以后的使用过程中采用实例化技术(Instance)引用该模型即可。对于对称的模型也可以采用实例化技术,这样可以节省大量的硬盘和内存空间。

3.2 层次细节技术

    层次细节(LOD)是一组代表模型数据库中同一物体而又具有不同的细节程度的模型对象,不同细节程度版本模型的多边形复杂度也不一样,细节程度越高模型对象所包含的多边形数量也越多[1]。


    在Creator建模中利用LOD技术具体而言就是,如果视点离物体较远,则使用由多边形数相对较少的低LOD显示模型对象,随着视点的移动,实时系统会逐渐用越来越复杂的高LOD代替,反之亦然。因为每一个实时系统能显示的多边形的数目都是有限的,所以使用LOD技术可以有效提高模型数据库的多边形利用率,在有限的条件下取得最佳的视觉效果。

3.3 公告牌技术

    Multigen Creator中的公告牌(Billboard),是那些模型数据库中可以在实时仿真过程中始终保持面对视点的多边形[2]。公告牌通常用于创建场景中类似于电线杆或树木等具有对称性的物体,甚至可以用一个多边形来表现具有大量细节的模型对象。比如,在场景中需要创建一棵树,就可以用二维的公告牌多边形,通过给它映射透明纹理使其看起来具有逼真的三维效果。

4 应用实践

    以下以虚拟校园为例具体说明Creator在虚拟校园三维建模中的应用。

4.1 实例化技术

    在虚拟校园的建模过程中我们发现校园内既有一些建筑是对称存在的,又有一些建筑的外形是一样的,还有很多完全一样的物体,所以对这个类型的建筑我们可以采用实例化技术,以便节省硬盘和内存的空间。如图2所示,建筑的柱子采用的就是实例化技术。在此建筑中只建立1个柱子(4个面)其它31个柱子采用的就是实例化技术,实际上只存储了四个面。节省了计算机运行的开销。


图2

4.2  层次细节技术

    (1)整理数据库:首先,在组节点(group nod)下创建LOD节点,分别命名为High,Medium,Low.然后添加Medium的内容,复制High的内容并简化它。但是先不要在Low下添加任何内容,直到我们完成了Medium模型,复制并简化它。如图3所示。


图3


图4


    (2)删除法:将模型的细节部分删除,保留模型的主要部分。适用于建筑物的修饰部分。如图4,用户视点离建筑物距离不同时,建筑物显示出的不同的层次细节模型。

    (3)抓图法:就是将模型的某个侧面最大化显示在屏幕上,利用截屏(Print Screen)功能抓取图像,然后处理为纹理文件,即可用一个面关联该纹理表现模型的整个侧面。该方法适用于建筑物的主体部分,特点是可以用小数据量表现较多的内容。

    虚拟校园建模文件xnxy.flt表现的是细节较为详细的LOD模型,给xnxy.flt文件中需要添加层次细节的模型下添加一到两个层次细节。尽管加入层次细节以后文件的多边形数会增加,但是通过设置视点的距离,每段距离范围内只表现模型的一个层次,这样还是会加快实时系统的效率。

4.3  公告牌技术

    在此课题中我们将Billboard用于部分树木的建模。Billboard是采用多边形面模拟方法,此方法能保证多边形会随着视点变化绕指定轴旋转,时刻保持二维纹理树木图像指向观察者。优点就是能够生成使观察者满意的树木视觉假象。但是,由于视点改变时要旋转二维纹理,而实体的旋转变换是一个矩阵相乘运算,因此运算量大,且阴影计算量也大。


图5

    图5就是用Billboard技术制作的树,但是如果采用十字交叉法计算量就会大大减少,显示速度较高。但是阴影效果不好。所谓的十字交叉法就是用两个十字交叉的面来构造树的模型,在互相垂直的平面分别映射相同的树的纹理。利用人的视觉误差,感觉上是不同角度总可以看到相同树的图像。

    所以,本文中利用这两种方法,远处的树用十字交叉法,近处的树用Billboard法。

4.4  实验结论

    实验中记录的数据如表1,其中记录了图4的High,Medium,Low三个模型的多边形数量。

High
Medium
Low
面数量
942
580
350

5  结论

    本文将Multigen Creator应用到三维建模中,通过使用实例化技术、层次细节技术和广告牌等技术使建立的模型数据符合实时渲染的要求,达到了用Multigen Creator建模的目的,提高了模型在漫游过程中的显示速度。

参考文献

[1] 张文君.3D GIS中虚拟现实地图的构建[J].测绘通报,2002,12
[2] 王乘,周均清,李利军.Creator可视化仿真建模技术[M].华中科技大学出版社,2005,1:173
[3] 张帆,史琼芳,达汉桥.Creator应用于虚拟城市三维建模的关键技术与实践[J].测绘工程,2005,12
[4] The MultiGen Creator Desktop Tutor:203

 

标签:MultiGenCreator虚拟校园
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